JP2016139535A - Method for evaluating hydroxide ion conductive dense membrane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水酸化物イオン伝導緻密膜の緻密性を評価する方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating the denseness of a hydroxide ion conductive dense membrane.
ハイドロタルサイトに代表される層状複水酸化物(Layered Double Hydroxide)(以下、LDHともいう)は、水酸化物の層と層の間に交換可能な陰イオンを有する物質群であり、その特徴を活かして触媒や吸着剤、耐熱性向上のための高分子中の分散剤等として利用されている。特に、近年、水酸化物イオンを伝導する材料として注目され、アルカリ形燃料電池の電解質や亜鉛空気電池の触媒層への添加についても検討されている。 Layered Double Hydroxide (hereinafter also referred to as LDH) typified by hydrotalcite is a group of substances having anions that can be exchanged between hydroxide layers. It is used as a catalyst, an adsorbent, and a dispersant in a polymer for improving heat resistance. In particular, in recent years, it has been attracting attention as a material that conducts hydroxide ions, and addition to an electrolyte of an alkaline fuel cell or a catalyst layer of a zinc-air cell has also been studied.
従来の適用分野である触媒等を考えた場合、高比表面積が必要であることから粉末状LDHでの合成及び使用で十分であった。一方、アルカリ形燃料電池などの水酸化物イオン伝導性を活かした電解質への応用を考えた場合、燃料ガスの混合を防ぎ、十分な起電力を得るためにも高い緻密性のLDH膜が望まれる。 When considering catalysts and the like which are conventional application fields, synthesis and use in powdered LDH was sufficient because a high specific surface area was required. On the other hand, when considering application to an electrolyte utilizing hydroxide ion conductivity such as an alkaline fuel cell, a highly dense LDH film is desirable in order to prevent mixing of fuel gas and obtain sufficient electromotive force. It is.
特許文献1及び2並びに非特許文献1には配向LDH膜が開示されており、この配向LDH膜は高分子基材の表面を尿素及び金属塩を含有する溶液中に水平に浮かせてLDHを核生成させ配向成長させることにより作製されている。これらの文献で得られた配向LDH薄膜のX線回折結果はいずれも(003)面の強いピークが観察されるものである。 Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 disclose an oriented LDH film. The oriented LDH film suspends the surface of a polymer base material horizontally in a solution containing urea and a metal salt to nucleate LDH. It is produced by forming and orientation growing. In each of the X-ray diffraction results of the oriented LDH thin films obtained in these documents, a strong peak of (003) plane is observed.
ところで、ニッケル亜鉛二次電池や亜鉛空気二次電池等の亜鉛二次電池は古くから開発及び検討がなされてきたものの、未だ実用化に至っていない。これは、充電時に負極を構成する亜鉛がデンドライトという樹枝状結晶を生成し、このデンドライトがセパレータを突き破って正極と短絡を引き起こすという問題があるためである。したがって、ニッケル亜鉛二次電池や亜鉛空気二次電池等の亜鉛二次電池において、亜鉛デンドライトによる短絡を防止する技術が強く望まれている。 By the way, although zinc secondary batteries, such as a nickel zinc secondary battery and a zinc air secondary battery, have been developed and studied for a long time, they have not yet been put into practical use. This is because the zinc constituting the negative electrode produces dendritic crystals called dendrite during charging, and this dendrite breaks through the separator and causes a short circuit with the positive electrode. Therefore, a technique for preventing a short circuit due to zinc dendrite in a zinc secondary battery such as a nickel zinc secondary battery or a zinc-air secondary battery is strongly desired.
本発明者らは、LDHの緻密なバルク体(以下、LDH緻密体という)の作製に先だって成功している。また、LDH緻密体について水酸化物イオン伝導度の評価を実施する中で、LDH粒子の層方向にイオンを伝導させることで高い伝導度を示すことを知見している。しかしながら、亜鉛空気電池やニッケル亜鉛電池等のアルカリ二次電池へ固体電解質セパレータとしてLDHの適用を考えた場合、LDH緻密体が高抵抗であるとの問題がある。したがって、LDHの実用化のためには薄膜化による低抵抗化が望まれる。この点、特許文献1及び2並びに非特許文献1に開示される配向LDH膜は緻密性において十分なものとはいえない。そこで、高度に緻密化されたLDH緻密膜が望まれる。特に、固体電解質セパレータとしてLDH緻密膜の適用を考えた場合、電解液中の水酸化物イオンがLDH緻密膜を通して移動しなければならない一方、水酸化物イオン以外の物質(特に亜鉛二次電池で亜鉛デンドライト成長を引き起こすZnや亜鉛空気電池でアルカリ炭酸塩の析出を引き起こす二酸化炭素)を極力透過させないといった高度な緻密性が望まれる。また、このような高度な緻密性はLDH緻密膜に限らず、有機材料及び無機材料を問わず、水酸化物イオン伝導性を有する他の材質の緻密膜にも同様に望まれるのはいうまでもない。 The present inventors have succeeded in producing a dense bulk body of LDH (hereinafter referred to as an LDH dense body). In addition, while conducting evaluation of hydroxide ion conductivity for LDH dense bodies, it has been found that high conductivity is exhibited by conducting ions in the layer direction of LDH particles. However, when considering application of LDH as a solid electrolyte separator to an alkaline secondary battery such as a zinc-air battery or a nickel-zinc battery, there is a problem that the LDH dense body has high resistance. Therefore, for practical use of LDH, it is desired to reduce the resistance by thinning. In this regard, the oriented LDH films disclosed in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 are not sufficient in terms of denseness. Therefore, a highly densified LDH dense film is desired. In particular, when considering application of an LDH dense membrane as a solid electrolyte separator, hydroxide ions in the electrolyte must move through the LDH dense membrane, while substances other than hydroxide ions (especially in zinc secondary batteries) A high degree of denseness is desired such that Zn causing zinc dendrite growth and carbon dioxide causing alkali carbonate precipitation in a zinc-air battery are not transmitted as much as possible. In addition, such high denseness is not limited to the LDH dense film, and it is also desired that the dense film is made of other materials having hydroxide ion conductivity regardless of organic materials and inorganic materials. Nor.
本発明者らは、今般、水酸化物イオン伝導緻密膜の一方の面にZn含有水溶液を接触させつつ他方の面にZn非含有水溶液を接触させ、そのZn透過割合を評価することにより、水酸化物イオン伝導緻密膜が電池用セパレータ等の所定の用途(特に亜鉛デンドライト成長が問題となる亜鉛二次電池用途)に適した十分に高い緻密性を有するのか否かを確実かつ高精度に評価できるとの知見を得た。 The present inventors have recently made contact with a Zn-containing aqueous solution on one surface of a hydroxide ion conductive dense membrane while contacting a Zn-free aqueous solution on the other surface, and evaluated the Zn transmission rate by Whether the oxide ion conductive dense membrane has a sufficiently high density suitable for predetermined applications such as battery separators (especially zinc secondary battery applications where zinc dendrite growth is a problem) is reliably and accurately evaluated. I learned that I can do it.
したがって、本発明の目的は、水酸化物イオン伝導緻密膜が電池用セパレータ等の所定の用途(特に亜鉛デンドライト成長が問題となる亜鉛二次電池用途)に適した十分に高い緻密性を有するのか否かを確実かつ高精度に評価可能な方法を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is whether the hydroxide ion conductive dense membrane has a sufficiently high density suitable for a predetermined application such as a battery separator (especially a zinc secondary battery application where zinc dendrite growth is a problem). The object is to provide a method capable of reliably and accurately evaluating whether or not.
本発明の一態様によれば、水酸化物イオン伝導緻密膜の緻密性を評価する方法であって、
水酸化物イオン伝導緻密膜の一方の面にZnを含有する第一の水溶液を接触させ、かつ、前記緻密膜の他方の面にZnを含有しない第二の水溶液又は水を接触させて、前記緻密膜にZnを所定時間透過させる工程と、
Zn透過開始前の第一の水溶液のZn濃度C1、Zn透過開始前の第一の水溶液の液量V1、Zn透過終了後の第二の水溶液又は水のZn濃度C2、Zn透過終了後の第二の水溶液又は水の液量V2、Znの透過時間t、及びZnが透過する膜面積Sを用いて、(C2×V2)/(C1×V1×t×S)の式によりZn透過割合を算出し、該Zn透過割合に基づいて前記緻密膜の緻密性を評価する工程と、
を含む、方法が提供される。
According to one aspect of the present invention, a method for evaluating the denseness of a hydroxide ion conducting dense membrane, comprising:
A first aqueous solution containing Zn is brought into contact with one surface of the hydroxide ion conductive dense membrane, and a second aqueous solution not containing Zn or water is brought into contact with the other surface of the dense membrane, Passing Zn through the dense film for a predetermined time;
Zn concentration C 1 of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, liquid volume V 1 of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, Zn concentration C 2 of the second aqueous solution or water after the end of Zn permeation, the end of the Zn permeation Using the second aqueous solution or water volume V 2 , Zn permeation time t, and film area S through which Zn permeates, (C 2 × V 2 ) / (C 1 × V 1 × t × S ) To calculate the Zn permeation ratio, and evaluating the denseness of the dense film based on the Zn permeation ratio,
A method is provided comprising:
水酸化物イオン伝導緻密膜の評価方法
本発明は、水酸化物イオン伝導緻密膜の緻密性を評価する方法に関する。水酸化物イオン伝導緻密膜は、好ましくは層状複水酸化物緻密膜(LDH緻密膜)であるが、これに限定されず、水酸化物イオン伝導性を有するあらゆる緻密膜であってよく、例えば水酸化物イオン伝導性を有する無機材料及び/又は有機材料を含んでなる膜であることができる。いずれにしても、水酸化物イオン伝導緻密膜は透水性を有しない程に緻密な膜であることが望まれる。この緻密膜は水酸化物イオン伝導性を有するが透水性を有しないことで、電池用セパレータとしての機能を呈することができる。前述したとおり、電池用固体電解質セパレータとしてLDHの適用を考えた場合、バルク形態のLDH緻密体では高抵抗であるとの問題があったが、緻密膜の形態とすることで厚みを薄くして低抵抗化を図ることができる。すなわち、緻密膜は、金属空気電池(例えば亜鉛空気電池)及びその他各種亜鉛二次電池(例えばニッケル亜鉛電池)等の各種電池用途に適用可能な固体電解質セパレータとして、極めて有用な材料となりうる。もっとも、局所的且つ/又は偶発的に透水性を有する欠陥が緻密膜に存在する場合には、当該欠陥を適当な補修剤(例えばエポキシ樹脂等)で埋めて補修することで水不透性を確保してもよく、そのような補修剤は必ずしも水酸化物イオン伝導性を有する必要はない。
Evaluation method The present invention hydroxide ion conducting dense membrane is directed to a method of evaluating the compactness of the hydroxide ion conducting dense membrane. The hydroxide ion conductive dense membrane is preferably a layered double hydroxide dense membrane (LDH dense membrane), but is not limited thereto, and may be any dense membrane having hydroxide ion conductivity. It can be a film comprising an inorganic material and / or an organic material having hydroxide ion conductivity. In any case, it is desired that the hydroxide ion conductive dense membrane is a dense membrane that does not have water permeability. Although this dense membrane has hydroxide ion conductivity but does not have water permeability, it can function as a battery separator. As described above, when considering the application of LDH as a solid electrolyte separator for a battery, there was a problem that a bulk LDH dense body had high resistance, but the thickness was reduced by forming a dense film. Low resistance can be achieved. That is, the dense membrane can be a very useful material as a solid electrolyte separator applicable to various battery applications such as metal-air batteries (for example, zinc-air batteries) and other various zinc secondary batteries (for example, nickel-zinc batteries). However, when a defect having water permeability locally and / or accidentally exists in the dense film, the defect is filled with an appropriate repair agent (for example, epoxy resin) to repair the water impermeability. Such a repair agent need not necessarily have hydroxide ion conductivity.
本発明の方法は、本来的に上記の如く緻密に構成されるべき緻密膜において、緻密性の有無、とりわけ高いレベルの緻密性の有無を評価するものである。この目的のために、本発明の方法は、緻密膜にZnを所定時間透過させる工程と、Zn透過割合を算出し、該Zn透過割合に基づいて緻密膜の緻密性を評価する工程とを含む。緻密膜へのZnの透過は、水酸化物イオン伝導緻密膜の一方の面にZnを含有する第一の水溶液を接触させ、かつ、緻密膜の他方の面にZnを含有しない第二の水溶液又は水を接触させることにより行われる。また、Zn透過割合は、Zn透過開始前の第一の水溶液のZn濃度C1、Zn透過開始前の第一の水溶液の液量V1、Zn透過終了後の第二の水溶液又は水のZn濃度C2、Zn透過終了後の第二の水溶液又は水の液量V2、Znの透過時間t、及びZnが透過する膜面積Sを用いて、(C2×V2)/(C1×V1×t×S)の式により算出する。このようにZn含有水溶液とZn非含有液を用いてZn透過性の評価を行うことにより、極めて高いレベルでの緻密性の有無を評価することができ、その結果、亜鉛二次電池で亜鉛デンドライト成長を引き起こすZnを極力透過させない(極微量しか透過させない)といった高度な緻密性を確実かつ高精度に評価することができる。そして、上述した式により定義されるZn透過割合という指標を採用することで、様々な試料サイズや測定条件の相違を問わず、緻密性に関する客観的な評価を簡便に行うことができる。このZn透過割合は亜鉛デンドライト析出のしにくさを判断するための有効な指標となりうる。というのも、水酸化物イオン伝導緻密膜を亜鉛二次電池にセパレータとして用いた場合、緻密膜の一方の側(亜鉛負極側)の負極電解液にZnが含有されていても、他方の側の(本来Zn非含有の)正極電解液にZnが透過しなければ、正極電解液中での亜鉛デンドライトの成長は効果的に抑制されるものと原理的に考えられるためである。こうして、本発明の方法によれば、水酸化物イオン伝導緻密膜が電池用セパレータ等の所定の用途(特に亜鉛デンドライト成長が問題となる亜鉛二次電池用途)に適した十分に高い緻密性を有するのか否かを確実かつ高精度に評価することができる。 The method of the present invention evaluates the presence or absence of denseness, particularly the presence or absence of a high level of denseness, in a dense film that should be essentially densely constructed as described above. For this purpose, the method of the present invention includes a step of allowing Zn to permeate the dense film for a predetermined time, and a step of calculating a Zn permeation ratio and evaluating the denseness of the dense film based on the Zn permeation ratio. . The permeation of Zn into the dense membrane is achieved by bringing the first aqueous solution containing Zn into contact with one surface of the hydroxide ion conductive dense membrane and the second aqueous solution not containing Zn on the other surface of the dense membrane. Or it is performed by making water contact. In addition, the Zn permeation ratio is the Zn concentration C 1 of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, the volume V 1 of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, the second aqueous solution after the completion of Zn permeation, or the Zn of water. (C 2 × V 2 ) / (C 1 ) using the concentration C 2 , the second aqueous solution or water volume V 2 after the completion of Zn permeation, the Zn permeation time t, and the film area S through which Zn permeates. × is calculated by the equation of V 1 × t × S). Thus, by evaluating Zn permeability using a Zn-containing aqueous solution and a Zn-free solution, it is possible to evaluate the presence or absence of denseness at an extremely high level. It is possible to reliably and highly accurately evaluate high-density such that Zn that causes growth is not transmitted as much as possible (only a very small amount is transmitted). Then, by adopting an index called Zn transmission rate defined by the above-described formula, objective evaluation regarding denseness can be easily performed regardless of differences in various sample sizes and measurement conditions. This Zn transmission rate can be an effective index for judging the difficulty of precipitation of zinc dendrite. This is because when a hydroxide ion conductive dense membrane is used as a separator in a zinc secondary battery, even if Zn is contained in the negative electrode electrolyte on one side of the dense membrane (zinc negative electrode side), the other side This is because, in principle, it is considered that the growth of zinc dendrite in the positive electrode electrolyte is effectively suppressed unless Zn permeates the positive electrode electrolyte (which originally does not contain Zn). Thus, according to the method of the present invention, the hydroxide ion conductive dense membrane has a sufficiently high density suitable for a predetermined application such as a battery separator (especially a zinc secondary battery application where zinc dendrite growth is a problem). Whether or not it has can be evaluated reliably and with high accuracy.
