JP2015147954A - Method and apparatus for producing mesoporous niobium oxide - Google Patents

Method and apparatus for producing mesoporous niobium oxide Download PDF

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niobium oxide
mesoporous niobium
potassium hydroxide
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齊藤 健二
Kenji Saito
健二 齊藤
政行 八木
Masayuki Yagi
政行 八木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mesoporous niobium oxide production method and a mesoporous niobium oxide production apparatus that can produce a mesoporous niobium oxide free of impurities with a low voltage and by a simple procedure, without using highly toxic reagent to human body, in an electrolytic synthesis by using a Nb electrode.SOLUTION: There is provided a mesoporous niobium oxide production method, including a Nb electrode oxidation step for oxidizing the Nb electrode by applying a voltage to the Nb electrode.

Description

本発明は、メソポーラス酸化ニオブの製造方法、及び製造装置に関する。   The present invention relates to a method for producing mesoporous niobium oxide and a production apparatus.

メソポーラス材料は、メソ孔(2nm〜50nmの孔)が均一かつ規則的正しく配列し、大比表面積を有するという特徴がある。メソポーラスシリカに代表されるこれらの材料は、触媒(触媒担体としての利用)及び吸着剤としてだけでなく、生態適合性の高い材料であれば医療分野への応用も期待されている。   The mesoporous material is characterized in that mesopores (pores of 2 nm to 50 nm) are uniformly and regularly arranged and have a large specific surface area. These materials typified by mesoporous silica are expected to be applied not only as a catalyst (utilization as a catalyst carrier) and an adsorbent, but also in the medical field as long as the material is highly biocompatible.

Nbは、シリカ(SiO)と同様の金属酸化物であり、金属硫化物等に比べて高い化学的安定性を示すため、上述のような分野に利用可能である。一方、SiOにはない特徴として、材料自体を光エネルギー変換に利用できることが挙げられる。Nbはn型半導体であり、湿式光電池の光アノードとして利用することが可能である。また、Nbは、TiOよりもエネルギー的に卑側にフェルミ準位を有するため、増感型太陽電池の負極基板として用いた場合、汎用的に用いられているTiOのものに比べて開放端電圧の向上が見込める。実際、色素増感型太陽電池の負極基板として近年特に注目されており、多くの報告例がある。 Nb 2 O 5 is a metal oxide similar to silica (SiO 2 ) and exhibits high chemical stability compared to metal sulfides and the like, and thus can be used in the above fields. On the other hand, as a feature not found in SiO 2 , the material itself can be used for light energy conversion. Nb 2 O 5 is an n-type semiconductor and can be used as a photoanode of a wet photovoltaic cell. In addition, Nb 2 O 5 has a Fermi level on the energetically lower side than TiO 2. Therefore, when used as a negative electrode substrate of a sensitized solar cell, Nb 2 O 5 is a commonly used TiO 2 one. Compared with this, an improvement in open-circuit voltage can be expected. In fact, it has recently attracted particular attention as a negative electrode substrate for dye-sensitized solar cells, and there are many reports.

メソポーラス酸化ニオブ(m−Nb)合成に関する報告は、ボトムアップ合成及び電解合成の2種類に大別される。
前記ボトムアップ合成では、基板に対してメソ孔を垂直に伸長させることが困難であるという問題がある(例えば、非特許文献1参照)。
前記電解合成では、10V〜60Vのバイアスと、フッ素系化合物とを用いることが一般的である(例えば、非特許文献2参照)。しかし、前記フッ素系化合物は、人体に極めて有害であるという問題がある。また、従来の電解合成では、高い電圧を印加する必要があるという問題がある。
最近、Nb電極をリン酸カリウムのグリセリン溶液中、200℃で20Vのバイアスをかけることで50nmより大きいマクロ孔を有するNbを合成することが提案されている(例えば、非特許文献3参照)。しかし、この提案の技術で合成されたm−Nbは、P(リン)などの不純物を含むため、色素増感太陽電池の負極基板として用いると、性能が低いという問題がある(例えば、非特許文献4参照)。
Reports on the synthesis of mesoporous niobium oxide (m-Nb 2 O 5 ) can be broadly classified into two types: bottom-up synthesis and electrolytic synthesis.
In the bottom-up synthesis, there is a problem that it is difficult to extend the mesopores perpendicularly to the substrate (see, for example, Non-Patent Document 1).
In the electrolytic synthesis, it is common to use a bias of 10 V to 60 V and a fluorine-based compound (for example, see Non-Patent Document 2). However, the fluorine-based compound has a problem that it is extremely harmful to the human body. Further, the conventional electrolytic synthesis has a problem that a high voltage needs to be applied.
Recently, it has been proposed to synthesize Nb 2 O 5 having macropores larger than 50 nm by applying a bias of 20 V at 200 ° C. in a glycerin solution of potassium phosphate in a Nb electrode (for example, Non-Patent Document 3). reference). However, since m-Nb 2 O 5 synthesized by the proposed technique contains impurities such as P (phosphorus), there is a problem that the performance is low when used as a negative electrode substrate of a dye-sensitized solar cell (for example, Non-Patent Document 4).

