JP2016193815A - Oxygen excess type metal oxide and production method therefor, and oxygen concentration apparatus and oxygen adsorption and desorption apparatus - Google Patents

Oxygen excess type metal oxide and production method therefor, and oxygen concentration apparatus and oxygen adsorption and desorption apparatus Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide novel oxygen excess type metal oxide excellent in oxygen adsorption and desorption speed and having suppressed reduction of oxygen adsorbed amount caused by repeated use, a production method therefor or the like.SOLUTION: There is provided oxygen excess type metal oxide which is represented by a formula (1) and in which peak strength of 103 of a hexagonal structure is smaller than peak strength of 110 and half value width of peak of 103 (FWHM) is 0.3° or more when measured by an X-ray powder diffraction method. ADEGO(1), where A is a trivalent rare earth element or Ca, D is one or more kind selected from alkali earth metal elements, E and G are each independently one or more kind selected from oxygen tetracoordination element and at least one kind is a transition metal element, j>0, k>0, each independently m≥0, n≥0, j+k+m+n=6 and 0<δ≤1.5.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、酸素過剰型金属酸化物及びその製造方法、並びに、酸素濃縮装置及び酸素吸脱着装置に関する。   The present invention relates to an oxygen-excess metal oxide, a method for producing the same, an oxygen concentrator, and an oxygen adsorption / desorption device.

従来から、燃料電池や排ガス浄化装置の三元触媒など幅広い技術分野において、温度変化により酸素の吸脱着を行うことができる材料の開発が求められている。このような材料としては、ZrO−CeO(CZ)、Bi11(BIMEVOX)、YBaCu6+δ(Y−123)等の金属酸化物(セラミックス材料)が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a wide range of technical fields such as fuel cells and three-way catalysts for exhaust gas purification apparatuses, development of materials capable of adsorbing and desorbing oxygen by changing temperature has been demanded. As such a material, metal oxides (ceramic materials) such as ZrO 2 —CeO 2 (CZ), Bi 4 V 2 O 11 (BIMEVOX), YBa 2 Cu 3 O 6 + δ (Y-123) are known. Yes.

このような金属酸化物として、本発明者らは、酸素不定比性(不定比量:δ)を持つ酸素過剰型金属酸化物を新たに開発し、既に報告している。すなわち、YBaCo4 7+δ等の一般式A7+δで表される酸素過剰型金属酸化物が、500℃以下の低温域、特に200〜400℃で多量の酸素を急速に吸収し、温度が上がると酸素を放出するという、顕著な熱重量変化特性を備えることを見出し、これが高性能酸素貯蔵用又は酸素選択膜用のセラミックスとして適した性能を有することを報告している(特許文献1参照。)。また、この酸素過剰型金属酸化物は、酸素の吸脱着時に相変化を生じさせていることが報告されている(非特許文献1参照。)。 As such a metal oxide, the present inventors have newly developed and already reported an oxygen-excess type metal oxide having oxygen nonstoichiometry (nonstoichiometric amount: δ). That is, the oxygen-excess metal oxide represented by the general formula of such YBaCo 4 O 7 + δ A j B k C m D n O 7 + δ is, the low temperature region below 500 ℃, a large amount of oxygen, especially 200 to 400 ° C. It has been found that it has a remarkable thermogravimetric change property of absorbing oxygen rapidly and releasing oxygen when the temperature rises, and reports that it has performance suitable as a ceramic for high performance oxygen storage or oxygen selective membranes (See Patent Document 1). Further, it has been reported that this oxygen-excess metal oxide causes a phase change at the time of oxygen adsorption / desorption (see Non-Patent Document 1).