本発明の方法においては、水酸化物イオン伝導緻密膜の一方の面にZnを含有する第一の水溶液を接触させて、他方の面に接触させたZnを含有しない第二の水溶液又は水(以下、第二の水溶液と総称する)へとZnを透過させる。これらの水溶液との接触は、後続の工程でZn透過割合を算出できるように、Zn透過開始前の第一の水溶液のZn濃度C1、Zn透過開始前の第一の水溶液の液量V1、Zn透過終了後の第二の水溶液又は水のZn濃度C2、Zn透過終了後の第二の水溶液又は水の液量V2、及びZnが透過する膜面積Sを特定できるような測定装置で行われるのが好ましい。そのようなZn透過測定装置の一例が図1Aに示される。図1Aに示される測定装置10は、緻密膜を測定装置内に保持する試料ホルダ12と、試料ホルダ12の一方の側に設けられる第一槽14と、試料ホルダ12の他方の側に設けられる第二槽16とを備えてなる。第一槽14にはZnを含有する第一の水溶液18が緻密膜の一方の面に接触可能に収容される一方、第二槽16にはZnを含有しない第二の水溶液20が緻密膜の他方の面に接触可能に収容される。すなわち、第一槽14に収容される第一の水溶液18と第二槽16に収容される第二の水溶液20は試料ホルダ12内に保持される緻密膜によって完全に仕切られている。したがって、第一の水溶液18中に含まれるZnがどの程度の割合で緻密膜を経て第二の水溶液20に透過するのかを確実かつ高精度に評価することができる。 In the method of the present invention, a first aqueous solution containing Zn is brought into contact with one surface of the hydroxide ion conductive dense membrane, and a second aqueous solution or water (without Zn) brought into contact with the other surface ( Hereinafter, Zn is permeated into the second aqueous solution. In contact with these aqueous solutions, the Zn concentration C 1 of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, the liquid volume V 1 of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, so that the Zn permeation ratio can be calculated in the subsequent steps. , A Zn concentration C 2 of the second aqueous solution or water after completion of Zn permeation, a volume V 2 of the second aqueous solution or water after termination of Zn permeation, and a membrane area S through which Zn permeates can be specified Is preferably carried out. An example of such a Zn transmission measuring device is shown in FIG. 1A. A measuring apparatus 10 shown in FIG. 1A is provided on a sample holder 12 for holding a dense film in the measuring apparatus, a first tank 14 provided on one side of the sample holder 12, and on the other side of the sample holder 12. And a second tank 16. A first aqueous solution 18 containing Zn is accommodated in the first tank 14 so as to come into contact with one surface of the dense film, while a second aqueous solution 20 not containing Zn is formed in the dense film in the second tank 16. The other surface is accommodated in a contactable manner. That is, the first aqueous solution 18 accommodated in the first tank 14 and the second aqueous solution 20 accommodated in the second tank 16 are completely partitioned by the dense film held in the sample holder 12. Therefore, it is possible to reliably and highly accurately evaluate at what ratio Zn contained in the first aqueous solution 18 permeates the second aqueous solution 20 through the dense film.
このように、緻密膜は、Znの透過に先立ち、測定装置10内、特に試料ホルダ12内に保持される。試料ホルダ12の一例が図1Bに示される。図1Bに示される試料ホルダ12にあっては、緻密膜22(好ましくは多孔質基材24上に形成された複合材料の形態で供される)の外周に沿って接着剤26を介して、中央に開口部を有する治具28に取り付けられた構成となっている。この治具28の両側に図1Aに示されるようにパッキン等の密封部材30a,30bを配設し、さらに密封部材30a,30bの外側から、フランジ32a,32bにより挟持された構成となっている。フランジ32aは第一槽14と一体化されているのが好ましい。同様に、フランジ32bは第二槽16と一体化されているのが好ましい。なお、緻密膜22が多孔質基材24上に形成された複合材料の形態で供される場合には、緻密膜22側をZnを含有する第一の水溶液18と接触可能に配置するのが、Zn透過性をより確実に評価できる点で好ましい。1対のフランジ32a,32bは、液漏れが生じないように、ネジ等の締結手段34により互いに堅く締め付けるのが好ましい。このような構成によれば簡単に組み立て及び分解が行えるため、多数の緻密膜に対して効率良くZn透過性の評価を行うことができる。 As described above, the dense film is held in the measuring apparatus 10, particularly in the sample holder 12, prior to the permeation of Zn. An example of the sample holder 12 is shown in FIG. 1B. In the sample holder 12 shown in FIG. 1B, an adhesive 26 is disposed along the outer periphery of the dense film 22 (preferably provided in the form of a composite material formed on the porous substrate 24). It is configured to be attached to a jig 28 having an opening at the center. As shown in FIG. 1A, sealing members 30a and 30b such as packing are disposed on both sides of the jig 28, and are further sandwiched by flanges 32a and 32b from the outside of the sealing members 30a and 30b. . The flange 32 a is preferably integrated with the first tank 14. Similarly, the flange 32 b is preferably integrated with the second tank 16. When the dense film 22 is provided in the form of a composite material formed on the porous substrate 24, the dense film 22 side is disposed so as to be in contact with the first aqueous solution 18 containing Zn. , Which is preferable in that Zn permeability can be more reliably evaluated. The pair of flanges 32a and 32b are preferably fastened to each other by fastening means 34 such as screws so that no liquid leakage occurs. According to such a configuration, since assembly and disassembly can be easily performed, Zn permeability can be efficiently evaluated for a large number of dense films.
第一の水溶液18は、アルカリ金属水酸化物水溶液であるのが好ましく、このアルカリ金属水酸化物水溶液にZnOが溶解されてなるのが好ましい。また、第二の水溶液20は、ZnOが溶解されていないアルカリ金属水酸化物水溶液であるのが好ましく、より好ましくはZnOが溶解されていないことを除いて、第一の水溶液18と同種かつ同濃度のアルカリ金属水酸化物水溶液である。好ましいアルカリ金属水酸化物は水酸化カリウムである。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ金属水酸化物水溶液は亜鉛二次電池等のアルカリ電池において使用される典型的な電解液であるため、かかる電解液と近い又は同等の組成の水溶液を用いることで、電池用セパレータ(特に亜鉛二次電池用セパレータ)としての使用態様に近い又は同等の条件にてZn透過性を高精度に評価することができる。また、アルカリ金属水酸化物水溶液である第一の水溶液及び第二の水溶液の両方にAlを含む化合物が溶解されてなるのが好ましく、第一及び第二の水溶液の両方に互いに同濃度で溶解されてなるのがより好ましい。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ金属水酸化物水溶液にLDH緻密膜を接触させた場合、LDHの典型的な構成元素であるAlが水溶液中に溶出して緻密膜の劣化を招くことがあるが、Alを含む化合物を第一及び第二の水溶液に添加しておくことでそのようなAlの溶出及びそれによる緻密膜の劣化を防止することができる。このAlは、何らかの形態で電解液に溶解されていればよく、典型的には、金属イオン、水酸化物及び/又はヒドロキシ錯体の形態で電解液に溶解されうる。例えば、Alが溶解される形態としては、Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2 +、Al(OH)3 0、Al(OH)4 −、Al(OH)5 2−等が挙げられる。Alを含む金属化合物の好ましい例としては、水酸化アルミニウム、γアルミナ、αアルミナ、ベーマイト、ダイアスポア、ハイドロタルサイト、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは水酸化アルミニウム及び/又はγアルミナであり、最も好ましくは水酸化アルミニウムである。Alを含む化合物は第一の水溶液及び第二の水溶液におけるAl濃度が0.001mol/L以上となるように添加するのが好ましく、より好ましくは0.01mol/L以上、さらに好ましくは0.1mol/L以上、特に好ましくは1.0mol/L以上、最も好ましくは2.0mol/L以上、3.0mol/L超、又は3.3mol/L以上である。電解液におけるAlの濃度の上限値は特に限定されず、Al化合物の飽和溶解度に達していてもよいが、例えば20mol/L以下又は10mol/L以下である。 The first aqueous solution 18 is preferably an alkali metal hydroxide aqueous solution, and ZnO is preferably dissolved in the alkali metal hydroxide aqueous solution. The second aqueous solution 20 is preferably an alkali metal hydroxide aqueous solution in which ZnO is not dissolved, and more preferably the same type and the same as the first aqueous solution 18 except that ZnO is not dissolved. Concentration alkali metal hydroxide aqueous solution. A preferred alkali metal hydroxide is potassium hydroxide. Since an alkali metal hydroxide aqueous solution such as an aqueous potassium hydroxide solution is a typical electrolyte used in an alkaline battery such as a zinc secondary battery, by using an aqueous solution having a composition close to or equivalent to such an electrolyte, Zn permeability can be evaluated with high accuracy under conditions close to or equivalent to the mode of use as a battery separator (particularly a zinc secondary battery separator). In addition, it is preferable that a compound containing Al is dissolved in both the first aqueous solution and the second aqueous solution, which are alkali metal hydroxide aqueous solutions, and are dissolved at the same concentration in both the first and second aqueous solutions. More preferably. When an LDH dense film is brought into contact with an alkali metal hydroxide aqueous solution such as an aqueous potassium hydroxide solution, Al, which is a typical constituent element of LDH, may elute into the aqueous solution, leading to deterioration of the dense film. By adding a compound containing Al to the first and second aqueous solutions, such elution of Al and the resulting deterioration of the dense film can be prevented. The Al may be dissolved in the electrolytic solution in some form, and can typically be dissolved in the electrolytic solution in the form of a metal ion, a hydroxide and / or a hydroxy complex. For example, as the form in which Al is dissolved, Al 3+, Al (OH) 2+, Al (OH) 2 +, Al (OH) 3 0, Al (OH) 4 -, Al (OH) 5 2- etc. Can be mentioned. Preferable examples of the metal compound containing Al include aluminum hydroxide, γ alumina, α alumina, boehmite, diaspore, hydrotalcite, and any combination thereof, and more preferably aluminum hydroxide and / or γ alumina. And most preferably aluminum hydroxide. The compound containing Al is preferably added so that the Al concentration in the first aqueous solution and the second aqueous solution is 0.001 mol / L or more, more preferably 0.01 mol / L or more, and still more preferably 0.1 mol. / L or more, particularly preferably 1.0 mol / L or more, most preferably 2.0 mol / L or more, more than 3.0 mol / L, or 3.3 mol / L or more. The upper limit of the concentration of Al in the electrolytic solution is not particularly limited, and may reach the saturation solubility of the Al compound, but is, for example, 20 mol / L or less or 10 mol / L or less.
次いで、Zn透過割合を算出して緻密膜の緻密性を評価する。Zn透過割合は、Zn透過開始前の第一の水溶液のZn濃度C1、Zn透過開始前の第一の水溶液の液量V1、Zn透過終了後の第二の水溶液又は水のZn濃度C2、Zn透過終了後の第二の水溶液又は水の液量V2、Znの透過時間t、及びZnが透過する膜面積Sを用いて、(C2×V2)/(C1×V1×t×S)の式により算出する。C1、C2、V1、V2、t及びSの各パラメータの単位は濃度C1及びC2の単位が揃っており且つ液量V1及びV2の単位が揃っているかぎり特に限定されないが、Znの透過時間tの単位をhとし、膜面積Sの単位をm2とするのが好ましい。Zn透過前の第一の水溶液のZn濃度C1は0.001〜1mol/Lの範囲内であるのが好ましく、より好ましくは0.01〜1mol/L、さらに好ましくは0.05〜0.8mol/L、特に好ましくは0.2〜0.5mol/L、最も好ましくは0.35〜0.45mol/Lである。また、Znの透過時間は1〜720時間とするのが好ましく、より好ましくは1〜168時間、さらに好ましくは6〜72時間、特に好ましくは12〜24時間である。 Next, the Zn permeation ratio is calculated to evaluate the denseness of the dense film. The Zn permeation ratio is the Zn concentration C 1 of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, the volume V 1 of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, the Zn concentration C of the second aqueous solution or water after the end of Zn permeation. 2 , (C 2 × V 2 ) / (C 1 × V), using the amount V 2 of the second aqueous solution or water after completion of Zn permeation, the permeation time t of Zn, and the film area S through which Zn permeates. 1 × t × S). The units of the parameters C 1 , C 2 , V 1 , V 2 , t and S are particularly limited as long as the units of the concentrations C 1 and C 2 are aligned and the units of the liquid amounts V 1 and V 2 are aligned. However, it is preferable that the unit of Zn transmission time t is h and the unit of film area S is m 2 . The Zn concentration C 1 of the first aqueous solution before Zn permeation is preferably in the range of 0.001 to 1 mol / L, more preferably 0.01 to 1 mol / L, and still more preferably 0.05 to 0. 8 mol / L, particularly preferably 0.2 to 0.5 mol / L, most preferably 0.35 to 0.45 mol / L. The Zn permeation time is preferably 1 to 720 hours, more preferably 1 to 168 hours, still more preferably 6 to 72 hours, and particularly preferably 12 to 24 hours.
Zn透過割合が10m−2・h−1以下である緻密膜を二次電池用水酸化物イオン伝導性セパレータの用途に適したものとして認定し、所望により該認定された緻密膜を二次電池用水酸化物イオン伝導性セパレータの用途に供するのが好ましい。Zn透過割合が10m−2・h−1以下である緻密膜は、電解液中においてZnの透過を極めて効果的に抑制できるため、亜鉛二次電池等の二次電池用水酸化物イオン伝導性セパレータの用途に用いた場合に亜鉛デンドライトの成長を抑制することができる。緻密膜のZn透過割合は10m−2・h−1以下であるのが好ましく、より好ましくは5.0m−2・h−1以下より好ましくは4.0m−2・h−1以下より好ましくは3.0m−2・h−1以下、より好ましくは1.0m−2・h−1以下である。このように低いZn透過割合は、電解液中においてZnの透過を極めて効果的に抑制できることを意味する。このため、亜鉛二次電池等の二次電池用水酸化物イオン伝導性セパレータの用途に用いた場合に亜鉛デンドライトの成長を効果的に効果的に抑制できるものと原理的に考えられる。 A dense membrane having a Zn permeation ratio of 10 m −2 · h −1 or less is certified as being suitable for the use of a hydroxide ion conductive separator for a secondary battery, and the certified dense membrane is optionally used for secondary battery water. It is preferable to use for the use of an oxide ion conductive separator. A dense membrane having a Zn permeation ratio of 10 m −2 · h −1 or less can very effectively suppress the permeation of Zn in the electrolytic solution, so that it is a hydroxide ion conductive separator for secondary batteries such as zinc secondary batteries. The growth of zinc dendrite can be suppressed when used in the above applications. The Zn permeation ratio of the dense film is preferably 10 m −2 · h −1 or less, more preferably 5.0 m −2 · h −1 or less, more preferably 4.0 m −2 · h −1 or less, more preferably It is 3.0 m −2 · h −1 or less, more preferably 1.0 m −2 · h −1 or less. Thus, the low Zn permeation ratio means that the permeation of Zn can be extremely effectively suppressed in the electrolytic solution. For this reason, it is considered in principle that the growth of zinc dendrites can be effectively effectively suppressed when used for applications of hydroxide ion conductive separators for secondary batteries such as zinc secondary batteries.
水酸化物イオン伝導緻密膜
上述のとおり、水酸化物イオン伝導緻密膜は、水酸化物イオン伝導性を有するあらゆる緻密膜であってよく、例えば水酸化物イオン伝導性を有する無機材料及び/又は有機材料を含んでなる膜であることができる。水酸化物イオン伝導性を有する無機材料は、一般式:M2+ 1−xM3+ x(OH)2An− x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4であり、mは0以上である)で表される層状複水酸化物を含んでなるのが好ましい。すなわち、好ましい水酸化物イオン伝導緻密膜は層状複水酸化物緻密膜、すなわちLDH緻密膜(以下、LDH膜という)である。水酸化物イオン伝導緻密膜は透水性を有しない膜であることが望まれる。
As hydroxide ion conducting dense membrane described above, the hydroxide ion-conducting dense membrane may be any dense film having a hydroxide ion conductivity, inorganic materials have, for example, hydroxide ion conductivity and / or It can be a film comprising an organic material. An inorganic material having hydroxide ion conductivity has a general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O (wherein M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, a n-n-valent anion, n represents an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, m is represented by a is) 0 or more The layered double hydroxide is preferably included. That is, a preferred hydroxide ion conductive dense film is a layered double hydroxide dense film, that is, an LDH dense film (hereinafter referred to as an LDH film). The hydroxide ion conductive dense membrane is desirably a membrane that does not have water permeability.