Nb電極を用いた通常の電解合成では、バイアス印可直後に高い耐薬品性を示すNbがNb電極上に形成される。合成時間の経過とともに、このNbの形成速度と溶出速度が一定になり、最終的にm−Nbが得られる。このようなNbの溶出剤としては有害なフッ素系化合物以外に、これまでほとんど知られていなかった。 In normal electrolytic synthesis using an Nb electrode, Nb 2 O 5 exhibiting high chemical resistance is formed on the Nb electrode immediately after the bias is applied. As the synthesis time elapses, the Nb 2 O 5 formation rate and elution rate become constant, and finally m-Nb 2 O 5 is obtained. As such an eluent for Nb 2 O 5 , there has been little known so far other than harmful fluorine-based compounds.

したがって、Nb電極を用いた電解合成において、人体に極めて有毒な試薬を用いることなく、低電圧、かつ容易な操作で、不純物を含まないメソポーラス酸化ニオブを製造することができるメソポーラス酸化ニオブの製造方法、及びメソポーラス酸化ニオブの製造装置の提供が求められているのが現状である。   Therefore, in electrolytic synthesis using an Nb electrode, a mesoporous niobium oxide production method that can produce mesoporous niobium oxide containing no impurities at a low voltage and with an easy operation without using a reagent that is extremely toxic to the human body. In addition, the present situation is that provision of an apparatus for producing mesoporous niobium oxide is required.

Yang, P. et al., Nature 1998, 396, 152.Yang, P.A. et al. , Nature 1998, 396, 152. Wei, W. et al., Chem. Commun. 2012, 48, 4244.Wei, W. et al. Chem. Commun. 2012, 48, 4244. Lee, K. et al., Chem. Eur. J. 2012, 18, 9521.Lee, K.K. et al. Chem. Eur. J. et al. 2012, 18, 9521. Rani, R. A. et al., Chem. Commun. 2013, 49, 6349.Rani, R.D. A. et al. Chem. Commun. 2013, 49, 6349.

本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、Nb電極を用いた電解合成において、人体に極めて有毒な試薬を用いることなく、低電圧、かつ容易な操作で、不純物を含まないメソポーラス酸化ニオブを製造することができるメソポーラス酸化ニオブの製造方法、及びメソポーラス酸化ニオブの製造装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and achieve the following objects. That is, the present invention provides a mesoporous niobium oxide that can produce mesoporous niobium oxide containing no impurities at a low voltage and with an easy operation without using a reagent that is extremely toxic to the human body in an electrolytic synthesis using an Nb electrode. An object of the present invention is to provide a method for producing niobium and an apparatus for producing mesoporous niobium oxide.

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。
本発明のメソポーラス酸化ニオブの製造方法は、水酸化カリウム水溶液に接する陽極としてのNb電極に、電圧を印加し、前記Nb電極を酸化するNb電極酸化工程を含むことを特徴とする。
Means for solving the problems are as follows.
The method for producing mesoporous niobium oxide of the present invention includes an Nb electrode oxidation step of applying a voltage to an Nb electrode as an anode in contact with an aqueous potassium hydroxide solution to oxidize the Nb electrode.

本発明のメソポーラス酸化ニオブの製造装置は、
電解槽と、
前記電解槽内に収容された水酸化カリウム水溶液と、
前記電解槽内に収容され、前記水酸化カリウム水溶液と接する陽極としてのNb電極と、
前記電解槽内に収容され、前記水酸化カリウム水溶液と接する陰極とを有することを特徴とする。
The apparatus for producing mesoporous niobium oxide of the present invention comprises:
An electrolytic cell;
An aqueous potassium hydroxide solution contained in the electrolytic cell;
An Nb electrode as an anode housed in the electrolytic cell and in contact with the aqueous potassium hydroxide solution;
It has the cathode accommodated in the said electrolytic vessel and in contact with the said potassium hydroxide aqueous solution, It is characterized by the above-mentioned.

本発明によると、従来における前記諸問題を解決することができ、Nb電極を用いた電解合成において、人体に極めて有毒な試薬を用いることなく、低電圧、かつ容易な操作で、不純物を含まないメソポーラス酸化ニオブを製造することができるメソポーラス酸化ニオブの製造方法、及びメソポーラス酸化ニオブの製造装置を提供することができる。   According to the present invention, the above-described problems can be solved, and in the electrolytic synthesis using the Nb electrode, no impurities are contained in a low voltage and an easy operation without using a reagent that is extremely toxic to the human body. A method for producing mesoporous niobium oxide capable of producing mesoporous niobium oxide and an apparatus for producing mesoporous niobium oxide can be provided.

図1Aは、陽極酸化前のNb板の電界放出形走査電子顕微鏡(FE−SEM)像である。FIG. 1A is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image of an Nb plate before anodization. 図1Bは、陽極酸化後(焼成前)のNb板のFE−SEM像である。FIG. 1B is an FE-SEM image of the Nb plate after anodic oxidation (before firing). 図1Cは、陽極酸化後(焼成後)のNb板のFE−SEM像である。FIG. 1C is an FE-SEM image of the Nb plate after anodization (after firing). 図2は、XRDパターンである。FIG. 2 is an XRD pattern. 図3は、ラマンスペクトルである。FIG. 3 is a Raman spectrum. 図4は、ラマンスペクトルである。FIG. 4 is a Raman spectrum. 図5は、色素増感太陽電池のI−V特性を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing IV characteristics of the dye-sensitized solar cell.