国際公開第2007/004684号International Publication No. 2007/004684

O. Chmaissem et al., J. Solid State Chem. 181, 664 (2008)O. Chmaissem et al., J. Solid State Chem. 181, 664 (2008)

本発明者らは、さらなる検討を進め、上記の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着能力のさらなる向上を模索した。そして、酸素吸脱着能力のうち酸素吸脱着速度に改善余地があること、また、吸着量が飽和に至らない短時間での酸素吸脱着を繰り返した場合に、その繰り返しサイクル内で酸素吸着量が低減する課題が有ることを見出した。   The present inventors have further studied and sought to further improve the oxygen adsorption / desorption ability of the oxygen-excess metal oxide. In addition, there is room for improvement in the oxygen adsorption / desorption rate in the oxygen adsorption / desorption capacity, and when oxygen adsorption / desorption is repeated in a short time when the adsorption amount does not reach saturation, the oxygen adsorption amount is reduced within the repetition cycle. We found that there are challenges to reduce.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。すなわち本発明は、酸素吸脱着速度に優れ、繰り返し使用による酸素吸着量の低減が抑制された、新規な酸素過剰型金属酸化物及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、上記の酸素過剰型金属酸化物を用いた、新規な酸素濃縮装置及び酸素吸脱着装置等を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a novel oxygen-excess metal oxide and a method for producing the same, which have an excellent oxygen adsorption / desorption rate and suppress a reduction in the amount of oxygen adsorbed by repeated use. Another object of the present invention is to provide a novel oxygen concentrating device, oxygen adsorbing / desorbing device and the like using the oxygen-excess metal oxide.

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討した。その結果、上述した一般式A7+δで表される従来の酸素過剰型金属酸化物と同様のストイキオメトリを有しながらも、従来よりも酸素脱吸着の裕度(Tolerance)に優れる結晶構造を有する酸素過剰型金属酸化物の合成に成功し、この酸素過剰型金属酸化物を用いることで上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。 The present inventors diligently studied to solve the above problems. Tolerance Consequently, while having the same stoichiometry as the conventional oxygen-excess type metal oxide represented by the general formula A j B k C m D n O 7 + δ described above, the oxygen desorption than conventional The present inventors have succeeded in synthesizing an oxygen-excess type metal oxide having a crystal structure excellent in (Tolerance), and found that the above problem can be solved by using this oxygen-excess type metal oxide, and have reached the present invention.

すなわち、本発明は、以下(1)〜(21)に示す具体的態様を提供する。
(1)下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを少なくとも有し、粉末X線回折測定において、六方晶構造の103のピーク強度が110のピーク強度より小さく、且つ、103のピークの半値幅(FWHM)が0.3°以上である、
酸素過剰型金属酸化物。
That is, the present invention provides specific embodiments shown in the following (1) to (21).
(1) The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ (1)
(Where
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca,
D is one or more selected from alkaline earth metal elements,
E and G are each independently one or more selected from oxygen tetracoordinate elements, and at least one is a transition metal element,
j> 0, k> 0, and independently m ≧ 0 and n ≧ 0, provided that j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )
In the powder X-ray diffraction measurement, the peak intensity of 103 of the hexagonal crystal structure is smaller than the peak intensity of 110, and the half width (FWHM) of the peak of 103 is 0.3. ° or more,
Oxygen-rich metal oxide.