LDH膜は、一般式:M2+ 1−xM3+ x(OH)2An− x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4であり、mは0以上である)で表される層状複水酸化物(LDH)を含んでなり、好ましくはそのようなLDHから主としてなる。上記一般式において、M2+は任意の2価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはMg2+、Ca2+及びZn2+が挙げられ、より好ましくはMg2+である。M3+は任意の3価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはAl3+又はCr3+が挙げられ、より好ましくはAl3+である。An−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはOH−及びCO3 2−が挙げられる。したがって、上記一般式は、少なくともM2+にMg2+を、M3+にAl3+を含み、An−にOH−及び/又はCO3 2−を含むのが好ましい。nは1以上の整数であるが、好ましくは1又は2である。xは0.1〜0.4であるが、好ましくは0.2〜0.35である。mは0以上、典型的には0を超える又は1以上の実数ないし整数である。 LDH film of the general formula: M 2+ 1-x M 3+ x (OH) in 2 A n- x / n · mH 2 O ( wherein, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation A n− is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is 0 or more), a layered double hydroxide (LDH) ), Preferably consisting mainly of such LDH. In the above general formula, M 2+ may be any divalent cation, and preferred examples include Mg 2+ , Ca 2+ and Zn 2+ , and more preferably Mg 2+ . M 3+ may be any trivalent cation, but preferred examples include Al 3+ or Cr 3+ , and more preferred is Al 3+ . A n- may be any anion, preferred examples OH - and CO 3 2- and the like. Accordingly, the general formula is an Mg 2+ at least M 2+, include Al 3+ in M 3+, to A n-OH - and / or CO preferably contains 3 2-. n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2. x is 0.1 to 0.4, preferably 0.2 to 0.35. m is a real number or an integer of 0 or more, typically more than 0 or 1 or more.
LDH膜に含まれる層状複水酸化物は複数の板状粒子(すなわちLDH板状粒子)の集合体で構成され、当該複数の板状粒子がそれらの板面が多孔質基材の表面(基材面)と略垂直に又は斜めに交差するような向きに配向してなるのが好ましい。すなわち、LDH結晶は図3に示されるような層状構造を持った板状粒子の形態を有することが知られているが、上記略垂直又は斜めの配向は、LDH膜にとって極めて有利な特性である。というのも、配向されたLDH膜には、LDH板状粒子が配向する方向(即ちLDHの層と平行方向)の水酸化物イオン伝導度が、これと垂直方向の伝導度よりも格段に高いという伝導度異方性があるためである。実際、本発明者らは、LDHの配向バルク体において、配向方向における伝導度(S/cm)が配向方向と垂直な方向の伝導度(S/cm)と比べて1桁高いとの知見を得ている。すなわち、LDH膜における上記略垂直又は斜めの配向は、LDH配向体が持ちうる伝導度異方性を層厚方向(すなわちLDH膜又は多孔質基材の表面に対して垂直方向)に最大限または有意に引き出すものであり、その結果、層厚方向への伝導度を最大限又は有意に高めることができる。その上、LDH膜は層形態を有するため、バルク形態のLDHよりも低抵抗を実現することができる。このような配向性を備えたLDH膜は、層厚方向に水酸化物イオンを伝導させやすくなる。その上、緻密化されているため、層厚方向への高い伝導度及び緻密性が望まれる電池用セパレータ等の機能膜の用途(例えば亜鉛空気電池用の水酸化物イオン伝導性セパレータ)に極めて適する。 The layered double hydroxide contained in the LDH film is composed of an assembly of a plurality of plate-like particles (that is, LDH plate-like particles), and the plate-like particles have a plate surface whose surface (base) It is preferably oriented in a direction that intersects the surface of the material substantially perpendicularly or obliquely. That is, the LDH crystal is known to have the form of a plate-like particle having a layered structure as shown in FIG. 3, but the substantially vertical or oblique orientation is a very advantageous characteristic for the LDH film. . This is because, in an oriented LDH film, the hydroxide ion conductivity in the direction in which the LDH plate-like particles are oriented (that is, the direction parallel to the LDH layer) is much higher than the conductivity in the direction perpendicular thereto. This is because of the conductivity anisotropy. In fact, the present inventors have found that in an LDH oriented bulk body, the conductivity (S / cm) in the orientation direction is an order of magnitude higher than the conductivity (S / cm) in the direction perpendicular to the orientation direction. It has gained. That is, the substantially vertical or oblique alignment in the LDH film maximizes the conductivity anisotropy that the LDH alignment body can have in the layer thickness direction (that is, the direction perpendicular to the surface of the LDH film or the porous substrate). As a result, the conductivity in the layer thickness direction can be maximized or significantly increased. In addition, since the LDH film has a layer form, lower resistance than the bulk form LDH can be realized. An LDH film having such an orientation easily conducts hydroxide ions in the layer thickness direction. In addition, since it is densified, it is extremely suitable for use in functional membranes such as battery separators (eg, hydroxide ion conductive separators for zinc-air batteries) where high conductivity in the layer thickness direction and denseness are desired. Suitable.
特に好ましくは、LDH膜においてLDH板状粒子が略垂直方向に高度に配向してなる。この高度な配向は、LDH膜の表面をX線回折法により測定した場合に、(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出されることで確認可能なものである(但し、(012)面に起因するピークと同位置に回折ピークが観察される多孔質基材を用いた場合には、LDH板状粒子に起因する(012)面のピークを特定できないことから、この限りでない)。この特徴的なピーク特性は、LDH膜を構成するLDH板状粒子がLDH膜に対して略垂直方向(すなわち垂直方向又はそれに類する斜め方向、好ましくは垂直方向)に配向していることを示す。すなわち、(003)面のピークは無配向のLDH粉末をX線回折した場合に観察される最も強いピークとして知られているが、配向LDH膜にあっては、LDH板状粒子がLDH膜に対して略垂直方向に配向していることで(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出される。これは、(003)面が属するc軸方向(00l)面(lは3及び6である)がLDH板状粒子の層状構造と平行な面であるため、このLDH板状粒子がLDH膜に対して略垂直方向に配向しているとLDH層状構造も略垂直方向を向くこととなる結果、LDH膜表面をX線回折法により測定した場合に(00l)面(lは3及び6である)のピークが現れないか又は現れにくくなるからである。特に(003)面のピークは、それが存在する場合、(006)面のピークよりも強く出る傾向があるから、(006)面のピークよりも略垂直方向の配向の有無を評価しやすいといえる。したがって、配向LDH膜は、(003)面のピークが実質的に検出されないか又は(012)面のピークよりも小さく検出されるのが、垂直方向への高度な配向を示唆することから好ましいといえる。この点、特許文献1及び2並びに非特許文献1にも開示されるLDH配向膜は(003)面のピークが強く検出されるものであり、略垂直方向への配向性に劣るものと考えられ、その上、高い緻密性も有してないものと見受けられる。 Particularly preferably, the LDH plate-like particles are highly oriented in a substantially vertical direction in the LDH film. This high degree of orientation is confirmed by the fact that when the surface of the LDH film is measured by the X-ray diffraction method, the peak of the (003) plane is not substantially detected or smaller than the peak of the (012) plane. (However, when a porous substrate in which a diffraction peak is observed at the same position as the peak due to the (012) plane is used, the peak of the (012) plane due to the LDH plate-like particle is used. This is not the case). This characteristic peak characteristic indicates that the LDH plate-like particles constituting the LDH film are oriented in a substantially vertical direction (that is, a vertical direction or an oblique direction similar thereto, preferably a vertical direction) with respect to the LDH film. That is, the peak on the (003) plane is known as the strongest peak observed when X-ray diffraction is performed on non-oriented LDH powder. In an oriented LDH film, LDH plate-like particles are formed on the LDH film. On the other hand, the (003) plane peak is not substantially detected or is smaller than the (012) plane peak because of being oriented in a substantially vertical direction. This is because the c-axis direction (00l) plane (l is 3 and 6) to which the (003) plane belongs is a plane parallel to the layered structure of the LDH plate-like particle. On the other hand, when oriented in a substantially vertical direction, the LDH layered structure also faces in the substantially vertical direction. As a result, when the surface of the LDH film is measured by X-ray diffraction, the (00l) plane (l is 3 and 6). This is because the peak of) does not appear or becomes difficult to appear. In particular, the peak of the (003) plane tends to be stronger than the peak of the (006) plane when it exists, so it is easier to evaluate the presence / absence of orientation in the substantially vertical direction than the peak of the (006) plane. I can say that. Therefore, it is preferable that the oriented LDH film has a (003) plane substantially not detected or smaller than the (012) plane peak because it suggests a high degree of vertical orientation. I can say that. In this regard, the LDH alignment films disclosed in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 are those in which the peak of the (003) plane is detected strongly, and are considered to be inferior in alignment in the substantially vertical direction. Moreover, it seems that it does not have high density.
水酸化物イオン伝導緻密膜(好ましくはLDH膜)は100μm以下の厚さを有するのが好ましく、より好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下、最も好ましくは5μm以下である。このように薄いことで緻密膜の低抵抗化を実現できる。上記のような厚さであると、電池用途等への実用化に適した所望の低抵抗を実現することができる。緻密膜の厚さの下限値は用途に応じて異なるため特に限定されないが、セパレータ等の機能膜として望まれるある程度の堅さを確保するためには厚さ1μm以上であるのが好ましく、より好ましくは2μm以上である。 The hydroxide ion conductive dense membrane (preferably LDH membrane) preferably has a thickness of 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, further preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and most preferably 5 μm or less. . Such a thin film can reduce the resistance of the dense film. When the thickness is as described above, a desired low resistance suitable for practical use in battery applications and the like can be realized. The lower limit of the thickness of the dense film is not particularly limited because it varies depending on the application, but in order to ensure a certain degree of rigidity desired as a functional film such as a separator, the thickness is preferably 1 μm or more, more preferably Is 2 μm or more.
水酸化物イオン伝導緻密膜(好ましくはLDH膜)は、少なくとも一方の側に非平坦表面構造を有していてもよい。この非平坦表面構造は隙間及び/又は起伏に富んだものであり、それによって表面積の極めて高い構造となっている。したがって、セパレータとして使用すべく電解液と接触させた場合に、電解液との界面の面積が増加し、その結果、界面抵抗を低くすることができる。そして、このような表面構造を有しつつ、水酸化物イオン伝導性を有するが透水性を有しない緻密な層構造を備えることで、電解液との界面抵抗が低いLDHセパレータを提供することが可能となる。非平坦表面構造は、緻密膜から遠ざかる方向(典型的には緻密膜に対して略垂直方向)に突出した針状粒子を含むのが好ましい。針状粒子の存在により表面積を有意に高くすることができ、それにより電解液と接触させた場合における界面抵抗をより効果的に有意に低減することができる。針状粒子の断面径は、0.01〜0.5μmが好ましく、より好ましくは0.01〜0.3μmである。針状粒子の高さは0.5〜3.0μmが好ましく、より好ましくは1〜3μmである。なお、本明細書において針状粒子の高さとは緻密膜の表面を基準とし、その表面から突出した部分の高さを意味する。非平坦表面構造は、空隙に富んだ開気孔性粗大粒子を含むのも好ましい。開気孔性粗大粒子の存在により表面積を有意に高くすることができ、それにより電解液と接触させた場合における界面抵抗をより効果的に低減することができる。特に好ましい開気孔性粗大粒子は、複数の針状又は板状粒子が互いに絡み合って複数の空隙を形成するように凝集してなる凝集粒子であり、この形態の凝集粒子はマリモ(毬藻)状粒子と表現することができ、表面積の増大効果に特に優れる。開気孔性粗大粒子は、緻密膜と平行方向に0.5〜30μmの直径を有するのが好ましく、より好ましくは0.5〜20μmである。開気孔性粗大粒子の高さは、0.5〜30μmが好ましく、より好ましくは1〜30μmである。なお、本明細書において開気孔性粗大粒子の高さとは緻密膜の表面を基準とし、その表面から突出した部分の高さを意味する。なお、非平坦表面構造は、針状粒子と開気孔性粗大粒子の両方を含むものであるのも好ましい。 The hydroxide ion conductive dense film (preferably LDH film) may have a non-flat surface structure on at least one side. This non-planar surface structure is rich in gaps and / or undulations, resulting in a very high surface area structure. Therefore, when it is brought into contact with the electrolytic solution to be used as a separator, the area of the interface with the electrolytic solution increases, and as a result, the interface resistance can be lowered. An LDH separator having a low interface resistance with an electrolytic solution can be provided by providing a dense layer structure having hydroxide ion conductivity but not water permeability while having such a surface structure. It becomes possible. The non-flat surface structure preferably includes acicular particles protruding in a direction away from the dense film (typically in a direction substantially perpendicular to the dense film). The surface area can be significantly increased due to the presence of the acicular particles, and thereby the interface resistance when brought into contact with the electrolytic solution can be significantly more effectively reduced. The cross-sectional diameter of the acicular particles is preferably 0.01 to 0.5 μm, more preferably 0.01 to 0.3 μm. The height of the acicular particles is preferably 0.5 to 3.0 μm, more preferably 1 to 3 μm. In the present specification, the height of the acicular particles means the height of a portion protruding from the surface of the dense film as a reference. It is also preferred that the non-flat surface structure comprises open pore coarse particles rich in voids. The presence of the open pore coarse particles can significantly increase the surface area, thereby more effectively reducing the interfacial resistance when in contact with the electrolyte. Particularly preferable open pore coarse particles are aggregated particles formed by aggregating a plurality of needle-like or plate-like particles so as to be entangled with each other to form a plurality of voids, and the aggregated particles in this form are marimo (diatomaceous) particles. It is particularly excellent in the effect of increasing the surface area. The open pore coarse particles preferably have a diameter of 0.5 to 30 μm in the direction parallel to the dense membrane, and more preferably 0.5 to 20 μm. The height of the open pore coarse particles is preferably 0.5 to 30 μm, more preferably 1 to 30 μm. In the present specification, the height of the open pore coarse particles means the height of a portion protruding from the surface of the dense membrane. The non-flat surface structure preferably includes both acicular particles and open pore coarse particles.
複合材料
緻密膜(好ましくはLDH膜)は多孔質基材の少なくとも一方の表面に設けられるのが好ましい。すなわち、本発明の好ましい態様によれば、緻密膜が、多孔質基材の少なくとも一方の表面に設けられた複合材料の形態で用意される。ここで、多孔質基材の表面とは、多孔質基材の概形を板として巨視的に見た場合の板面の最表面を主として指すが、多孔質基材中における微視的に見て板面最表面の近傍に存在する孔の表面をも付随的に包含しうるのはいうまでもない。
The dense composite material film (preferably LDH film) is preferably provided on at least one surface of the porous substrate. That is, according to a preferred embodiment of the present invention, the dense film is prepared in the form of a composite material provided on at least one surface of the porous substrate. Here, the surface of the porous substrate mainly refers to the outermost surface of the plate surface when the rough shape of the porous substrate is viewed macroscopically as a plate, but is microscopically seen in the porous substrate. Needless to say, the surface of the hole existing in the vicinity of the outermost surface of the plate surface can be included.
多孔質基材は、その表面にLDH膜を形成できるものが好ましく、その材質や多孔構造は特に限定されない。多孔質基材の表面にLDH膜を形成するのが典型的ではあるが、無孔質基材上にLDH膜を成膜し、その後公知の種々の手法により無孔質基材を多孔化してもよい。いずれにしても、多孔質基材は透水性を有する多孔構造を有するのが、電池用セパレータとして電池に組み込まれた場合に電解液をLDH膜に到達可能に構成できる点で好ましい。 The porous substrate is preferably capable of forming an LDH film on its surface, and the material and porous structure are not particularly limited. Typically, an LDH film is formed on the surface of a porous substrate, but an LDH film is formed on a nonporous substrate, and then the nonporous substrate is made porous by various known methods. Also good. In any case, it is preferable that the porous base material has a porous structure having water permeability in that the electrolyte solution can reach the LDH film when incorporated into a battery as a battery separator.