(メソポーラス酸化ニオブの製造装置)
本発明のメソポーラス酸化ニオブの製造装置は、電解槽と、水酸化カリウム水溶液と、Nb電極と、陰極とを少なくとも有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
(Mesoporous niobium oxide production equipment)
The apparatus for producing mesoporous niobium oxide of the present invention includes at least an electrolytic cell, a potassium hydroxide aqueous solution, an Nb electrode, and a cathode, and further includes other members as necessary.

<電解槽>
前記電解槽の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、プラスチック、ガラスなどが挙げられる。
前記電解槽の形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<Electrolytic cell>
There is no restriction | limiting in particular as a material of the said electrolytic vessel, According to the objective, it can select suitably, For example, a plastics, glass etc. are mentioned.
There is no restriction | limiting in particular as a shape, a magnitude | size, and a structure of the said electrolytic vessel, According to the objective, it can select suitably.

<水酸化カリウム水溶液>
前記水酸化カリウム水溶液は、前記電解槽内に収容されている。
前記水酸化カリウム水溶液における水酸化カリウムの濃度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.25molL−1〜1molL−1が好ましく、0.5molL−1〜1molL−1がより好ましい。前記濃度が、0.25molL−1未満であると、100nm前後の孔が部分的に生成することがあり、1molL−1を超えると、生成するメソポーラス酸化ニオブが前記Nb電極から剥離することがある。前記濃度が、前記より好ましい範囲内であると、構造的均一性という点で有利である。
<Potassium hydroxide aqueous solution>
The aqueous potassium hydroxide solution is accommodated in the electrolytic cell.
There is no restriction | limiting in particular as a density | concentration of the potassium hydroxide in the said potassium hydroxide aqueous solution, Although it can select suitably according to the objective, 0.25 molL < -1 > -1 molL- 1 is preferable, 0.5 molL < -1 > -1 molL -1 is more preferable. If the concentration is less than 0.25 mol L −1 , pores of around 100 nm may be partially generated, and if it exceeds 1 mol L −1 , the generated mesoporous niobium oxide may peel from the Nb electrode. . It is advantageous in terms of structural uniformity that the concentration is within the more preferable range.

<Nb電極(陽極)>
前記Nb電極は、前記メソポーラス酸化ニオブの製造装置において、陽極として用いられる。
前記Nb電極は、前記電解槽内に収容され、前記水酸化カリウム水溶液と接する。
<Nb electrode (anode)>
The Nb electrode is used as an anode in the mesoporous niobium oxide production apparatus.
The Nb electrode is accommodated in the electrolytic cell and is in contact with the aqueous potassium hydroxide solution.

前記Nb電極の材質は、Nb(ニオブ)である。
前記Nb電極の形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、板状(Nb板)などが挙げられる。
The material of the Nb electrode is Nb (niobium).
There is no restriction | limiting in particular as a shape, a magnitude | size, and a structure of the said Nb electrode, According to the objective, it can select suitably, For example, plate shape (Nb board) etc. are mentioned.

<陰極>
前記陰極は、前記電解槽内の前記水酸化カリウム水溶液に接する。
前記陰極の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、水素過電圧の低い点から白金(Pt電極)が好ましい。
<Cathode>
The cathode is in contact with the potassium hydroxide aqueous solution in the electrolytic cell.
There is no restriction | limiting in particular as a material of the said cathode, Although it can select suitably according to the objective, Platinum (Pt electrode) is preferable from the point with a low hydrogen overvoltage.

<その他の部材>
前記その他の部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、スペーサーなどが挙げられる。
<Other members>
There is no restriction | limiting in particular as said other member, According to the objective, it can select suitably, For example, a spacer etc. are mentioned.

<<スペーサー>>
前記スペーサーは、前記Nb電極と前記陰極との間に配される。
前記スペーサーの材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、絶縁性材料などが挙げられる。前記絶縁性材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。
前記スペーサーを前記Nb電極と前記陰極との間に配することにより、容易に、前記Nb電極と前記陰極との間の距離を所定の距離に保つことができる。
<< Spacer >>
The spacer is disposed between the Nb electrode and the cathode.
There is no restriction | limiting in particular as a material of the said spacer, According to the objective, it can select suitably, For example, an insulating material etc. are mentioned. Examples of the insulating material include polytetrafluoroethylene.
By disposing the spacer between the Nb electrode and the cathode, the distance between the Nb electrode and the cathode can be easily maintained at a predetermined distance.

(メソポーラス酸化ニオブの製造方法)
本発明のメソポーラス酸化ニオブの製造方法は、Nb電極酸化工程を少なくとも含み、好ましくは加熱工程を含み、更に必要に応じて、その他の工程を含む。
(Method for producing mesoporous niobium oxide)
The method for producing mesoporous niobium oxide of the present invention includes at least an Nb electrode oxidation step, preferably a heating step, and further includes other steps as necessary.