(2)350℃1気圧の窒素中に静置し重量変化を生じなくなった時点の重量を基準重量とし、次いで350℃1気圧の酸素中に静置し重量変化が起こらなくなるまで酸素吸収させた後、雰囲気ガスを350℃1気圧の窒素に切り替えたとき、前記基準重量より1.5wt%重い状態から前記基準重量より0.5wt%重い状態まで減少するまでの酸素放出速度が0.5wt%/分以上である、上記(1)に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(3)前記一般式(1)中のAがYを含む、上記(1)又は(2)に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(4)前記一般式(1)中のDがBaを含む、上記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(5)前記一般式(1)中のEがCoを含む、上記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(2) Standing in nitrogen at 350 ° C. and 1 atm. The weight when no change in weight occurred was taken as the reference weight, then standing in oxygen at 350 ° C. and 1 atm to absorb oxygen until no change in weight occurred. Thereafter, when the atmospheric gas is switched to nitrogen at 350 ° C. and 1 atm, the oxygen release rate until the oxygen gas decreases from 1.5 wt% heavier than the reference weight to 0.5 wt% heavier than the reference weight is 0.5 wt%. The oxygen-excess metal oxide according to (1) above, which is at least / min.
(3) The oxygen-excess metal oxide according to the above (1) or (2), wherein A in the general formula (1) contains Y.
(4) The oxygen-excess type metal oxide according to any one of (1) to (3), wherein D in the general formula (1) contains Ba.
(5) The oxygen-excess metal oxide according to any one of (1) to (4), wherein E in the general formula (1) contains Co.

(6)粉末X線回折測定において、下記(a)〜(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
前記(b)ピーク強度が前記(a)のピーク強度より小さく、前記(a)の半値幅が前記(b)の半値幅の1/2以下であり、且つ、前記(b)の半値幅が0.3°以上である、
上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(6) In the powder X-ray diffraction measurement, it has a LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure characterized by a diffraction pattern having all of the following (a) to (d):
(A) 110 peak (b) 103 peak (c) 112 peak (d) 201 peak (b) The peak intensity is smaller than the peak intensity of (a), and the half width of (a) is It is 1/2 or less of the half value width of (b), and the half value width of (b) is 0.3 ° or more.
The oxygen-excess type metal oxide according to any one of (1) to (5) above.

(7)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用いた、酸素吸脱着装置。
(8)350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる、上記(7)に記載の酸素吸脱着装置。
(9)200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる、
上記(7)に記載の酸素吸脱着装置。
(10)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する、酸素濃縮装置。
(11)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する、酸素濃縮装置。
(7) An oxygen adsorption / desorption device using the oxygen-excess metal oxide according to any one of (1) to (6) above.
(8) The oxygen adsorption / desorption device according to (7), wherein oxygen is adsorbed to the oxygen-excess metal oxide at less than 350 ° C., and oxygen is released from the oxygen-excess metal oxide at 350 ° C. or more.
(9) At 200 ° C. or more and 400 ° C. or less, oxygen is adsorbed to the oxygen-excess type metal oxide in the presence of oxygen, and oxygen is absorbed from the oxygen-excess type metal oxide at a pressure lower than the oxygen adsorption. Release
The oxygen adsorption / desorption device according to (7) above.
(10) Using the oxygen-excess type metal oxide according to any one of (1) to (6) above, oxygen is adsorbed to the oxygen-excess type metal oxide at less than 350 ° C., and at 350 ° C. or more An oxygen concentrator that concentrates oxygen by releasing oxygen from an oxygen-excess metal oxide.
(11) Using the oxygen-excess metal oxide according to any one of (1) to (6) above, oxygen is added to the oxygen-excess metal oxide in the presence of oxygen at 200 ° C. or more and 400 ° C. or less. An oxygen concentrator for concentrating oxygen by adsorbing and releasing oxygen from the oxygen-excess metal oxide under a pressure lower than that during oxygen adsorption.

(12)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素を貯蔵、分離及び/又は濃縮することを特徴とする、酸素貯蔵・分離・濃縮装置。
(13)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、貯蔵した酸素を用いて酸化反応を行うことを特徴とする、酸化反応装置。
(14)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する温熱を用いて加熱を行うことを特徴とする、加熱装置。
(15)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する冷熱を用いて冷却を行うことを特徴とする、冷却装置。
(16)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する温熱及び/又は冷熱を用いて熱交換を行うことを特徴とする、熱交換装置。
(12) Oxygen storage / separation / concentration comprising the oxygen-excess metal oxide according to any one of (1) to (6) above, wherein oxygen is stored, separated and / or concentrated. apparatus.
(13) An oxidation reaction apparatus comprising the oxygen-excess metal oxide according to any one of (1) to (6) above, and performing an oxidation reaction using stored oxygen.
(14) The oxygen-rich metal oxide according to any one of (1) to (6) above, which is heated using heat generated by storage, separation and / or concentration of oxygen. And a heating device.
(15) The apparatus includes the oxygen-excess metal oxide according to any one of (1) to (6) above, and cooling is performed using cold heat generated by oxygen storage, separation, and / or concentration. And a cooling device.
(16) The oxygen-excess type metal oxide according to any one of (1) to (6) above, and heat exchange using hot and / or cold generated by oxygen storage, separation and / or concentration A heat exchange device characterized in that