多孔質基材は、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成されるのが好ましい。多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。この場合、セラミックス材料の好ましい例としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの任意の組合せであり、特に好ましくはアルミナ、ジルコニア(例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ))、及びその組合せである。これらの多孔質セラミックスを用いると緻密性に優れたLDH膜を形成しやすい。金属材料の好ましい例としては、アルミニウム及び亜鉛が挙げられる。高分子材料の好ましい例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。上述した各種の好ましい材料はいずれも電池の電解液に対する耐性として耐アルカリ性を有するものである。 The porous substrate is preferably composed of at least one selected from the group consisting of ceramic materials, metal materials, and polymer materials. More preferably, the porous substrate is made of a ceramic material. In this case, preferable examples of the ceramic material include alumina, zirconia, titania, magnesia, spinel, calcia, cordierite, zeolite, mullite, ferrite, zinc oxide, silicon carbide, aluminum nitride, silicon nitride, and any combination thereof. More preferred are alumina, zirconia, titania, and any combination thereof, and particularly preferred are alumina, zirconia (eg, yttria stabilized zirconia (YSZ)), and combinations thereof. When these porous ceramics are used, it is easy to form an LDH film having excellent denseness. Preferable examples of the metal material include aluminum and zinc. Preferred examples of the polymer material include polystyrene, polyethersulfone, polypropylene, epoxy resin, polyphenylene sulfide, and any combination thereof. Any of the various preferred materials described above has alkali resistance as resistance to the electrolyte of the battery.
多孔質基材は0.001〜1.5μmの平均気孔径を有するのが好ましく、より好ましくは0.001〜1.25μm、さらに好ましくは0.001〜1.0μm、特に好ましくは0.001〜0.75μm、最も好ましくは0.001〜0.5μmである。これらの範囲内とすることで多孔質基材に所望の透水性を確保しながら、透水性(望ましくは透水性及び通気性)を有しない程に緻密なLDH膜を形成することができる。なお、本明細書において「透水性を有しない」とは、後述するB5で採用される「緻密性判定試験」又はそれに準ずる手法ないし構成で透水性を評価した場合に、測定対象物(すなわちLDH膜及び/又は多孔質基材)の一面側に接触した水が他面側に透過しないことを意味する。本発明において、平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行うことができる。この測定に用いる電子顕微鏡画像の倍率は20000倍以上であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から上位15点及び下位15点、合わせて1視野あたり30点で2視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得ることができる。測長には、電子顕微鏡のソフトウェアの測長機能や画像解析ソフト(例えば、Photoshop、Adobe社製)等を用いることができる。 The porous substrate preferably has an average pore diameter of 0.001 to 1.5 μm, more preferably 0.001 to 1.25 μm, still more preferably 0.001 to 1.0 μm, and particularly preferably 0.001. It is -0.75 micrometer, Most preferably, it is 0.001-0.5 micrometer. By setting it within these ranges, it is possible to form an LDH film that is so dense that it does not have water permeability (preferably water permeability and air permeability) while ensuring the desired water permeability in the porous substrate. In the present specification, “not having water permeability” means that a measurement object (that is, LDH) is measured when water permeability is evaluated by a “denseness determination test” employed in B5 described later or a method or configuration according thereto. It means that water that contacts one side of the membrane and / or porous substrate does not permeate the other side. In the present invention, the average pore diameter can be measured by measuring the longest distance of the pores based on the electron microscope image of the surface of the porous substrate. The magnification of the electron microscope image used for this measurement is 20000 times or more, and all obtained pore diameters are arranged in the order of size, and the upper 15 points and the lower 15 points from the average value. The average pore size can be obtained by calculating the average value of minutes. For the length measurement, a length measurement function of an electron microscope software, image analysis software (for example, Photoshop, manufactured by Adobe) or the like can be used.
多孔質基材の表面は、10〜60%の気孔率を有するのが好ましく、より好ましくは15〜55%、さらに好ましくは20〜50%である。これらの範囲内とすることで多孔質基材に所望の透水性を確保しながら、透水性(望ましくは透水性及び通気性)を有しない程に緻密なLDH膜を形成することができる。ここで、多孔質基材の表面の気孔率を採用しているのは、以下に述べる画像処理を用いた気孔率の測定がしやすいことによるものであり、多孔質基材の表面の気孔率は多孔質基材内部の気孔率を概ね表しているといえるからである。すなわち、多孔質基材の表面が緻密であれば多孔質基材の内部もまた同様に緻密であるといえる。本発明において、多孔質基材の表面の気孔率は画像処理を用いた手法により以下のようにして測定することができる。すなわち、1)多孔質基材の表面の電子顕微鏡画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールの電子顕微鏡画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とする。なお、この画像処理による気孔率の測定は多孔質基材表面の6μm×6μmの領域について行われるのが好ましく、より客観的な指標とするためには、任意に選択された3箇所の領域について得られた気孔率の平均値を採用するのがより好ましい。 The surface of the porous substrate preferably has a porosity of 10 to 60%, more preferably 15 to 55%, and still more preferably 20 to 50%. By setting it within these ranges, it is possible to form an LDH film that is so dense that it does not have water permeability (preferably water permeability and air permeability) while ensuring the desired water permeability in the porous substrate. Here, the porosity of the surface of the porous substrate is adopted because it is easy to measure the porosity using the image processing described below, and the porosity of the surface of the porous substrate. This is because it can be said that it generally represents the porosity inside the porous substrate. That is, if the surface of the porous substrate is dense, the inside of the porous substrate can be said to be dense as well. In the present invention, the porosity of the surface of the porous substrate can be measured as follows by a technique using image processing. That is, 1) an electron microscope image (a magnification of 10,000 times or more) of the surface of the porous substrate is acquired, and 2) a gray scale electron microscope image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe). ) Create a black-and-white binary image by the procedure of [Image] → [Tone Correction] → [2 Gradation], and 4) Porosity (the value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black part by the total number of pixels in the image) %). The porosity measurement by this image processing is preferably performed for a 6 μm × 6 μm region on the surface of the porous substrate. In order to obtain a more objective index, three arbitrarily selected regions are used. It is more preferable to employ the average value of the obtained porosity.
製造方法
LDH膜及びLDH含有複合材料は、(a)多孔質基材を用意し、(b)所望により、この多孔質基材に、LDHの結晶成長の起点を与えうる起点物質を均一に付着させ、(c)多孔質基材に水熱処理を施してLDH膜を形成させることにより、好ましく製造することができる。
Manufacturing method LDH film and LDH-containing composite material: (a) A porous substrate is prepared, and (b) A starting material capable of giving a starting point for crystal growth of LDH is uniformly attached to this porous substrate, if desired. (C) The porous substrate can be preferably manufactured by subjecting the porous substrate to hydrothermal treatment to form an LDH film.
(a)多孔質基材の用意
多孔質基材は、前述したとおりであり、セラミックス材料、金属材料、及び高分子材料からなる群から選択される少なくとも1種で構成されるのが好ましい。多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。この場合、セラミックス材料の好ましい例としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、スピネル、カルシア、コージライト、ゼオライト、ムライト、フェライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、及びそれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくは、アルミナ、ジルコニア、チタニア、及びそれらの任意の組合せであり、特に好ましくはアルミナ、ジルコニア(例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ))、及びその組合せである。これらの多孔質セラミックスを用いるとLDH膜の緻密性を向上しやすい傾向がある。セラミックス材料製の多孔質基材を用いる場合、超音波洗浄、イオン交換水での洗浄等を多孔質基材に施すのが好ましい。
(A) Preparation of porous substrate The porous substrate is as described above, and is preferably composed of at least one selected from the group consisting of ceramic materials, metal materials, and polymer materials. More preferably, the porous substrate is made of a ceramic material. In this case, preferable examples of the ceramic material include alumina, zirconia, titania, magnesia, spinel, calcia, cordierite, zeolite, mullite, ferrite, zinc oxide, silicon carbide, aluminum nitride, silicon nitride, and any combination thereof. More preferred are alumina, zirconia, titania, and any combination thereof, and particularly preferred are alumina, zirconia (eg, yttria stabilized zirconia (YSZ)), and combinations thereof. When these porous ceramics are used, the density of the LDH film tends to be improved. When using a porous substrate made of a ceramic material, it is preferable to subject the porous substrate to ultrasonic cleaning, cleaning with ion exchange water, and the like.
上述のとおり、多孔質基材は、セラミックス材料で構成されるのがより好ましい。セラミックス材料製の多孔質基材は、市販品であってもよいし、公知の手法に従って作製したものであってもよく、特に限定されない。例えば、セラミックス粉末(例えばジルコニア粉末、ベーマイト粉末、チタニア粉末等)、メチルセルロース、及びイオン交換水を所望の配合比で混練し、得られた混練物を押出成形に付し、得られた成形体を70〜200℃で10〜40時間乾燥した後、900〜1300℃で1〜5時間焼成することによりセラミックス材料製の多孔質基材を作製することができる。メチルセルロースの配合割合はセラミックス粉末100重量部に対して、1〜20重量部とするのが好ましい。また、イオン交換水の配合割合はセラミックス粉末100重量部に対して、10〜100重量部とするのが好ましい。 As described above, the porous substrate is more preferably composed of a ceramic material. The porous substrate made of a ceramic material may be a commercially available product or may be prepared according to a known technique, and is not particularly limited. For example, ceramic powder (for example, zirconia powder, boehmite powder, titania powder, etc.), methylcellulose, and ion-exchanged water are kneaded at a desired blending ratio, the obtained kneaded product is subjected to extrusion molding, and the resulting molded body is obtained. After drying at 70 to 200 ° C. for 10 to 40 hours, a porous substrate made of a ceramic material can be produced by firing at 900 to 1300 ° C. for 1 to 5 hours. The blending ratio of methylcellulose is preferably 1 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the ceramic powder. Further, the blending ratio of the ion exchange water is preferably 10 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the ceramic powder.
(b)起点物質の付着
所望により、多孔質基材に、LDHの結晶成長の起点を与えうる起点物質を均一に付着させてもよい。このように起点物質を多孔質基材の表面に均一に付着させた後に、後続の工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。このような起点の好ましい例としては、LDHの層間に入りうる陰イオンを与える化学種、LDHの構成要素となりうる陽イオンを与える化学種、又はLDHが挙げられる。
(B) Attachment of starting material If desired, a starting material that can provide a starting point for crystal growth of LDH may be uniformly attached to the porous substrate. After the starting material is uniformly attached to the surface of the porous substrate in this way, the subsequent step (c) is performed, so that a highly densified LDH film can be uniformly formed on the surface of the porous substrate. It can be formed uniformly. Preferable examples of such an origin include a chemical species that provides an anion that can enter between the layers of LDH, a chemical species that provides a cation that can be a constituent element of LDH, or LDH.
(i)陰イオンを与える化学種
LDHの結晶成長の起点は、LDHの層間に入りうる陰イオンを与える化学種であることができる。このような陰イオンの例としては、CO3 2−、OH−、SO3 −、SO3 2−、SO4 2−、NO3 −、Cl−、Br−、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。したがって、このような起点を与えうる起点物質を、起点物質の種類に応じた適切な手法で均一に多孔質基材の表面に付着させればよい。表面に陰イオンを与える化学種が付与されることで、Mg2+、Al3+等の金属陽イオンが多孔質基材の表面に吸着してLDHの核が生成しうる。このため、後続の工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。
(I) Chemical species that provide anions The starting point of crystal growth of LDH can be a chemical species that provides anions that can enter between layers of LDH. Examples of such anions include CO 3 2− , OH − , SO 3 − , SO 3 2− , SO 4 2− , NO 3 − , Cl − , Br − , and any combination thereof. It is done. Therefore, the starting material that can provide such a starting point may be uniformly attached to the surface of the porous substrate by an appropriate method according to the type of the starting material. By applying a chemical species that gives an anion to the surface, metal cations such as Mg 2+ and Al 3+ can be adsorbed on the surface of the porous substrate to generate LDH nuclei. Therefore, by performing the subsequent step (c), a highly densified LDH film can be uniformly formed on the surface of the porous substrate without unevenness.
本発明の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、多孔質基材の表面にポリマーを付着させた後、このポリマーに陰イオンを与える化学種を導入することにより行うことができる。この態様においては、陰イオンはSO3 −、SO3 2−及び/又はSO4 2−であるのが好ましく、このような陰イオンを与える化学種のポリマーへの導入がスルホン化処理により行われるのが好ましい。使用可能なポリマーはアニオン化(特にスルホン化)可能なポリマーであり、そのようなポリマーの例として、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。特に、芳香族系ポリマーがアニオン化(特にスルホン化)しやすい点で好ましく、そのような芳香族系ポリマーの例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。最も好ましいポリマーはポリスチレンである。多孔質基材へのポリマーの付着は、ポリマーを溶解させた溶液(以下、ポリマー溶液という)を多孔質基材の表面(好ましくは多孔質基材の板状概形の最表面を構成する粒子)に塗布することにより行われるのが好ましい。ポリマー溶液は、例えば、ポリマー固形物(例えばポリスチレン基板)を有機溶媒(例えばキシレン溶液)に溶解することにより容易に作製することができる。ポリマー溶液は多孔質基材の内部にまで浸透させないようにするのが、均一な塗布を実現しやすい点で好ましい。この点、ポリマー溶液の付着ないし塗布はスピンコートにより行うのが極めて均一に塗布できる点で好ましい。スピンコートの条件は特に限定されないが、例えば1000〜10000rpmの回転数で、滴下と乾燥を含めて60〜300秒間程度行えばよい。一方、スルホン化処理は、ポリマーを付着させた多孔質基材を、硫酸
(例えば濃硫酸)、発煙硫酸、クロロスルホン酸、無水硫酸等のスルホン化可能な酸に浸漬すればよく、他のスルホン化技術を用いてもよい。スルホン化可能な酸への浸漬は室温又は高温(例えば50〜150℃)で行えばよく、浸漬時間は特に限定されないが、例えば1〜14日間である。
According to a preferred embodiment of the present invention, the starting material can be attached by attaching a polymer to the surface of the porous substrate and then introducing a chemical species that gives an anion to the polymer. In this embodiment, the anion is preferably SO 3 − , SO 3 2− and / or SO 4 2− , and introduction of a chemical species giving such an anion into the polymer is performed by sulfonation treatment. Is preferred. Polymers that can be used are anionizable (especially sulfonated) polymers, examples of such polymers include polystyrene, polyethersulfone, polypropylene, epoxy resins, polyphenylene sulfide, and any combination thereof. . In particular, the aromatic polymer is preferable in that it is easily anionized (particularly sulfonated). Examples of such aromatic polymer include polystyrene, polyethersulfone, epoxy resin, polyphenylene sulfide, and any of them. Combinations are mentioned. The most preferred polymer is polystyrene. The adhesion of the polymer to the porous substrate is performed by using a solution in which the polymer is dissolved (hereinafter referred to as a polymer solution) as the surface of the porous substrate (preferably, the outermost surface of the plate-like outline of the porous substrate). ) Is preferably applied by coating. The polymer solution can be easily prepared, for example, by dissolving a polymer solid (for example, a polystyrene substrate) in an organic solvent (for example, a xylene solution). It is preferable to prevent the polymer solution from penetrating into the porous substrate because it is easy to achieve uniform coating. In this respect, the polymer solution is preferably attached or applied by spin coating because it can be applied uniformly. The spin coating conditions are not particularly limited. For example, the spin coating may be performed at a rotational speed of 1000 to 10000 rpm for about 60 to 300 seconds including dripping and drying. On the other hand, the sulfonation treatment may be performed by immersing the porous substrate to which the polymer is attached in a sulfonateable acid such as sulfuric acid (for example, concentrated sulfuric acid), fuming sulfuric acid, chlorosulfonic acid, and sulfuric anhydride. Alternatively, the technology may be used. The immersion in the sulfonateable acid may be performed at room temperature or high temperature (for example, 50 to 150 ° C.), and the immersion time is not particularly limited, but is, for example, 1 to 14 days.