<Nb電極酸化工程>
前記Nb電極酸化工程としては、Nb電極に、電圧を印加し、前記Nb電極を酸化する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、電解槽内の水酸化カリウム水溶液に接する陽極としてのNb電極と、前記電解槽内の前記水酸化カリウム水溶液に接する陰極との間に、電圧を印加し、前記Nb電極を酸化する工程であることが好ましい。
前記Nb電極酸化工程により、前記Nb電極が酸化され、メソポーラス酸化ニオブが生成する。
本発明において、メソポーラス構造とは、2nm〜50nm程度の細孔が規則的に配列した構造を意味する。
<Nb electrode oxidation process>
The Nb electrode oxidation step is not particularly limited as long as it is a step of applying a voltage to the Nb electrode to oxidize the Nb electrode, and can be appropriately selected according to the purpose. A step of oxidizing the Nb electrode by applying a voltage between the Nb electrode as the anode in contact with the potassium oxide aqueous solution and the cathode in contact with the potassium hydroxide aqueous solution in the electrolytic cell is preferable.
In the Nb electrode oxidation step, the Nb electrode is oxidized to produce mesoporous niobium oxide.
In the present invention, the mesoporous structure means a structure in which pores of about 2 nm to 50 nm are regularly arranged.

<<Nb電極>>
前記Nb電極は、前記Nb電極酸化工程において、陽極として作用する。
前記Nb電極は、水酸化カリウム水溶液に接している。
<< Nb electrode >>
The Nb electrode functions as an anode in the Nb electrode oxidation step.
The Nb electrode is in contact with an aqueous potassium hydroxide solution.

前記Nb電極の材質は、Nb(ニオブ)である。
前記Nb電極の形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、板状(Nb板)などが挙げられる。
The material of the Nb electrode is Nb (niobium).
There is no restriction | limiting in particular as a shape, a magnitude | size, and a structure of the said Nb electrode, According to the objective, it can select suitably, For example, plate shape (Nb board) etc. are mentioned.

<<水酸化カリウム水溶液>>
前記水酸化カリウム水溶液における水酸化カリウムの濃度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.25molL−1〜1molL−1が好ましく、0.5molL−1〜1molL−1がより好ましい。前記濃度が、0.25molL−1未満であると、100nm前後の孔が部分的に生成することがあり、1molL−1を超えると、生成するメソポーラス酸化ニオブが前記Nb電極から剥離することがある。前記濃度が、前記より好ましい範囲内であると、構造的均一性という点で有利である。
<< Aqueous potassium hydroxide >>
There is no restriction | limiting in particular as a density | concentration of the potassium hydroxide in the said potassium hydroxide aqueous solution, Although it can select suitably according to the objective, 0.25 molL < -1 > -1 molL- 1 is preferable, 0.5 molL < -1 > -1 molL -1 is more preferable. If the concentration is less than 0.25 mol L −1 , pores of around 100 nm may be partially generated, and if it exceeds 1 mol L −1 , the generated mesoporous niobium oxide may peel from the Nb electrode. . It is advantageous in terms of structural uniformity that the concentration is within the more preferable range.

<<陰極>>
前記陰極の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、水素過電圧の低い点から白金(Pt電極)が好ましい。
<< Cathode >>
There is no restriction | limiting in particular as a material of the said cathode, Although it can select suitably according to the objective, Platinum (Pt electrode) is preferable from the point with a low hydrogen overvoltage.

<<電解槽>>
前記電解槽の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、プラスチック、ガラスなどが挙げられる。
前記電解槽の形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<< Electrolysis tank >>
There is no restriction | limiting in particular as a material of the said electrolytic vessel, According to the objective, it can select suitably, For example, a plastics, glass etc. are mentioned.
There is no restriction | limiting in particular as a shape, a magnitude | size, and a structure of the said electrolytic vessel, According to the objective, it can select suitably.

<<電圧の印加>>
前記電圧としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、低電圧で前記Nb電極を酸化できる点から、1V〜30Vが好ましく、1V〜5Vがより好ましい。
<< Voltage application >>
There is no restriction | limiting in particular as said voltage, Although it can select suitably according to the objective, 1V-30V are preferable and 1V-5V are more preferable from the point which can oxidize said Nb electrode with a low voltage.

前記電圧の印加時間としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、3時間〜6時間などが挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as the application time of the said voltage, According to the objective, it can select suitably, For example, 3 hours-6 hours etc. are mentioned.

<加熱工程>
前記加熱工程としては、前記Nb電極酸化工程の後に、酸化された前記Nb電極を加熱する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記加熱工程は、例えば、前記酸化されたNb電極を、前記電解槽から取り出して行う。
前記加熱工程を行うことにより、非晶質の酸化されたNb電極(メソポーラス酸化ニオブ)を結晶化させることができる。
<Heating process>
The heating step is not particularly limited as long as it is a step of heating the oxidized Nb electrode after the Nb electrode oxidation step, and can be appropriately selected according to the purpose.
The heating step is performed, for example, by removing the oxidized Nb electrode from the electrolytic cell.
By performing the heating step, an amorphous oxidized Nb electrode (mesoporous niobium oxide) can be crystallized.