(17)酸素含有量が大気中より低い低酸素雰囲気下、700℃以上、950℃未満で酸素過剰型金属酸化物の前駆体を焼成することを特徴とする、
下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを少なくとも有する酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
(17) The oxygen-excess metal oxide precursor is calcined at 700 ° C. or higher and lower than 950 ° C. in a low oxygen atmosphere having an oxygen content lower than that in the atmosphere.
The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ (1)
(Where
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca,
D is one or more selected from alkaline earth metal elements,
E and G are each independently one or more selected from oxygen tetracoordinate elements, and at least one is a transition metal element,
j> 0, k> 0, and independently m ≧ 0 and n ≧ 0, provided that j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )
The manufacturing method of the oxygen excess type metal oxide which has at least stoichiometry represented by these.

(18)前記一般式(1)で表されるストイキオメトリを少なくとも有する酸素過剰型金属酸化物は、粉末X線回折測定において、六方晶構造の103のピーク強度が110のピーク強度より小さく、且つ、103のピークの半値幅が0.3°以上である、上記(17)に記載の酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
(19)前記一般式(1)で表されるストイキオメトリを少なくとも有する酸素過剰型金属酸化物は、粉末X線回折測定において、下記(a)〜(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
前記(b)ピーク強度が前記(a)のピーク強度より小さく、前記(a)の半値幅が前記(b)の半値幅の1/2以下であり、且つ、前記(b)の半値幅が0.3°以上である、
上記(17)又は(18)に記載の酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
(18) The oxygen-excess type metal oxide having at least stoichiometry represented by the general formula (1) has a peak intensity of 103 having a hexagonal structure smaller than a peak intensity of 110 in powder X-ray diffraction measurement, And the manufacturing method of the oxygen excess type metal oxide as described in said (17) whose half width of the peak of 103 is 0.3 degree or more.
(19) The oxygen-excess metal oxide having at least stoichiometry represented by the general formula (1) is characterized by a diffraction pattern having all of the following (a) to (d) in powder X-ray diffraction measurement. Having a LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure attached;
(A) 110 peak (b) 103 peak (c) 112 peak (d) 201 peak (b) The peak intensity is smaller than the peak intensity of (a), and the half width of (a) is It is 1/2 or less of the half value width of (b), and the half value width of (b) is 0.3 ° or more.
The method for producing an oxygen-excess metal oxide according to the above (17) or (18).

(20)酸素含有量が5体積%以下の雰囲気下で焼成する、上記(17)〜(19)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
(21)前記一般式(1)で表されるストイキオメトリに対応する有効モル比で、前記A、D、E及びGの酸化物、炭酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、硝酸塩及び/又はこれらの水和物を少なくとも含む前駆体から作製する、上記(17)〜(20)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
(20) The method for producing an oxygen-excess metal oxide according to any one of (17) to (19), wherein the firing is performed in an atmosphere having an oxygen content of 5% by volume or less.
(21) In an effective molar ratio corresponding to stoichiometry represented by the general formula (1), the oxides, carbonates, acetates, citrates, nitrates, and / or the A, D, E and G The method for producing an oxygen-excess metal oxide according to any one of the above (17) to (20), which is prepared from a precursor containing at least these hydrates.