本発明の別の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、陰イオンを与える化学種を親水基として含む界面活性剤で多孔質基材の表面を処理することにより行うことができる。この場合、陰イオンがSO3 −、SO3 2−及び/又はSO4 2−であるのが好ましい。そのような界面活性剤の典型的な例として、陰イオン界面活性剤が挙げられる。陰イオン界面活性剤の好ましい例としては、スルホン酸型陰イオン界面活性剤、硫酸エステル型陰イオン界面活性剤、及びそれらの任意の組合せが挙げられる。スルホン酸型陰イオン界面活性剤の例としては、ナフタレンスルホン酸Naホルマリン縮合物、ポリオキシエチレンスルホコハク酸アルキル2Na、ポリスチレンスルホン酸Na、ジオクチルスルホコハク酸Na、ポリオキシエチレンラウリルエーテル硫酸トリエタノールアミンが挙げられる。硫酸エステル型陰イオン界面活性剤の例としては、ポリオキシエチレンラウリルエーテル硫酸エステルNaが挙げられる。多孔質基材の界面活性剤での処理は、多孔質基材の表面に界面活性剤を付着させることができる手法であれば特に限定されず、界面活性剤を含む溶液を多孔質基材に塗布する、又は界面活性剤を含む溶液に多孔質基材を浸漬することにより行えばよい。界面活性剤を含む溶液への多孔質基材の浸漬は、溶液を撹拌しながら室温又は高温(例えば40〜80℃)で行えばよく、浸漬時間は特に限定されないが、例えば1〜7日間である。 According to another preferred embodiment of the present invention, the starting material can be attached by treating the surface of the porous substrate with a surfactant containing a chemical species that gives an anion as a hydrophilic group. In this case, the anion is preferably SO 3 − , SO 3 2− and / or SO 4 2− . A typical example of such a surfactant is an anionic surfactant. Preferred examples of the anionic surfactant include a sulfonic acid type anionic surfactant, a sulfate type anionic surfactant, and any combination thereof. Examples of the sulfonic acid type anionic surfactant include naphthalene sulfonic acid Na formalin condensate, polyoxyethylene sulfosuccinic acid alkyl 2Na, polystyrene sulfonic acid Na, dioctyl sulfosuccinic acid Na, polyoxyethylene lauryl ether sulfate triethanolamine. It is done. Examples of the sulfate ester type anionic surfactant include polyoxyethylene lauryl ether sulfate Na. The treatment of the porous substrate with the surfactant is not particularly limited as long as it is a technique capable of attaching the surfactant to the surface of the porous substrate, and a solution containing the surfactant is applied to the porous substrate. What is necessary is just to apply | coat or immerse a porous base material in the solution containing surfactant. The porous substrate may be immersed in the solution containing the surfactant while stirring the solution at room temperature or high temperature (for example, 40 to 80 ° C.), and the immersion time is not particularly limited, but for example, 1 to 7 days. is there.
(ii)陽イオンを与える化学種
LDHの結晶成長の起点は、層状複水酸化物の構成要素となりうる陽イオンを与える化学種であることができる。このような陽イオンの好ましい例としては、Al3+が挙げられる。この場合、起点物質が、アルミニウムの酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物及びヒドロキシ錯体からなる群から選択される少なくとも1種のアルミニウム化合物であるのが好ましい。したがって、このような起点を与えうる起点物質を起点物質の種類に応じた適切な手法で均一に多孔質部材の表面に付着させればよい。表面に陽イオンを与える化学種が付与されることで、LDHの層間に入りうる陰イオンが多孔質基材の表面に吸着してLDHの核が生成しうる。このため、後続の工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。
(Ii) Chemical species that provide cations The starting point of LDH crystal growth can be a chemical species that provides cations that can be a component of the layered double hydroxide. A preferred example of such a cation is Al 3+ . In this case, the starting material is preferably at least one aluminum compound selected from the group consisting of aluminum oxides, hydroxides, oxyhydroxides, and hydroxy complexes. Therefore, the starting material that can provide such a starting point may be uniformly attached to the surface of the porous member by an appropriate method according to the type of the starting material. By imparting a chemical species that gives a cation to the surface, an anion that can enter between the layers of LDH can be adsorbed on the surface of the porous substrate to generate LDH nuclei. Therefore, by performing the subsequent step (c), a highly densified LDH film can be uniformly formed on the surface of the porous substrate without unevenness.
本発明の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、多孔質部材にアルミニウム化合物を含むゾルを塗布することにより行うことができる。この場合、好ましいアルミニウム化合物の例として、ベーマイト(AlOOH)、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、及び非晶質アルミナが挙げられるが、ベーマイトが最も好ましい。アルミニウム化合物を含むゾルの塗布はスピンコートにより行うのが極めて均一に塗布できる点で好ましい。スピンコートの条件は特に限定されないが、例えば1000〜10000rpmの回転数で、滴下と乾燥を含めて60〜300秒間程度行えばよい。 According to a preferred aspect of the present invention, the starting material can be attached by applying a sol containing an aluminum compound to the porous member. In this case, examples of preferred aluminum compounds include boehmite (AlOOH), aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), and amorphous alumina, with boehmite being most preferred. The application of the sol containing the aluminum compound is preferably performed by spin coating because it can be applied uniformly. The spin coating conditions are not particularly limited. For example, the spin coating may be performed at a rotational speed of 1000 to 10000 rpm for about 60 to 300 seconds including dripping and drying.
本発明の別の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、少なくともアルミニウムを含む水溶液中で、多孔質基材に水熱処理を施して多孔質基材の表面にアルミニウム化合物を形成させることにより行うことができる。多孔質基材の表面に形成させるアルミニウム化合物は好ましくはAl(OH)3である。特に、多孔質基材(特にセラミックス製多孔質基材)上のLDH膜は成長初期段階で結晶質及び/又は非晶質Al(OH)3が生成する傾向があり、これを核としてLDHが成長しうる。そこで、このAl(OH)3を予め水熱処理により多孔質基材の表面に均一に付着させた後に、同じく水熱処理を伴う工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。本態様においては、工程(b)及び後続の工程(c)を同一の密閉容器内で連続的に行ってもよいし、工程(b)及び後続の工程(c)をこの順で別々に行ってもよい。 According to another preferred embodiment of the present invention, the starting material is adhered by subjecting the porous substrate to hydrothermal treatment in an aqueous solution containing at least aluminum to form an aluminum compound on the surface of the porous substrate. be able to. The aluminum compound formed on the surface of the porous substrate is preferably Al (OH) 3 . In particular, LDH films on porous substrates (especially ceramic porous substrates) tend to produce crystalline and / or amorphous Al (OH) 3 in the initial stage of growth. Can grow. Therefore, after the Al (OH) 3 is uniformly attached to the surface of the porous substrate by hydrothermal treatment in advance, the step (c) that also involves hydrothermal treatment is performed, The LDH film can be uniformly formed without unevenness. In this embodiment, the step (b) and the subsequent step (c) may be performed continuously in the same sealed container, or the step (b) and the subsequent step (c) are performed separately in this order. May be.
工程(b)及び工程(c)を同一の密閉容器内で連続的に行う場合には、後述する工程
(c)で用いる原料水溶液(すなわちLDHの構成元素を含む水溶液)をそのまま工程(b)に用いることができる。この場合であっても、工程(b)における水熱処理を密閉容器(好ましくはオートクレーブ)中、酸性ないし中性のpH域(好ましくはpH5.5〜7.0)にて50〜70℃という比較的低温域で行うことにより、LDHではなく、Al
(OH)3の核形成を促すことができる。また、Al(OH)3の核形成後、核形成温度での保持又は昇温により、尿素の加水分解が進むことで原料水溶液のpHが上昇していくため、LDHの成長に適したpH域(好ましくはpH7.0超)で工程(c)にスムーズに移行することができる。
When the step (b) and the step (c) are continuously performed in the same sealed container, the raw material aqueous solution (that is, the aqueous solution containing the constituent elements of LDH) used in the step (c) described later is used as it is in the step (b). Can be used. Even in this case, the hydrothermal treatment in the step (b) is compared with 50 to 70 ° C. in an acidic or neutral pH range (preferably pH 5.5 to 7.0) in an airtight container (preferably an autoclave). By performing in a low temperature region, not LDH but Al
(OH) 3 nucleation can be promoted. In addition, after the nucleation of Al (OH) 3 , the pH of the raw material aqueous solution rises due to the hydrolysis of urea by holding or raising the temperature at the nucleation temperature, and therefore a pH range suitable for LDH growth. It is possible to smoothly shift to step (c) at (preferably more than pH 7.0).
一方、工程(b)及び工程(c)をこの順で別々に行う場合には、工程(b)と工程(c)とで異なる原料水溶液を用いるのが好ましい。例えば、工程(b)では、Al源を主として含む(好ましくは他の金属元素を含まない)原料水溶液を用いてAl(OH)3の核形成を行うのが好ましい。この場合、工程(b)における水熱処理を工程(c)とは別の密閉容器(好ましくはオートクレーブ)中、50〜120℃で行えばよい。Al源を主として含む原料水溶液の好ましい例としては、硝酸アルミニウムと尿素を含み、マグネシウム化合物(例えば硝酸マグネシウム)を含まない水溶液が挙げられる。Mgを含まない原料水溶液を用いることでLDHの析出を回避してAl(OH)3の核形成を促すことができる。 On the other hand, when the step (b) and the step (c) are separately performed in this order, it is preferable to use different raw material aqueous solutions in the step (b) and the step (c). For example, in step (b), it is preferable to nucleate Al (OH) 3 using a raw material aqueous solution mainly containing an Al source (preferably not containing other metal elements). In this case, the hydrothermal treatment in the step (b) may be performed at 50 to 120 ° C. in a closed container (preferably an autoclave) different from the step (c). Preferable examples of the raw material aqueous solution mainly containing an Al source include an aqueous solution containing aluminum nitrate and urea and not containing a magnesium compound (for example, magnesium nitrate). By using a raw material aqueous solution not containing Mg, precipitation of LDH can be avoided and nucleation of Al (OH) 3 can be promoted.
本発明の更に別の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、多孔質基材の表面にアルミニウムを蒸着した後に、水溶液中で、該アルミニウムを水熱処理によりアルミニウム化合物に変換することにより行うことができる。このアルミニウム化合物は好ましくはAl
(OH)3である。特に、Al(OH)3に変換することで、これを核としてLDHの成長を促進させることができる。そこで、このAl(OH)3を水熱処理により多孔質基材の表面に均一に形成させた後に、同じく水熱処理を伴う工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。アルミニウムの蒸着は物理蒸着及び化学蒸着のいずれであってもよいが、真空蒸着等の物理蒸着が好ましい。また、アルミニウムの変換のための水熱処理に用いる水溶液は、既に蒸着により与えられているAlと反応してAl(OH)3を生成可能な組成であればよく、特に限定されない。
According to still another preferred embodiment of the present invention, the starting material is adhered by depositing aluminum on the surface of the porous substrate and then converting the aluminum into an aluminum compound by hydrothermal treatment in an aqueous solution. Can do. This aluminum compound is preferably Al
(OH) 3 . In particular, by converting to Al (OH) 3 , the growth of LDH can be promoted using this as a nucleus. Therefore, after the Al (OH) 3 is uniformly formed on the surface of the porous base material by hydrothermal treatment, the same process (c) accompanied by hydrothermal treatment is carried out. A densified LDH film can be uniformly formed without unevenness. Aluminum may be deposited by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, but physical vapor deposition such as vacuum vapor deposition is preferred. Moreover, the aqueous solution used for the hydrothermal treatment for aluminum conversion should just be a composition which can react with Al already provided by vapor deposition and can produce | generate Al (OH) 3, and is not specifically limited.
(iii)起点としてのLDH
結晶成長の起点は、LDHであることができる。この場合、LDHの核を起点としてLDHの成長を促すことができる。そこで、このLDHの核を多孔質基材の表面に均一に付着させた後に、後続の工程(c)を行うことで、多孔質基材の表面に、高度に緻密化されたLDH膜をムラなく均一に形成することができる。
(Iii) LDH as a starting point
The starting point for crystal growth can be LDH. In this case, the growth of LDH can be promoted starting from the nucleus of LDH. Therefore, after the LDH nuclei are uniformly attached to the surface of the porous base material, the subsequent step (c) is performed to unevenly disperse the highly densified LDH film on the surface of the porous base material. And can be formed uniformly.
本発明の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、LDHを含むゾルを多孔質部材の表面に塗布することにより行うことができる。LDHを含むゾルは、LDHを水等の溶媒に分散させて作製したものであってよく、特に限定されない。この場合、塗布はスピンコートにより行われるのが好ましい。スピンコートにより行うのが極めて均一に塗布できる点で好ましい。スピンコートの条件は特に限定されないが、例えば1000〜10000rpmの回転数で、滴下と乾燥を含めて60〜300秒間程度行えばよい。 According to a preferred aspect of the present invention, the starting material can be attached by applying a sol containing LDH to the surface of the porous member. The sol containing LDH may be prepared by dispersing LDH in a solvent such as water, and is not particularly limited. In this case, the application is preferably performed by spin coating. Spin coating is preferred because it can be applied very uniformly. The spin coating conditions are not particularly limited. For example, the spin coating may be performed at a rotational speed of 1000 to 10000 rpm for about 60 to 300 seconds including dripping and drying.
本発明の別の好ましい態様によれば、起点物質の付着を、多孔質基材の表面にアルミニウムを蒸着した後に、アルミニウム以外のLDHの構成元素を含む水溶液中で、(蒸着された)アルミニウムを水熱処理によりLDHに変換することにより行うことができる。アルミニウムの蒸着は物理蒸着及び化学蒸着のいずれであってもよいが、真空蒸着等の物理蒸着が好ましい。また、アルミニウムの変換のための水熱処理に用いる原料水溶液は、既に蒸着により与えられているAl以外の成分を含む水溶液を用いて行えばよい。そのような原料水溶液の好ましい例として、Mg源を主として含む原料水溶液が挙げられ、より好ましくは、硝酸マグネシウムと尿素を含み、アルミニウム化合物(硝酸アルミニウム)を含まない水溶液が挙げられる。Mg源を含むことで、既に蒸着により与えられているAlとともにLDHの核を形成することができる。 According to another preferred embodiment of the present invention, the deposition of the starting material is performed by depositing aluminum (deposited) in an aqueous solution containing a constituent element of LDH other than aluminum after depositing aluminum on the surface of the porous substrate. It can be performed by converting to LDH by hydrothermal treatment. Aluminum may be deposited by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, but physical vapor deposition such as vacuum vapor deposition is preferred. Moreover, the raw material aqueous solution used for the hydrothermal treatment for the conversion of aluminum may be performed using an aqueous solution containing a component other than Al already provided by vapor deposition. A preferable example of such a raw material aqueous solution is a raw material aqueous solution mainly containing a Mg source, and more preferably, an aqueous solution containing magnesium nitrate and urea and not containing an aluminum compound (aluminum nitrate). By including the Mg source, the nuclei of LDH can be formed together with Al already provided by vapor deposition.
(c)水熱処理
LDHの構成元素を含む原料水溶液中で、多孔質基材(所望により起点物質が付着されうる)に水熱処理を施して、LDH膜を多孔質基材の表面に形成させる。好ましい原料水溶液は、マグネシウムイオン(Mg2+)及びアルミニウムイオン(Al3+)を所定の合計濃度で含み、かつ、尿素を含んでなる。尿素が存在することで尿素の加水分解を利用してアンモニアが溶液中に発生することによりpH値が上昇し(例えばpH7.0超、好ましくは7.0を超え8.5以下)、共存する金属イオンが水酸化物を形成することによりLDHを得ることができる。また、加水分解に二酸化炭素の発生を伴うため、陰イオンが炭酸イオン型のLDHを得ることができる。原料水溶液に含まれるマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンの合計濃度(Mg2++Al3+)は0.20〜0.40mol/Lが好ましく、より好ましくは0.22〜0.38mol/Lであり、さらに好ましくは0.24〜0.36mol/L、特に好ましくは0.26〜0.34mol/Lである。このような範囲内の濃度であると核生成と結晶成長をバランスよく進行させることができ、配向性のみならず緻密性にも優れたLDH膜を得ることが可能となる。すなわち、マグネシウムイオン及びアルミニウムイオンの合計濃度が低いと核生成に比べて結晶成長が支配的となり、粒子数が減少して粒子サイズが増大する一方、この合計濃度が高いと結晶成長に比べて核生成が支配的となり、粒子数が増大して粒子サイズが減少するものと考えられる。
(C) Hydrothermal treatment A hydrothermal treatment is performed on a porous substrate (a starting material can be attached if desired) in a raw material aqueous solution containing a constituent element of LDH to form an LDH film on the surface of the porous substrate. A preferable raw material aqueous solution contains magnesium ions (Mg 2+ ) and aluminum ions (Al 3+ ) at a predetermined total concentration, and contains urea. Due to the presence of urea, ammonia is generated in the solution by utilizing hydrolysis of urea, so that the pH value rises (for example, more than pH 7.0, preferably more than 7.0 and less than 8.5) and coexists. LDH can be obtained when metal ions form hydroxides. Further, since carbon dioxide is generated in the hydrolysis, LDH in which the anion is carbonate ion type can be obtained. The total concentration (Mg 2+ + Al 3+ ) of magnesium ions and aluminum ions contained in the raw material aqueous solution is preferably 0.20 to 0.40 mol / L, more preferably 0.22 to 0.38 mol / L, still more preferably 0.24 to 0.36 mol / L, particularly preferably 0.26 to 0.34 mol / L. When the concentration is within such a range, nucleation and crystal growth can proceed in a balanced manner, and an LDH film excellent not only in orientation but also in denseness can be obtained. That is, when the total concentration of magnesium ions and aluminum ions is low, crystal growth becomes dominant compared to nucleation, and the number of particles decreases and particle size increases. It is considered that the generation becomes dominant, the number of particles increases, and the particle size decreases.