前記加熱工程における加熱温度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、400℃〜500℃が好ましく、400℃〜450℃がより好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as heating temperature in the said heating process, Although it can select suitably according to the objective, 400 to 500 degreeC is preferable and 400 to 450 degreeC is more preferable.

前記加熱工程における加熱時間としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.5時間〜3時間が好ましく、1時間〜1.5時間がより好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as heating time in the said heating process, Although it can select suitably according to the objective, 0.5 to 3 hours are preferable and 1 to 1.5 hours are more preferable.

本発明のメソポーラス酸化ニオブの製造方法、及び製造装置は、有害なフッ素系化合物を用いる必要がなく、かつ地球上に豊富に存在する資源(カリウム、水)を用いて、メソポーラス酸化ニオブの電解合成を行うことができる。
また、本発明のメソポーラス酸化ニオブの製造方法、及び製造装置は、従来のメソポーラス酸化ニオブの電解合成よりも低い印加電圧でメソポーラス酸化ニオブの電解合成を行うことができる。
また、本発明のメソポーラス酸化ニオブの製造方法、及び製造装置は、不純物を含まないメソポーラス酸化ニオブを製造できる。
また、本発明においては、電解合成中にKNb19と水素とが生成する。KNb19は、無害でありかつリサイクル可能な化合物である。水素は、次世代のエネルギーキャリアとして注目されている。そのため、本発明による電解合成では、副生成物にも利用価値がある。なお、KNb19は、例えば、(NH[NbO(C]・HO等の金属錯体(Bayot, D.A. et al., Inorg. Chem. 2006, 45, 4407.)、HNb19等の水素生成光触媒(Kudo, A. et al., Bull. Chem. Soc. Jpn. 1992, 65, 1202.)、耐火材料としての利用が期待される希土類を含むニオブ系酸化物[La,K,□]Nb7−x(OH)(□は欠陥)(Nyman, M. et al., Chem. Mater. 2009, 21, 2201.)の原料としてリサイクル可能である。
The method and apparatus for producing mesoporous niobium oxide of the present invention does not require the use of harmful fluorine-based compounds, and uses the resources (potassium, water) that are abundant on the earth, and electrosynthesis of mesoporous niobium oxide. It can be performed.
The method and apparatus for producing mesoporous niobium oxide of the present invention can perform electrosynthesis of mesoporous niobium oxide at an applied voltage lower than that of conventional electrosynthesis of mesoporous niobium oxide.
The method and apparatus for producing mesoporous niobium oxide of the present invention can produce mesoporous niobium oxide containing no impurities.
In the present invention, K 8 Nb 6 O 19 and hydrogen are generated during the electrolytic synthesis. K 8 Nb 6 O 19 is a harmless and recyclable compound. Hydrogen is drawing attention as the next generation energy carrier. Therefore, in the electrolytic synthesis according to the present invention, the by-product is also valuable. K 8 Nb 6 O 19 is, for example, a metal complex such as (NH 4 ) 3 [NbO (C 2 O 4 ) 3 ] · H 2 O (Bayot, DA et al., Inorg. Chem. 2006, 45, 4407.), H 8 Nb 6 O 19 and other hydrogen production photocatalysts (Kudo, A. et al., Bull. Chem. Soc. Jpn. 1992, 65, 1202.), Niobium-based oxide containing expected rare earth [La, K, □] 2 Nb 2 O 7-x (OH) 2 (□ is a defect) (Nyman, M. et al., Chem. Mater. 2009, 21, 2201.) can be recycled.

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.

以下の実施例において用いた分析装置は以下のとおりである。
電界放出形走査電子顕微鏡:JSM−6500F、日本電子株式会社製
粉末X線回折分析装置:MiniFlex600、株式会社リガク製
ラマンスペクトル測定装置:LabRam HR、株式会社堀場製作所製
クリプトン吸脱着等温線測定装置:BELSORP−max、日本ベル株式会社製
SEM−EDS:フォトダイオードSiP−N接合型半導体検出器、日本電子株式会社製
The analyzers used in the following examples are as follows.
Field emission scanning electron microscope: JSM-6500F, manufactured by JEOL Ltd. Powder X-ray diffraction analyzer: MiniFlex600, manufactured by Rigaku Corporation Raman spectrum measuring device: LabRam HR, manufactured by Horiba Ltd. Krypton adsorption / desorption isotherm measuring device: BELSORP-max, manufactured by Nippon Bell Co., Ltd. SEM-EDS: photodiode SiP-N junction type semiconductor detector, manufactured by JEOL Ltd.