好ましくは、原料水溶液に硝酸マグネシウム及び硝酸アルミニウムが溶解されており、それにより原料水溶液がマグネシウムイオン及びアルミニウムイオンに加えて硝酸イオンを含んでなる。そして、この場合、原料水溶液における、尿素の硝酸イオン(NO3 −)に対するモル比(尿素/NO3 −)が、2〜6が好ましく、より好ましくは4〜5である。 Preferably, magnesium nitrate and aluminum nitrate are dissolved in the raw material aqueous solution, so that the raw material aqueous solution contains nitrate ions in addition to magnesium ions and aluminum ions. In this case, the molar ratio (urea / NO 3 − ) of urea to nitrate ions (NO 3 − ) in the raw material aqueous solution is preferably 2 to 6, and more preferably 4 to 5.
多孔質基材は原料水溶液に所望の向きで(例えば水平又は垂直に)浸漬させればよい。多孔質基材を水平に保持する場合は、吊るす、浮かせる、容器の底に接するように多孔質基材を配置すればよく、例えば、容器の底から原料水溶液中に浮かせた状態で多孔質基材を固定としてもよい。多孔質基材を垂直に保持する場合は、容器の底に多孔質基材を垂直に設置できるような冶具を置けばよい。いずれにしても、多孔質基材にLDHを略垂直方向又はそれに近い方向(すなわちLDH板状粒子がそれらの板面が多孔質基材の表面(基材面)と略垂直に又は斜めに交差するような向きに)に成長させる構成ないし配置とするのが好ましい。 The porous substrate may be immersed in the raw material aqueous solution in a desired direction (for example, horizontally or vertically). When the porous substrate is held horizontally, the porous substrate may be suspended, floated, or disposed so as to be in contact with the bottom of the container. For example, the porous substrate is suspended from the bottom of the container in the raw material aqueous solution. The material may be fixed. When the porous substrate is held vertically, a jig that can set the porous substrate vertically on the bottom of the container may be placed. In any case, LDH is substantially perpendicular to or close to the porous substrate (that is, the LDH plate-like particles have their plate surfaces intersecting the surface (substrate surface) of the porous substrate substantially perpendicularly or obliquely. It is preferable to adopt a configuration or arrangement in which growth is performed in such a direction.
原料水溶液中で、多孔質基材に水熱処理を施して、LDH膜を多孔質基材の表面に形成させる。この水熱処理は密閉容器(好ましくはオートクレーブ)の中、60〜150℃で行われるのが好ましく、より好ましくは65〜120℃であり、さらに好ましくは65〜100℃であり、特に好ましくは70〜90℃である。水熱処理の上限温度は多孔質基材
(例えば高分子基材)が熱で変形しない程度の温度を選択すればよい。水熱処理時の昇温速度は特に限定されず、例えば10〜200℃/hであってよいが、好ましくは100〜200℃/hである、より好ましくは100〜150℃/hである。水熱処理の時間はLDH膜の目的とする密度と厚さに応じて適宜決定すればよい。
In the raw material aqueous solution, the porous substrate is subjected to hydrothermal treatment to form an LDH film on the surface of the porous substrate. This hydrothermal treatment is preferably carried out in a sealed container (preferably an autoclave) at 60 to 150 ° C., more preferably 65 to 120 ° C., further preferably 65 to 100 ° C., particularly preferably 70 to 90 ° C. The upper limit temperature of the hydrothermal treatment may be selected so that the porous substrate (for example, the polymer substrate) is not deformed by heat. The rate of temperature increase during the hydrothermal treatment is not particularly limited and may be, for example, 10 to 200 ° C./h, preferably 100 to 200 ° C./h, more preferably 100 to 150 ° C./h. The hydrothermal treatment time may be appropriately determined according to the target density and thickness of the LDH film.
水熱処理後、密閉容器から多孔質基材を取り出し、イオン交換水で洗浄するのが好ましい。 After the hydrothermal treatment, the porous substrate is preferably taken out from the sealed container and washed with ion exchange water.
上記のようにして製造されたLDH膜は、LDH板状粒子が高度に緻密化したものであり、しかも伝導に有利な略垂直方向に配向したものである。すなわち、LDH膜は、典型的には、高度な緻密性に起因して透水性(望ましくは透水性及び通気性)を有しない。また、LDH膜を構成するLDHが複数の板状粒子の集合体で構成され、該複数の板状粒子がそれらの板面が多孔質基材の表面と略垂直に又は斜めに交差するような向きに配向してなるのが典型的である。したがって、十分なガスタイト性を有する緻密性を有するLDH膜を亜鉛空気電池等の電池に用いた場合、発電性能の向上が見込めると共に、従来適用できなかった電解液を用いる亜鉛空気電池の二次電池化の大きな障壁となっている亜鉛デンドライト進展阻止及び二酸化炭素侵入防止用セパレータ等への新たな適用が期待される。また、同様に亜鉛デンドライト進展が実用化の大きな障壁となっているニッケル亜鉛電池にも適用が期待される。 The LDH film produced as described above is one in which LDH plate-like particles are highly densified and oriented in a substantially vertical direction that is advantageous for conduction. That is, the LDH film typically does not have water permeability (desirably water permeability and air permeability) due to high density. In addition, the LDH constituting the LDH film is composed of an aggregate of a plurality of plate-like particles, and the plurality of plate-like particles cross their surfaces substantially perpendicularly or obliquely with the surface of the porous substrate. Typically oriented in the direction. Accordingly, when an LDH film having sufficient gas tightness and a dense LDH film is used for a battery such as a zinc-air battery, an improvement in power generation performance can be expected, and a secondary battery for a zinc-air battery using an electrolyte that has not been conventionally applicable It is expected to be applied to new separators such as zinc dendrite progress barriers and carbon dioxide intrusion separators, which have become major barriers to chemical conversion. Similarly, it is expected to be applied to a nickel-zinc battery in which the progress of zinc dendrite is a major barrier to practical use.
ところで、上記製造方法により得られるLDH膜は多孔質基材の両面に形成されうる。このため、LDH膜をセパレータとして好適に使用可能な形態とするためには、成膜後に多孔質基材の片面のLDH膜を機械的に削るか、あるいは成膜時に片面にはLDH膜が成膜できないような措置を講ずるのが望ましい。 By the way, the LDH film obtained by the above production method can be formed on both surfaces of the porous substrate. For this reason, in order to make the LDH film suitable for use as a separator, the LDH film on one side of the porous substrate is mechanically scraped after film formation, or the LDH film is formed on one side during film formation. It is desirable to take measures that prevent film formation.
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。 The present invention is more specifically described by the following examples.
例A1
本例では、多孔質基材上に層状複水酸化物(LDH)膜を形成したLDH含有複合材料試料として試料A1〜A10を以下のようにして作製した。
Example A1
In this example, samples A1 to A10 were produced as follows as LDH-containing composite material samples in which a layered double hydroxide (LDH) film was formed on a porous substrate.
(1)多孔質基材の作製
ベーマイト(サソール社製、DISPAL 18N4−80)、メチルセルロース、及びイオン交換水を、(ベーマイト):(メチルセルロース):(イオン交換水)の質量比が10:1:5となるように秤量した後、混練した。得られた混練物を、ハンドプレスを用いた押出成形に付し、2.5cm×10cm×厚さ0.5cmの大きさに成形した。得られた成形体を80℃で12時間乾燥した後、1150℃で3時間焼成して、アルミナ製多孔質基材を得た。
(1) Production of porous substrate Boehmite (manufactured by Sasol, DISPAL 18N4-80), methylcellulose, and ion-exchanged water are mixed at a weight ratio of 10: 1: (boehmite) :( methylcellulose) :( ion-exchanged water). After weighing so as to be 5, kneaded. The obtained kneaded product was subjected to extrusion molding using a hand press and molded into a size of 2.5 cm × 10 cm × thickness 0.5 cm. The obtained molded body was dried at 80 ° C. for 12 hours and then calcined at 1150 ° C. for 3 hours to obtain an alumina porous substrate.
得られた多孔質基材について、画像処理を用いた手法により、多孔質基材表面の気孔率を測定したところ、24.6%であった。この気孔率の測定は、1)表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察して多孔質基材表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とすることにより行った。この気孔率の測定は多孔質基材表面の6μm×6μmの領域について行われた。なお、図3に多孔質基材表面のSEM画像を示す。 With respect to the obtained porous substrate, the porosity on the surface of the porous substrate was measured by a technique using image processing, and it was 24.6%. The porosity is measured by 1) observing the surface microstructure using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10 to 20 kV, and an electron microscope on the surface of the porous substrate ( SEM) image (magnification of 10,000 times or more) is obtained, 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe), etc. 3) [Image] → [Tone Correction] → [2 A monochrome binary image was created by the procedure of [gradation], and 4) the porosity (%) was obtained by dividing the number of pixels occupied by the black portion by the total number of pixels in the image. This porosity measurement was performed on a 6 μm × 6 μm region on the surface of the porous substrate. FIG. 3 shows an SEM image of the porous substrate surface.
また、多孔質基材の平均気孔径を測定したところ約0.1μmであった。本発明において、平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡(SEM)画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行った。この測定に用いた電子顕微鏡(SEM)画像の倍率は20000倍であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から上位15点及び下位15点、合わせて1視野あたり30点で2視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得た。測長には、SEMのソフトウェアの測長機能を用いた。 Moreover, it was about 0.1 micrometer when the average hole diameter of the porous base material was measured. In the present invention, the average pore diameter was measured by measuring the longest distance of the pores based on an electron microscope (SEM) image of the surface of the porous substrate. The magnification of the electron microscope (SEM) image used for this measurement is 20000 times, and all the obtained pore diameters are arranged in order of size, and the top 15 points and the bottom 15 points from the average value, and 30 points per visual field in total. The average value for two visual fields was calculated to obtain the average pore diameter. For length measurement, the length measurement function of SEM software was used.
(2)多孔質基材の洗浄
得られた多孔質基材をアセトン中で5分間超音波洗浄し、エタノール中で2分間超音波洗浄、その後、イオン交換水中で1分間超音波洗浄した。
(2) Cleaning of porous substrate The obtained porous substrate was ultrasonically cleaned in acetone for 5 minutes, ultrasonically cleaned in ethanol for 2 minutes, and then ultrasonically cleaned in ion-exchanged water for 1 minute.
(3)ポリスチレンスピンコート及びスルホン化
試料A1〜A6についてのみ、以下の手順により多孔質基材に対してポリスチレンスピンコート及びスルホン化を行った。すなわち、ポリスチレン基板0.6gをキシレン溶液10mlに溶かして、ポリスチレン濃度0.06g/mlのスピンコート液を作製した。得られたスピンコート液0.1mlを多孔質基材上に滴下し、回転数8000rpmでスピンコートにより塗布した。このスピンコートは、滴下と乾燥を含めて200秒間行った。スピンコート液を塗布した多孔質基材を95%硫酸に25℃で4日間浸漬してスルホン化した。
(3) Polystyrene spin coating and sulfonation For the samples A1 to A6, polystyrene spin coating and sulfonation were performed on the porous substrate by the following procedure. That is, 0.6 g of a polystyrene substrate was dissolved in 10 ml of a xylene solution to prepare a spin coating solution having a polystyrene concentration of 0.06 g / ml. 0.1 ml of the obtained spin coating solution was dropped onto the porous substrate and applied by spin coating at a rotation speed of 8000 rpm. This spin coating was performed for 200 seconds including dripping and drying. The porous substrate coated with the spin coating solution was immersed in 95% sulfuric acid at 25 ° C. for 4 days for sulfonation.
(4)原料水溶液の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO3)2・6H2O、関東化学株式会社製)、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO3)3・9H2O、関東化学株式会社製)、及び尿素((NH2)2CO、シグマアルドリッチ製)を用意した。カチオン比(Mg2+/Al3+)が2となり且つ全金属イオンモル濃度(Mg2++Al3+)が0.320mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物と硝酸アルミニウム九水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO3 −=4の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
(4) As the manufacturing raw material of the raw aqueous solution, magnesium nitrate hexahydrate (Mg (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and urea ((NH 2 ) 2 CO, manufactured by Sigma-Aldrich) were prepared. Weigh magnesium nitrate hexahydrate and aluminum nitrate nonahydrate so that the cation ratio (Mg 2+ / Al 3+ ) is 2 and the total metal ion molar concentration (Mg 2+ + Al 3+ ) is 0.320 mol / L. In a beaker, ion exchange water was added to make a total volume of 75 ml. After stirring the obtained solution, urea weighed at a ratio of urea / NO 3 − = 4 was added to the solution, and further stirred to obtain a raw material aqueous solution.
(5)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に上記(4)で作製した原料水溶液と上記(3)でスルホン化した多孔質基材(試料A1〜A6)又は上記(2)で洗浄した多孔質基材(試料A7〜A10)を共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように水平に設置した。その後、水熱温度70〜75℃で168〜504時間水熱処理を施すことにより基材表面に層状複水酸化物配向膜の形成を行った。このとき、水熱処理の条件を適宜変更することにより、様々な緻密性を有する10種類の配向膜を作製した。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、層状複水酸化物(以下、LDHという)の緻密膜(以下、膜試料という)を基材上に得た。得られた膜試料の厚さは約1.0〜2.0μmであった。こうして、LDH含有複合材料試料(以下、複合材料試料という)として試料A1〜A10を得た。なお、LDH膜は多孔質基材の両面に形成されていたが、セパレータとしての形態を複合材料に付与するため、多孔質基材の片面のLDH膜を機械的に削り取った。
(5) Film formation by hydrothermal treatment A Teflon (registered trademark) sealed container (with an internal volume of 100 ml, the outside is a stainless steel jacket) and the raw material aqueous solution prepared in (4) above and the porous substrate sulfonated in (3) above (Samples A1 to A6) or the porous substrate (samples A7 to A10) washed in (2) above were encapsulated together. At this time, the base material was fixed by being floated from the bottom of a Teflon (registered trademark) sealed container, and placed horizontally so that the solution was in contact with both surfaces of the base material. Then, the layered double hydroxide alignment film was formed on the substrate surface by performing hydrothermal treatment at a hydrothermal temperature of 70 to 75 ° C. for 168 to 504 hours. At this time, ten kinds of alignment films having various denseness were produced by appropriately changing the conditions of the hydrothermal treatment. After the elapse of a predetermined time, the substrate is taken out from the sealed container, washed with ion-exchanged water, dried at 70 ° C. for 10 hours, and a dense layer of layered double hydroxide (hereinafter referred to as LDH) (hereinafter referred to as a membrane sample). ) Was obtained on a substrate. The thickness of the obtained film sample was about 1.0 to 2.0 μm. Thus, samples A1 to A10 were obtained as LDH-containing composite material samples (hereinafter referred to as composite material samples). In addition, although the LDH film was formed on both surfaces of the porous substrate, the LDH film on one surface of the porous substrate was mechanically scraped to give the composite material a form as a separator.
例A2:膜試料の同定
X線回折装置(リガク社製 RINT TTR III)にて、電圧:50kV、電流値:300mA、測定範囲:10〜70°の測定条件で、膜試料の結晶相を測定してXRDプロファイルを得る。得られたXRDプロファイルについて、JCPDSカードNO.35−0964に記載される層状複水酸化物(ハイドロタルサイト類化合物)の回折ピークを用いて同定を行った。その結果、膜試料A1〜A10のいずれも層状複水酸化物(LDH、ハイドロタルサイト類化合物)であることが確認された。
Example A2 : Identification of a film sample Using an X-ray diffractometer (RINT TTR III manufactured by Rigaku Corporation), the crystal phase of the film sample was measured under the measurement conditions of voltage: 50 kV, current value: 300 mA, measurement range: 10 to 70 °. To obtain an XRD profile. About the obtained XRD profile, JCPDS card NO. Identification was performed using a diffraction peak of a layered double hydroxide (hydrotalcite compound) described in 35-0964. As a result, it was confirmed that all of the film samples A1 to A10 were layered double hydroxides (LDH, hydrotalcite compounds).
例A3:He透過測定
He透過性の観点から膜試料A1〜A10の緻密性を評価すべくHe透過試験を以下のとおり行った。まず、図4A及び図4Bに示されるHe透過度測定系40を構築した。He透過度測定系40は、Heガスを充填したガスボンベからのHeガスが圧力計42及び流量計44(デジタルフローメーター)を介して試料ホルダ46に供給され、この試料ホルダ46に保持された緻密膜48の一方の面から他方の面に透過させて排出させるように構成した。
Example A3 : He permeation measurement A He permeation test was performed as follows to evaluate the denseness of the membrane samples A1 to A10 from the viewpoint of He permeability. First, the He transmittance measurement system 40 shown in FIGS. 4A and 4B was constructed. In the He permeability measurement system 40, He gas from a gas cylinder filled with He gas is supplied to a sample holder 46 via a pressure gauge 42 and a flow meter 44 (digital flow meter), and the denseness held in the sample holder 46 is measured. The membrane 48 was configured to be transmitted through one surface from the other surface and discharged.
試料ホルダ46は、ガス供給口46a、密閉空間46b及びガス排出口46cを備えた構造を有するものであり、次のようにして組み立てた。まず、緻密膜48の外周に沿って接着剤52を塗布して、中央に開口部を有する治具54(ABS樹脂製)に取り付けた。この治具54の上端及び下端に密封部材56a,56bとしてブチルゴム製のパッキンを配設し、さらに密封部材56a,56bの外側から、フランジからなる開口部を備えた支持部材58a,58b(PTFE製)で挟持した。こうして、緻密膜48、治具54、密封部材56a及び支持部材58aにより密閉空間46bを区画した。なお、緻密膜48は多孔質基材50上に形成された複合材料の形態であるが、緻密膜48側がガス供給口46aに向くように配置した。支持部材58a,58bを、ガス排出口46c以外の部分からHeガスの漏れが生じないように、ネジを用いた締結手段60で互いに堅く締め付けた。こうして組み立てられた試料ホルダ46のガス供給口46aに、継手62を介してガス供給管64を接続した。 The sample holder 46 has a structure including a gas supply port 46a, a sealed space 46b, and a gas discharge port 46c, and was assembled as follows. First, the adhesive 52 was applied along the outer periphery of the dense film 48 and attached to a jig 54 (made of ABS resin) having an opening at the center. Sealing members 56a and 56b are provided with packings made of butyl rubber at the upper and lower ends of the jig 54, and support members 58a and 58b (made of PTFE) provided with openings made of flanges from outside the sealing members 56a and 56b. ). Thus, the sealed space 46b was defined by the dense film 48, the jig 54, the sealing member 56a, and the support member 58a. The dense film 48 is in the form of a composite material formed on the porous substrate 50, but is arranged so that the dense film 48 side faces the gas supply port 46a. The support members 58a and 58b were firmly fastened to each other by the fastening means 60 using screws so that He gas does not leak from portions other than the gas discharge port 46c. A gas supply pipe 64 was connected via a joint 62 to the gas supply port 46 a of the sample holder 46 thus assembled.
次いで、He透過度測定系40にガス供給管64を経てHeガスを供給し、試料ホルダ46内に保持された緻密膜48に透過させた。このとき、圧力計42及び流量計44によりガス供給圧と流量をモニタリングした。Heガスの透過を1〜30分間行った後、He透過度を算出した。He透過度の算出は、単位時間あたりのHeガスの透過量F(cm3/min)、Heガス透過時に緻密膜に加わる差圧P(atm)、及びHeガスが透過する膜面積S(cm2)を用いて、F/(P×S)の式により算出した。Heガスの透過量F(cm3/min)は流量計14から直接読み取った。また、差圧Pは圧力計12から読み取ったゲージ圧を用いた。なお、Heガスは差圧Pが0.05〜0.90atmの範囲内となるように供給された。得られた結果は表1及び図5に示されるとおりであった。 Next, He gas was supplied to the He permeability measurement system 40 through the gas supply pipe 64 and permeated through the dense film 48 held in the sample holder 46. At this time, the gas supply pressure and flow rate were monitored by the pressure gauge 42 and the flow meter 44. After permeating He gas for 1 to 30 minutes, the He permeability was calculated. The calculation of the He permeability is based on the permeation amount F (cm 3 / min) of He gas per unit time, the differential pressure P (atm) applied to the dense film during He gas permeation, and the membrane area S (cm 2 ) and calculated by the formula of F / (P × S). The permeation amount F (cm 3 / min) of He gas was directly read from the flow meter 14. The differential pressure P was a gauge pressure read from the pressure gauge 12. The He gas was supplied so that the differential pressure P was in the range of 0.05 to 0.90 atm. The obtained results were as shown in Table 1 and FIG.
例A4:Zn透過試験
Zn透過性の観点から膜試料A1〜A10の緻密性を評価すべく、Zn透過試験を以下のとおり行った。まず、図1A及び図1Bに示されるZn透過測定装置10を構築した。Zn透過測定装置10は、L字状の開口管で構成される第一槽14にフランジ32aが一体化されたフランジ付き開口管(PTFE製)と、L字状の管で構成される第二槽16にフランジ32bが一体化されたフランジ付き開口管(PTFE製)とをフランジ32a,32bが対向するように配置し、その間に試料ホルダ12を配置し、試料ホルダ12に保持された緻密膜の一方の面から他方の面にZnが透過可能な構成とした。
Example A4 : Zn Permeation Test In order to evaluate the denseness of the film samples A1 to A10 from the viewpoint of Zn permeability, a Zn permeation test was performed as follows. First, a Zn transmission measuring device 10 shown in FIGS. 1A and 1B was constructed. The Zn permeation measuring apparatus 10 includes a flanged opening tube (manufactured by PTFE) in which a flange 32a is integrated with a first tank 14 formed of an L-shaped opening tube, and a second formed of an L-shaped tube. A flanged opening tube (made of PTFE) in which the flange 32b is integrated with the tank 16 is disposed so that the flanges 32a and 32b face each other, and the sample holder 12 is disposed therebetween, and the dense film held by the sample holder 12 Zn was allowed to pass through from one surface to the other.
試料ホルダ12の組み立て及びその装置10への取り付けは、次のようにして行った。まず、緻密膜22の外周に沿って接着剤26を塗布して、中央に開口部を有する治具28(ABS樹脂製)に取り付けた。この治具28の両側に図1Aに示されるように密封部材30a,30bとしてシリコーンゴム製のパッキンを配設し、さらに密封部材30a,30bの外側から、1対のフランジ付き開口管のフランジ32a,32bで挟持した。なお、緻密膜22は多孔質基材24上に形成された複合材料の形態であるが、緻密膜22側が(Znを含有する第一の水溶液18が注入されることになる)第一槽14に向くように配置した。フランジ32a,32bをその間で液漏れが生じないように、ネジを用いた締結手段34で互いに堅く締め付けた。 The assembly of the sample holder 12 and its attachment to the apparatus 10 were performed as follows. First, the adhesive 26 was applied along the outer periphery of the dense film 22 and attached to a jig 28 (made of ABS resin) having an opening at the center. As shown in FIG. 1A, silicone rubber packing is disposed on both sides of the jig 28 as sealing members 30a and 30b. Further, from the outside of the sealing members 30a and 30b, a flange 32a of a pair of flanged open tubes. , 32b. Although the dense film 22 is in the form of a composite material formed on the porous substrate 24, the dense tank 22 side is to be filled with the first aqueous solution 18 containing Zn. It was arranged to face. The flanges 32a and 32b were tightly fastened to each other by fastening means 34 using screws so that no liquid leakage occurred between them.
一方、第一槽14に入れるための第一の水溶液18として、Al(OH)3を2.5mol/L、ZnOを0.5mol/Lを溶解させた9mol/LのKOH水溶液を調製した。第一の水溶液のZn濃度C1(mol/L)をICP発光分光分析法により測定したところ、表1に示される値であった。また、第二槽16に入れるための第二の水溶液20として、ZnOを溶解させることなく、Al(OH)3を2.5mol/Lを溶解させた9mol/LのKOH水溶液を調製した。先に作製した試料ホルダ12が組み込まれた測定装置10において、第一槽14及び第二槽16にそれぞれ第一の水溶液18及び第二の水溶液20を注入し、試料ホルダ12に保持された緻密膜22にZnを透過させた。この状態でZn透過を表1に示される時間tで行った後、第二の水溶液の液量V2(ml)を測定し、第二の水溶液20のZn濃度C2(mol/L)をICP発光分光分析法により測定した。得られた値を用いてZn透過割合を算出した。Zn透過割合は、Zn透過開始前の第一の水溶液のZn濃度C1(mol/L)、Zn透過開始前の第一の水溶液の液量V1(ml)、Zn透過終了後の第二の水溶液のZn濃度C2(mol/L)、Zn透過終了後の第二の水溶液の液量V2(ml)、Znの透過時間t(min)、及びZnが透過する膜面積S(cm2)を用いて、(C2×V2)/(C1×V1×t×S)の式により算出した。得られた結果は表1及び図5に示されるとおりであった。 On the other hand, a 9 mol / L aqueous KOH solution in which 2.5 mol / L Al (OH) 3 and 0.5 mol / L ZnO were dissolved was prepared as the first aqueous solution 18 to be put in the first tank 14. When the Zn concentration C 1 (mol / L) of the first aqueous solution was measured by ICP emission spectroscopy, it was a value shown in Table 1. Further, as the second aqueous solution 20 to be put into the second tank 16, a 9 mol / L KOH aqueous solution in which 2.5 mol / L of Al (OH) 3 was dissolved was prepared without dissolving ZnO. In the measuring apparatus 10 in which the sample holder 12 produced previously is incorporated, the first aqueous solution 18 and the second aqueous solution 20 are respectively injected into the first tank 14 and the second tank 16, and the dense held by the sample holder 12. Zn was permeated into the film 22. In this state, Zn permeation was performed at time t shown in Table 1, and then the liquid volume V 2 (ml) of the second aqueous solution was measured, and the Zn concentration C 2 (mol / L) of the second aqueous solution 20 was determined. It was measured by ICP emission spectroscopy. The Zn permeation ratio was calculated using the obtained value. The Zn permeation ratio includes the Zn concentration C 1 (mol / L) of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, the liquid volume V 1 (ml) of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, and the second concentration after the end of Zn permeation. Zn concentration C 2 (mol / L) of the aqueous solution, the liquid volume V 2 (ml) of the second aqueous solution after completion of Zn permeation, the permeation time t (min) of Zn, and the film area S (cm through which Zn permeates) 2 ), and the calculation was performed according to the formula (C 2 × V 2 ) / (C 1 × V 1 × t × S). The obtained results were as shown in Table 1 and FIG.
例B1〜B5
以下に示される例はZn透過割合の評価を行った例ではないが、各種多孔質基材上にLDH緻密膜を形成できることを示す参考例である。
Examples B1-B5
The example shown below is not an example of evaluating the Zn permeation ratio, but is a reference example showing that an LDH dense film can be formed on various porous substrates.
例B1
(1)多孔質基材の作製
<試料B1〜B3>
ベーマイト(サソール社製、DISPAL 18N4−80)、メチルセルロース、及びイオン交換水を、(ベーマイト):(メチルセルロース):(イオン交換水)の質量比が10:1:5となるように秤量した後、混練した。得られた混練物を、ハンドプレスを用いた押出成形に付し、2.5cm×10cm×厚さ0.5cmの大きさに成形した。得られた成形体を80℃で12時間乾燥した後、表2に示される温度で3時間焼成して、アルミナ製多孔質基材を得た。焼成後、アルミナ製多孔質基材を2cm×2cm×0.3cmの大きさに加工した。
Example B1
(1) Production of porous substrate <Samples B1 to B3>
Boehmite (manufactured by Sasol, DISPAL 18N4-80), methylcellulose, and ion-exchanged water were weighed so that the mass ratio of (boehmite) :( methylcellulose) :( ion-exchanged water) was 10: 1: 5. Kneaded. The obtained kneaded product was subjected to extrusion molding using a hand press and molded into a size of 2.5 cm × 10 cm × thickness 0.5 cm. The obtained molded body was dried at 80 ° C. for 12 hours and then fired at the temperature shown in Table 2 for 3 hours to obtain an alumina porous substrate. After firing, the alumina porous substrate was processed into a size of 2 cm × 2 cm × 0.3 cm.
<試料B4及びB5>
ジルコニア(東ソー社製、TZ−3YS(試料B4の場合)又はTZ−8YS(試料B5の場合))、メチルセルロース、及びイオン交換水を、(ジルコニア):(メチルセルロース):(イオン交換水)の質量比が10:1:5となるように秤量した後、混練した。得られた混練物を、ハンドプレスを用いた押出成形に付し、2.5cm×10cm×厚さ0.5cmの大きさに成形した。得られた成形体を80℃で12時間乾燥した後、表2に示される温度で3時間焼成して、ジルコニア製多孔質基材を得た。焼成後、ジルコニア製多孔質基材を2cm×2cm×0.3cmの大きさに加工した。
<Samples B4 and B5>
Zirconia (manufactured by Tosoh Corporation, TZ-3YS (in the case of sample B4) or TZ-8YS (in the case of sample B5)), methylcellulose, and ion-exchanged water, (zirconia): (methylcellulose): mass of (ion-exchanged water) Kneading was carried out after weighing so that the ratio was 10: 1: 5. The obtained kneaded product was subjected to extrusion molding using a hand press and molded into a size of 2.5 cm × 10 cm × thickness 0.5 cm. The obtained molded body was dried at 80 ° C. for 12 hours and then fired at the temperature shown in Table 2 for 3 hours to obtain a zirconia porous substrate. After firing, the zirconia porous substrate was processed into a size of 2 cm × 2 cm × 0.3 cm.
得られた多孔質基材について、画像処理を用いた手法により、多孔質基材表面の気孔率を測定したところ、表2に示されるとおりであった。この気孔率の測定は、1)表面微構造を試料B1に対しては電界放出型走査型電子顕微鏡(FE−SEM)を、試料B2〜B5に対して走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて所定の加速電圧(試料B1では1kV、試料B2〜B5では10〜20kV)で観察して多孔質基材表面の電子顕微鏡画像(倍率10000倍以上、試料B1の場合は100,000倍)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールの電子顕微鏡画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とすることにより行った。この気孔率の測定は多孔質基材表面の試料B1に対して600nm×600nmの領域について、試料B2〜B5に対しては6μm×6μmの領域について行われた。 With respect to the obtained porous substrate, the porosity of the surface of the porous substrate was measured by a technique using image processing, and as shown in Table 2. The porosity is measured by 1) field emission scanning electron microscope (FE-SEM) for the surface microstructure of sample B1, and scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV) for samples B2 to B5. , Manufactured by JEOL Co., Ltd., and observed with a predetermined acceleration voltage (1 kV for sample B1, 10 to 20 kV for samples B2 to B5), and an electron microscope image of the surface of the porous substrate (at a magnification of 10,000 times or more, sample B1) 2) Read a grayscale electron microscope image using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe), etc. 3) [Image] → [Tone correction] → [2 gradations A black and white binary image was created by the procedure of 4), and 4) the value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black portion by the total number of pixels of the image was taken as the porosity (%). The measurement of the porosity was performed for a region of 600 nm × 600 nm with respect to the sample B1 on the surface of the porous substrate and for a region of 6 μm × 6 μm with respect to the samples B2 to B5.
また、多孔質基材の平均気孔径を測定したところ、表2に示されるとおりであった。本発明において、平均気孔径の測定は多孔質基材の表面の電子顕微鏡(FE−SEM又はSEM)画像をもとに気孔の最長距離を測長することにより行った。この測定に用いた電子顕微鏡(FE−SEM又はSEM)画像の倍率は試料B1では100,000倍、試料B2〜B5では20000倍であり、得られた全ての気孔径をサイズ順に並べて、その平均値から上位15点及び下位15点、合わせて1視野あたり30点で2視野分の平均値を算出して、平均気孔径を得た。測長には、FE−SEM又はSEMのソフトウェアの測長機能を用いた。 Moreover, when the average pore diameter of the porous substrate was measured, it was as shown in Table 2. In the present invention, the average pore diameter was measured by measuring the longest distance of pores based on an electron microscope (FE-SEM or SEM) image of the surface of the porous substrate. The magnification of the electron microscope (FE-SEM or SEM) image used for this measurement is 100,000 times for the sample B1, and 20000 times for the samples B2 to B5. The average pore diameter was obtained by calculating the average value for two visual fields at the top 15 points and the lower 15 points from the values, and 30 points per visual field. For length measurement, the length measurement function of FE-SEM or SEM software was used.