(実施例1)
<m−Nbの製造>
電解合成により、メソポーラス酸化ニオブ(m−Nb)を製造した。
電極として、Nb板(陽極、0.1mm×8mm×33.5mm)と、Pt板(陰極、0.1mm×10mm×20mm)とを用いた。
プラスチック製の電解槽(容量10mL)に、1molL−1KOH水溶液7mLを投入し、常温(25℃)に保持した。
テフロンスペーサー(5mm×10mm×15mm)で前記Nb板と前記Pt板との間隔を5mmに調整し、前記Nb板/前記テフロンスペーサー/前記Pt板を前記KOH水溶液に浸漬した。前記KOH水溶液を350rpmで撹拌し、1V(vs.Pt)のバイアスを3時間印可した。電極(陽極)を水洗後、0.5℃min−1で昇温し、450℃1時間焼成することでm−Nbを得た。
Example 1
<Production of m-Nb 2 O 5>
Mesoporous niobium oxide (m-Nb 2 O 5 ) was produced by electrolytic synthesis.
As electrodes, Nb plates (anode, 0.1 mm × 8 mm × 33.5 mm) and Pt plates (cathode, 0.1 mm × 10 mm × 20 mm) were used.
A plastic electrolytic cell (capacity 10 mL) was charged with 7 mL of a 1 mol L −1 KOH aqueous solution and kept at room temperature (25 ° C.).
The interval between the Nb plate and the Pt plate was adjusted to 5 mm with a Teflon spacer (5 mm × 10 mm × 15 mm), and the Nb plate / the Teflon spacer / the Pt plate was immersed in the KOH aqueous solution. The KOH aqueous solution was stirred at 350 rpm, and a bias of 1 V (vs. Pt) was applied for 3 hours. After washing the electrode (anode) with water, the temperature was raised at 0.5 ° C. min −1 and firing at 450 ° C. for 1 hour to obtain m-Nb 2 O 5 .

<FE−SEM(電界放出形走査電子顕微鏡)観察>
陽極酸化後に得られた電極のFE−SEM像から、陽極酸化前には見られなかった直径5nm〜10nmのメソ孔が均一に形成されていることが確認できた(図1A、図1B)。得られた電極を水洗後、450℃で1時間焼成しても(m−Nb)、焼成前の構造(メソ孔)が維持されていることを確認した(図1C)。
<FE-SEM (field emission scanning electron microscope) observation>
From the FE-SEM image of the electrode obtained after anodic oxidation, it was confirmed that mesopores having a diameter of 5 nm to 10 nm that were not seen before anodic oxidation were uniformly formed (FIGS. 1A and 1B). Even if the obtained electrode was washed with water and fired at 450 ° C. for 1 hour (m-Nb 2 O 5 ), it was confirmed that the structure (mesopores) before firing was maintained (FIG. 1C).

<粉末X線回折>
粉末X線回折を測定したところ、焼成前は非晶質であるのに対し、焼成後は、orthorhombicのNb(PDF 30−873)に帰属される回折パターンを示した(図2)。図2において、(a)は、本実施例における陽極酸化後(焼成前)のサンプルのXRDパターンであり、(b)は、本実施例における陽極酸化後(450℃で1時間焼成後)のサンプルのXRDパターンであり、「Nb」は、Nb(PDF 30−873)の回折パターンである。
<Powder X-ray diffraction>
Measurement of powder X-ray diffraction revealed that it was amorphous before firing, but after firing, showed a diffraction pattern attributed to orthohombic Nb 2 O 5 (PDF 30-873) (FIG. 2). . In FIG. 2, (a) is an XRD pattern of a sample after anodization (before firing) in this example, and (b) is after anodization in this example (after firing at 450 ° C. for 1 hour). It is an XRD pattern of a sample, and “Nb 2 O 5 ” is a diffraction pattern of Nb 2 O 5 (PDF 30-873).

<ラマンスペクトル>
ラマンスペクトル測定結果から焼成前のサンプルを同定すると、Nb・nHOであることがわかった(図3)。図3において、(a)は、本実施例における陽極酸化前のサンプルのラマンスペクトルであり、(b)は、KNb19を加水分解して合成したNb・nHO(比較試料)のラマンスペクトルである。
<Raman spectrum>
When the sample before baking was identified from the Raman spectrum measurement result, it was found to be Nb 2 O 5 .nH 2 O (FIG. 3). In FIG. 3, (a) is a Raman spectrum of the sample before anodization in this example, and (b) is Nb 2 O 5 .nH 2 O synthesized by hydrolyzing K 8 Nb 6 O 19. It is a Raman spectrum of (comparative sample).

<比表面積>
クリプトン吸脱着等温線から陽極酸化後の電極(陽極)の比表面積をBET法により算出した。メソポーラス層の厚みは100nmと仮定すると、BET比表面積は、892mcm−3であった。
<Specific surface area>
The specific surface area of the anodized electrode (anode) was calculated from the krypton adsorption / desorption isotherm by the BET method. Assuming that the thickness of the mesoporous layer was 100 nm, the BET specific surface area was 892 m 2 cm −3 .