(2)多孔質基材の洗浄
得られた多孔質基材をアセトン中で5分間超音波洗浄し、エタノール中で2分間超音波洗浄、その後、イオン交換水中で1分間超音波洗浄した。
(2) Cleaning of porous substrate The obtained porous substrate was ultrasonically cleaned in acetone for 5 minutes, ultrasonically cleaned in ethanol for 2 minutes, and then ultrasonically cleaned in ion-exchanged water for 1 minute.
(3)原料水溶液の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO3)2・6H2O、関東化学株式会社製)、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO3)3・9H2O、関東化学株式会社製)、及び尿素((NH2)2CO、シグマアルドリッチ製)を用意した。カチオン比(Mg2+/Al3+)が2となり且つ全金属イオンモル濃度(Mg2++Al3+)が0.320mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物と硝酸アルミニウム九水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO3 −=4の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
(3) As the manufacturing raw material of the raw aqueous solution, magnesium nitrate hexahydrate (Mg (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), aluminum nitrate nonahydrate (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and urea ((NH 2 ) 2 CO, manufactured by Sigma-Aldrich) were prepared. Weigh magnesium nitrate hexahydrate and aluminum nitrate nonahydrate so that the cation ratio (Mg 2+ / Al 3+ ) is 2 and the total metal ion molar concentration (Mg 2+ + Al 3+ ) is 0.320 mol / L. In a beaker, ion exchange water was added to make a total volume of 75 ml. After stirring the obtained solution, urea weighed at a ratio of urea / NO 3 − = 4 was added to the solution, and further stirred to obtain a raw material aqueous solution.
(4)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に上記(3)で作製した原料水溶液と上記(2)で洗浄した多孔質基材を共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように水平に設置した。その後、水熱温度70℃で168時間(7日間)水熱処理を施すことにより基材表面に層状複水酸化物配向膜の形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、層状複水酸化物(以下、LDHという)の緻密膜(以下、膜試料B1〜B5という)を基材上に得た。得られた膜試料の厚さは約1.5μmであった。こうして、層状複水酸化物含有複合材料試料(以下、複合材料試料B1〜B5という)を得た。なお、LDH膜は多孔質基材の両面に形成されていたが、セパレータとしての形態を複合材料に付与するため、多孔質基材の片面のLDH膜を機械的に削り取った。
(4) Film formation by hydrothermal treatment The raw material aqueous solution prepared in (3) above and the porous substrate washed in (2) above are sealed in a Teflon (registered trademark) sealed container (internal volume of 100 ml, outside is a stainless steel jacket). Both were enclosed. At this time, the base material was fixed by being floated from the bottom of a Teflon (registered trademark) sealed container, and placed horizontally so that the solution was in contact with both surfaces of the base material. Thereafter, a hydrothermal treatment was performed at a hydrothermal temperature of 70 ° C. for 168 hours (7 days) to form a layered double hydroxide alignment film on the substrate surface. After the elapse of a predetermined time, the substrate is taken out from the sealed container, washed with ion-exchanged water, dried at 70 ° C. for 10 hours, and a dense layer of layered double hydroxide (hereinafter referred to as LDH) (hereinafter referred to as membrane sample B1). ~ B5) was obtained on the substrate. The thickness of the obtained film sample was about 1.5 μm. Thus, layered double hydroxide-containing composite material samples (hereinafter referred to as composite material samples B1 to B5) were obtained. In addition, although the LDH film was formed on both surfaces of the porous substrate, the LDH film on one surface of the porous substrate was mechanically scraped to give the composite material a form as a separator.
例B2:膜試料の同定
X線回折装置(リガク社製 RINT TTR III)にて、電圧:50kV、電流値:300mA、測定範囲:10〜70°の測定条件で、膜試料B2の結晶相を測定したところ、図6に示されるXRDプロファイルが得られた。得られたXRDプロファイルについて、JCPDSカードNO.35−0964に記載される層状複水酸化物(ハイドロタルサイト類化合物)の回折ピークを用いて同定した。その結果、膜試料B2は層状複水酸化物(LDH、ハイドロタルサイト類化合物)であることが確認された。なお、図6に示されるXRDプロファイルにおいては、膜試料B2が形成されている多孔質基材を構成するアルミナに起因するピーク(図中で○印が付されたピーク)も併せて観察されている。膜試料B1及びB3〜B5についても同様に層状複水酸化物(LDH、ハイドロタルサイト類化合物)であることが確認された。
Example B2 : Identification of a film sample With an X-ray diffractometer (RINT TTR III manufactured by Rigaku Corporation), the crystal phase of the film sample B2 was measured under the measurement conditions of voltage: 50 kV, current value: 300 mA, measurement range: 10 to 70 °. As a result of measurement, the XRD profile shown in FIG. 6 was obtained. About the obtained XRD profile, JCPDS card NO. It identified using the diffraction peak of the layered double hydroxide (hydrotalcite compound) described in 35-0964. As a result, it was confirmed that the film sample B2 was a layered double hydroxide (LDH, hydrotalcite compound). In the XRD profile shown in FIG. 6, a peak (a peak marked with a circle in FIG. 6) due to alumina constituting the porous substrate on which the film sample B2 is formed is also observed. Yes. The film samples B1 and B3 to B5 were also confirmed to be layered double hydroxides (LDH, hydrotalcite compounds) in the same manner.
例B3:微構造の観察
膜試料B2の表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察した。得られた膜試料B2の表面微構造のSEM画像(二次電子像)を図7に示す。
Example B3 : Observation of microstructure The surface microstructure of the film sample B2 was observed using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10 to 20 kV. FIG. 7 shows an SEM image (secondary electron image) of the surface microstructure of the obtained film sample B2.
また、複合材料試料B2の断面をCP研磨によって研磨して研磨断面を形成し、この研磨断面の微構造を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察した。こうして得られた複合材料試料B2の研磨断面微構造のSEM画像を図8に示す。 Further, the cross section of the composite material sample B2 was polished by CP polishing to form a polished cross section, and the microstructure of the polished cross section was observed with a scanning electron microscope (SEM) at an acceleration voltage of 10 to 20 kV. An SEM image of the polished cross-sectional microstructure of the composite material sample B2 thus obtained is shown in FIG.
例B4:気孔率の測定
膜試料B2について、画像処理を用いた手法により、膜の表面の気孔率を測定した。この気孔率の測定は、1)表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM−6610LV、JEOL社製)を用いて10〜20kVの加速電圧で観察して膜の表面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得し、2)Photoshop(Adobe社製)等の画像解析ソフトを用いてグレースケールのSEM画像を読み込み、3)[イメージ]→[色調補正]→[2階調化]の手順で白黒の2値画像を作成し、4)黒い部分が占めるピクセル数を画像の全ピクセル数で割った値を気孔率(%)とすることにより行った。この気孔率の測定は膜試料表面の6μm×6μmの領域について行われた。その結果、膜の表面の気孔率は19.0%であった。また、この膜表面の気孔率を用いて、膜表面から見たときの密度D(以下、表面膜密度という)をD=100%−(膜表面の気孔率)により算出したところ、81.0%であった。
Example B4 : Measurement of porosity The porosity of the surface of the membrane of the membrane sample B2 was measured by a technique using image processing. The porosity is measured by 1) observing the surface microstructure using a scanning electron microscope (SEM, JSM-6610LV, manufactured by JEOL) at an acceleration voltage of 10 to 20 kV, and an electron microscope (SEM) on the surface of the film. An image (magnification of 10,000 times or more) is acquired, 2) a grayscale SEM image is read using image analysis software such as Photoshop (manufactured by Adobe), and 3) [image] → [tone correction] → [2 gradations] A black and white binary image was created by the procedure of 4), and 4) the value obtained by dividing the number of pixels occupied by the black portion by the total number of pixels of the image was taken as the porosity (%). This porosity measurement was performed on a 6 μm × 6 μm region of the membrane sample surface. As a result, the porosity of the film surface was 19.0%. Further, using the porosity of the film surface, the density D when viewed from the film surface (hereinafter referred to as the surface film density) was calculated by D = 100% − (porosity of the film surface). %Met.
また、膜試料B2について、研磨断面の気孔率についても測定した。この研磨断面の気孔率についても測定は、例B3に示される手順に従い膜の厚み方向における断面研磨面の電子顕微鏡(SEM)画像(倍率10000倍以上)を取得したこと以外は、上述の膜表面の気孔率と同様にして行った。この気孔率の測定は膜試料断面の膜部分について行われた。こうして膜試料B2の断面研磨面から算出した気孔率は平均で3.5%(3箇所の断面研磨面の平均値)であり、多孔質基材上でありながら非常に高密度な膜が形成されていることが確認された。 Further, the porosity of the polished cross section of the film sample B2 was also measured. The porosity of this polished cross section is also measured by the above-described film surface except that an electron microscope (SEM) image (magnification of 10,000 times or more) of the cross-section polished surface in the thickness direction of the film was obtained according to the procedure shown in Example B3. This was carried out in the same manner as the porosity. This porosity measurement was performed on the membrane portion of the membrane sample cross section. Thus, the porosity calculated from the cross-sectional polished surface of the film sample B2 is 3.5% on average (average value of the three cross-sectional polished surfaces), and a very high-density film is formed on the porous substrate. It has been confirmed.
例B5:緻密性判定試験(参考)
膜試料B1〜B5が透水性を有しない程の緻密性を有することを確認すべく、緻密性判定試験を以下のとおり行った。まず、図9Aに示されるように、例B1において得られた複合材料試料120(1cm×1cm平方に切り出されたもの)の膜試料側に、中央に0.5cm×0.5cm平方の開口部22aを備えたシリコンゴム122を接着し、得られた積層物を2つのアクリル製容器124,126で挟んで接着した。シリコンゴム122側に配置されるアクリル製容器124は底が抜けており、それによりシリコンゴム122はその開口部122aが開放された状態でアクリル製容器124と接着される。一方、複合材料試料120の多孔質基材側に配置されるアクリル製容器126は底を有しており、その容器126内にはイオン交換水128が入っている。すなわち、組み立て後に上下逆さにすることで、複合材料試料120の多孔質基材側にイオン交換水128が接するように各構成部材が配置されてなる。これらの構成部材等を組み立て後、総重量を測定した。図9Bに示されるように組み立て体を上下逆さに配置して25℃で1週間保持した後、総重量を再度測定した。このとき、アクリル製容器124の内側側面に水滴が付着している場合には、その水滴を拭き取った。そして、試験前後の総重量の差を算出することにより緻密度を判定した。その結果、25℃で1週間保持した後においても、イオン交換水の重量に変化は見られなかった。このことから、膜試料B1〜B5(すなわち機能膜)はいずれも透水性を有しない程に高い緻密性を有することが確認された。
Example B5 : Denseness determination test (reference)
In order to confirm that the membrane samples B1 to B5 have a denseness that does not have water permeability, a denseness determination test was performed as follows. First, as shown in FIG. 9A, an opening of 0.5 cm × 0.5 cm square is formed in the center on the film sample side of the composite material sample 120 (cut out to 1 cm × 1 cm square) obtained in Example B1. Silicone rubber 122 provided with 22a was bonded, and the resulting laminate was bonded between two acrylic containers 124 and 126. The bottom of the acrylic container 124 disposed on the silicon rubber 122 side is pulled out, whereby the silicon rubber 122 is bonded to the acrylic container 124 with the opening 122a open. On the other hand, the acrylic container 126 disposed on the porous substrate side of the composite material sample 120 has a bottom, and ion-exchanged water 128 is contained in the container 126. That is, by assembling the components upside down after assembly, the constituent members are arranged so that the ion exchange water 128 is in contact with the porous substrate side of the composite material sample 120. After assembling these components, the total weight was measured. As shown in FIG. 9B, the assembly was placed upside down and held at 25 ° C. for 1 week, after which the total weight was measured again. At this time, when water droplets were attached to the inner side surface of the acrylic container 124, the water droplets were wiped off. Then, the density was determined by calculating the difference in the total weight before and after the test. As a result, no change was observed in the weight of ion-exchanged water even after holding at 25 ° C. for 1 week. From this, it was confirmed that all of the membrane samples B1 to B5 (that is, the functional membrane) have high density so as not to have water permeability.
10 Zn透過測定装置
12 試料ホルダ
14 第一槽
16 第二槽
18 第一の水溶液
20 第二の水溶液
22 緻密膜
24 多孔質基材
26 接着剤
28 治具
30a,30b 密封部材
32a,32b フランジ
34 締結手段
40 He透過度測定系
42 圧力計
44 流量計
46 試料ホルダ
46a ガス供給口
46b 密閉空間
46c ガス排出口
48 緻密膜
50 多孔質基材
52 接着剤
54 治具
56a,56b 密封部材
58a,58b 支持部材
60 締結手段
62 継手
64 ガス供給管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Zn transmission measuring device 12 Sample holder 14 1st tank 16 2nd tank 18 1st aqueous solution 20 2nd aqueous solution 22 Dense film 24 Porous base material 26 Adhesive 28 Jig 30a, 30b Sealing member 32a, 32b Flange 34 Fastening means 40 He permeability measurement system 42 Pressure gauge 44 Flow meter 46 Sample holder 46a Gas supply port 46b Sealed space 46c Gas discharge port 48 Dense membrane 50 Porous base material 52 Adhesive 54 Jig 56a, 56b Sealing member 58a, 58b Support member 60 Fastening means 62 Joint 64 Gas supply pipe
Claims (18)
水酸化物イオン伝導緻密膜の一方の面にZnを含有する第一の水溶液を接触させ、かつ、前記緻密膜の他方の面にZnを含有しない第二の水溶液又は水を接触させて、前記緻密膜にZnを所定時間透過させる工程と、
Zn透過開始前の第一の水溶液のZn濃度C1、Zn透過開始前の第一の水溶液の液量V1、Zn透過終了後の第二の水溶液又は水のZn濃度C2、Zn透過終了後の第二の水溶液又は水の液量V2、Znの透過時間t、及びZnが透過する膜面積Sを用いて、(C2×V2)/(C1×V1×t×S)の式によりZn透過割合を算出し、該Zn透過割合に基づいて前記緻密膜の緻密性を評価する工程と、
を含む、方法。 A method for evaluating the denseness of a hydroxide ion conductive dense membrane,
A first aqueous solution containing Zn is brought into contact with one surface of the hydroxide ion conductive dense membrane, and a second aqueous solution not containing Zn or water is brought into contact with the other surface of the dense membrane, Passing Zn through the dense film for a predetermined time;
Zn concentration C 1 of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, liquid volume V 1 of the first aqueous solution before the start of Zn permeation, Zn concentration C 2 of the second aqueous solution or water after the end of Zn permeation, the end of the Zn permeation Using the second aqueous solution or water volume V 2 , Zn permeation time t, and film area S through which Zn permeates, (C 2 × V 2 ) / (C 1 × V 1 × t × S ) To calculate the Zn permeation ratio, and evaluating the denseness of the dense film based on the Zn permeation ratio,
Including a method.
前記緻密膜を前記測定装置内に保持する試料ホルダと、
前記試料ホルダの一方の側に設けられ、前記第一の水溶液を前記緻密膜の前記一方の面に接触可能に収容する第一槽と、
前記試料ホルダの他方の側に設けられ、前記第二の水溶液を前記緻密膜の前記他方の面に接触可能に収容する第二槽と、
を備えてなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。 The method further includes the step of holding the dense film in a measuring device prior to the permeation of Zn, the measuring device comprising:
A sample holder for holding the dense film in the measuring device;
A first tank that is provided on one side of the sample holder and accommodates the first aqueous solution so as to be in contact with the one surface of the dense film;
A second tank that is provided on the other side of the sample holder and accommodates the second aqueous solution in contact with the other surface of the dense membrane;
The method according to claim 1, comprising:
The method according to any one of claims 14 to 17, wherein a surface of the porous substrate has a porosity of 10 to 60%.
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