<m−Nbの生成機構>
陽極酸化によるm−Nbの生成機構に関する知見を得るために種々の検討を行った。
陽極酸化を24時間行い、得られた水溶液を減圧濃縮してラマン分光法により液相生成物を確認すると、水溶性のKNb19に帰属されるピークが観測された(図4)。図4において、(a)は、陽極酸化後の液相生成物のラマンスペクトルであり、(b)は、NbとKOHとを380℃5時間焼成して得たKNb19(比較試料)のラマンスペクトルである。
次に二室の電解セルを用いて気相生成物の分析を行った。陽極酸化では、酸素がm−Nbの形成に必要であることから、陽極側(Nb板)を通気し、陰極側(Pt板)を不活性ガスで置換して3時間電解後、陰極側の気相をサンプリングした。その結果、Hのみが生成していることをガスクロマトグラフィーで確認した。
以上の結果より、液相生成物及び気相生成物は、それぞれKNb19及びHであることがわかった。
<M-Nb 2 O 5 formation mechanism>
Various studies were conducted in order to obtain knowledge about the formation mechanism of m-Nb 2 O 5 by anodic oxidation.
Anodization was performed for 24 hours, and the resulting aqueous solution was concentrated under reduced pressure. When a liquid phase product was confirmed by Raman spectroscopy, a peak attributed to water-soluble K 8 Nb 6 O 19 was observed (FIG. 4). . In FIG. 4, (a) is a Raman spectrum of the liquid phase product after anodic oxidation, and (b) is K 8 Nb 6 O obtained by baking Nb 2 O 5 and KOH at 380 ° C. for 5 hours. 19 is a Raman spectrum of (comparative sample).
Next, the vapor phase product was analyzed using a two-chamber electrolysis cell. In anodic oxidation, oxygen is necessary for the formation of m-Nb 2 O 5 , so the anode side (Nb plate) is vented, the cathode side (Pt plate) is replaced with an inert gas, and electrolysis is performed for 3 hours. The gas phase on the cathode side was sampled. As a result, it was confirmed by gas chromatography that only H 2 was produced.
From the above results, it was found that the liquid phase product and the gas phase product were K 8 Nb 6 O 19 and H 2 , respectively.

m−Nbの元素分析をSEM−EDSで行ったところ、Kの存在は検出されなかったことから、m−Nbには不純物が含まれていないことを確認した。 When elemental analysis of m-Nb 2 O 5 was performed with SEM-EDS, the presence of K + was not detected, so it was confirmed that m-Nb 2 O 5 contained no impurities.

<電池性能>
m−Nbの性能評価を行った。
実施例1で作製した焼成後のNb板(m−Nb)をRu色素(N719)のエタノール溶液に12時間浸漬し、アセトニトリルで洗浄したものを負極として用いた。対極にはPtスパッタFTO(Fuorine−doped tin oxide)、電解液にはI/I のアセトニトリル溶液〔LiI(0.1molL−1)、I(0.05molL−1)、t−ブチルピリジン(0.5molL−1)、及びジメチルプロピルイミダゾリウムヨージド(0.6molL−1)〕を用いた。疑似太陽光(AM1.5,100mWcm−2)を対極側から照射して電池性能を評価した。結果を図5に示した。良好な電池性能を示した。
<Battery performance>
The performance evaluation of m-Nb 2 O 5 was performed.
The fired Nb plate (m-Nb 2 O 5 ) produced in Example 1 was immersed in an ethanol solution of Ru dye (N719) for 12 hours and washed with acetonitrile, and used as the negative electrode. The counter electrode is Pt sputtered FTO (Fourine-doped tin oxide), and the electrolyte is I / I 3 acetonitrile solution [LiI (0.1 mol L −1 ), I 2 (0.05 mol L −1 ), t-butyl]. Pyridine (0.5 molL −1 ) and dimethylpropylimidazolium iodide (0.6 molL −1 )] were used. Pseudo sunlight (AM1.5, 100 mWcm −2 ) was irradiated from the counter electrode side to evaluate battery performance. The results are shown in FIG. The battery performance was good.

本発明の態様としては、例えば、以下のものなどが挙げられる。
<1> 水酸化カリウム水溶液に接する陽極としてのNb電極に、電圧を印加し、前記Nb電極を酸化するNb電極酸化工程を含むことを特徴とするメソポーラス酸化ニオブの製造方法である。
<2> Nb電極酸化工程が、電解槽内の水酸化カリウム水溶液に接する陽極としてのNb電極と、前記電解槽内の前記水酸化カリウム水溶液に接する陰極との間に、電圧を印加し、前記Nb電極を酸化する工程である前記<1>に記載のメソポーラス酸化ニオブの製造方法である。
<3> 陰極が、Pt電極である前記<2>に記載のメソポーラス酸化ニオブの製造方法である。
<4> Nb電極酸化工程の後に、酸化されたNb電極を加熱する加熱工程を含む前記<1>から<3>のいずれかに記載のメソポーラス酸化ニオブの製造方法である。
<5> 電解槽と、
前記電解槽内に収容された水酸化カリウム水溶液と、
前記電解槽内に収容され、前記水酸化カリウム水溶液と接する陽極としてのNb電極と、
前記電解槽内に収容され、前記水酸化カリウム水溶液と接する陰極とを有することを特徴とするメソポーラス酸化ニオブの製造装置である。
<6> 陰極が、Pt電極である前記<5>に記載のメソポーラス酸化ニオブの製造装置である。
Examples of the aspect of the present invention include the following.
<1> A method for producing mesoporous niobium oxide, comprising an Nb electrode oxidation step of applying a voltage to an Nb electrode as an anode in contact with an aqueous potassium hydroxide solution to oxidize the Nb electrode.
<2> The Nb electrode oxidation step applies a voltage between the Nb electrode serving as an anode in contact with the potassium hydroxide aqueous solution in the electrolytic cell and the cathode in contact with the potassium hydroxide aqueous solution in the electrolytic cell, The method for producing mesoporous niobium oxide according to <1>, which is a step of oxidizing a Nb electrode.
<3> The method for producing mesoporous niobium oxide according to <2>, wherein the cathode is a Pt electrode.
<4> The method for producing mesoporous niobium oxide according to any one of <1> to <3>, further including a heating step of heating the oxidized Nb electrode after the Nb electrode oxidation step.
<5> an electrolytic cell;
An aqueous potassium hydroxide solution contained in the electrolytic cell;
An Nb electrode as an anode housed in the electrolytic cell and in contact with the aqueous potassium hydroxide solution;
An apparatus for producing mesoporous niobium oxide, comprising a cathode housed in the electrolytic cell and in contact with the potassium hydroxide aqueous solution.
<6> The mesoporous niobium oxide production apparatus according to <5>, wherein the cathode is a Pt electrode.

Claims (6)

水酸化カリウム水溶液に接する陽極としてのNb電極に、電圧を印加し、前記Nb電極を酸化するNb電極酸化工程を含むことを特徴とするメソポーラス酸化ニオブの製造方法。   A method for producing mesoporous niobium oxide, comprising an Nb electrode oxidation step of applying a voltage to an Nb electrode serving as an anode in contact with an aqueous potassium hydroxide solution to oxidize the Nb electrode. Nb電極酸化工程が、電解槽内の水酸化カリウム水溶液に接する陽極としてのNb電極と、前記電解槽内の前記水酸化カリウム水溶液に接する陰極との間に、電圧を印加し、前記Nb電極を酸化する工程である請求項1に記載のメソポーラス酸化ニオブの製造方法。   In the Nb electrode oxidation step, a voltage is applied between the Nb electrode as an anode in contact with the potassium hydroxide aqueous solution in the electrolytic cell and the cathode in contact with the potassium hydroxide aqueous solution in the electrolytic cell, and the Nb electrode is The method for producing mesoporous niobium oxide according to claim 1, which is a step of oxidizing. 陰極が、Pt電極である請求項2に記載のメソポーラス酸化ニオブの製造方法。   The method for producing mesoporous niobium oxide according to claim 2, wherein the cathode is a Pt electrode. Nb電極酸化工程の後に、酸化されたNb電極を加熱する加熱工程を含む請求項1から3のいずれかに記載のメソポーラス酸化ニオブの製造方法。   The method for producing mesoporous niobium oxide according to any one of claims 1 to 3, further comprising a heating step of heating the oxidized Nb electrode after the Nb electrode oxidation step. 電解槽と、
前記電解槽内に収容された水酸化カリウム水溶液と、
前記電解槽内に収容され、前記水酸化カリウム水溶液と接する陽極としてのNb電極と、
前記電解槽内に収容され、前記水酸化カリウム水溶液と接する陰極とを有することを特徴とするメソポーラス酸化ニオブの製造装置。
An electrolytic cell;
An aqueous potassium hydroxide solution contained in the electrolytic cell;
An Nb electrode as an anode housed in the electrolytic cell and in contact with the aqueous potassium hydroxide solution;
An apparatus for producing mesoporous niobium oxide, comprising a cathode housed in the electrolytic cell and in contact with the aqueous potassium hydroxide solution.
陰極が、Pt電極である請求項5に記載のメソポーラス酸化ニオブの製造装置。   6. The apparatus for producing mesoporous niobium oxide according to claim 5, wherein the cathode is a Pt electrode.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000075943A1 (en) * 1999-06-09 2000-12-14 Showa Denko Kabushiki Kaisha Electrode material for capacitor and capacitor using the same
JP2006016647A (en) * 2004-06-30 2006-01-19 Sugimura Kagaku Kogyo Kk Electrolytic oxidation treatment method and electrolytic oxidation-treated metallic material
WO2008099513A1 (en) * 2007-02-16 2008-08-21 Sugimura Chemical Industrial Co., Ltd. Method of electrolytic oxidation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000075943A1 (en) * 1999-06-09 2000-12-14 Showa Denko Kabushiki Kaisha Electrode material for capacitor and capacitor using the same
US6430026B1 (en) * 1999-06-09 2002-08-06 Showa Denko K.K. Electrode material for capacitors and capacitor using the same
JP2010183091A (en) * 1999-06-09 2010-08-19 Showa Denko Kk Method of manufacturing electrode material for capacitor
JP2006016647A (en) * 2004-06-30 2006-01-19 Sugimura Kagaku Kogyo Kk Electrolytic oxidation treatment method and electrolytic oxidation-treated metallic material
WO2008099513A1 (en) * 2007-02-16 2008-08-21 Sugimura Chemical Industrial Co., Ltd. Method of electrolytic oxidation

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