また、本発明は、以下(22)〜(24)に示す態様としても定義可能である。
(22)Y、Ba及びCoを少なくとも0.8〜1.2:0.8〜1.2:3.2〜4.8の化学量論比で含有し、
粉末X線回折測定において、下記(a)〜(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
前記(b)ピーク強度が前記(a)のピーク強度より小さく、前記(a)の半値幅が前記(b)の半値幅の1/2以下であり、且つ、前記(b)の半値幅が0.3°以上である、
酸素過剰型金属酸化物。
Moreover, this invention can be defined also as an aspect shown to the following (22)-(24).
(22) containing Y, Ba and Co in a stoichiometric ratio of at least 0.8 to 1.2: 0.8 to 1.2: 3.2 to 4.8,
In powder X-ray diffraction measurement, it has a LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure characterized by a diffraction pattern having all of the following (a) to (d):
(A) 110 peak (b) 103 peak (c) 112 peak (d) 201 peak (b) The peak intensity is smaller than the peak intensity of (a), and the half width of (a) is It is 1/2 or less of the half value width of (b), and the half value width of (b) is 0.3 ° or more.
Oxygen-rich metal oxide.

(23)350℃1気圧の窒素中に静置し重量変化を生じなくなった時点の重量を基準重量とし、次いで350℃1気圧の酸素中に静置し重量変化が起こらなくなるまで酸素吸収させた後、雰囲気ガスを350℃1気圧の窒素に切り替えたとき、前記基準重量より1.5wt%重い状態から前記基準重量より0.5wt%重い状態まで減少するまでの酸素放出速度が0.5wt%/分以上である、上記(22)に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(24)下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを少なくとも有する、上記(22)又は(23)に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(23) Standing in nitrogen at 350 ° C. and 1 atm. The weight when no change in weight was taken as the reference weight, and then standing in oxygen at 350 ° C. and 1 atm to absorb oxygen until no change in weight occurred. Thereafter, when the atmospheric gas is switched to nitrogen at 350 ° C. and 1 atm, the oxygen release rate until the oxygen gas decreases from 1.5 wt% heavier than the reference weight to 0.5 wt% heavier than the reference weight is 0.5 wt%. The oxygen-excess metal oxide according to (22), which is at least / min.
(24) The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ (1)
(Where
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca,
D is one or more selected from alkaline earth metal elements,
E and G are each independently one or more selected from oxygen tetracoordinate elements, and at least one is a transition metal element,
j> 0, k> 0, and independently m ≧ 0 and n ≧ 0, provided that j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )
The oxygen-excess metal oxide according to (22) or (23), which has at least stoichiometry represented by:

本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物は、500℃以下の温度範囲で温度または酸素分圧を上下動させると、低温度領域で異常な熱重量変化を示す。本発明者らの知見によれば、その異常な熱重量変化は、上述した酸素不定比性(不定比量:δ)の変化によるものであることが解明された。すなわち、本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物は、典型的には、350℃未満で急速に多量の酸素を吸着し、350〜400℃程度の高温度領域で急速に多量の酸素を放出する。また、200℃以上400℃以下において、酸素存在下で多量の酸素を吸着し、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下では急速に多量の酸素を放出する。   When the temperature or oxygen partial pressure is moved up and down in the temperature range of 500 ° C. or lower, the oxygen-excess metal oxide of each of the above aspects of the present invention exhibits an abnormal thermogravimetric change in the low temperature region. According to the knowledge of the present inventors, it has been clarified that the abnormal thermogravimetric change is caused by the change in the oxygen non-stoichiometry (unstoichiometric amount: δ) described above. That is, the oxygen-excess metal oxide of each of the above aspects of the present invention typically adsorbs a large amount of oxygen rapidly at less than 350 ° C., and rapidly absorbs a large amount of oxygen in a high temperature region of about 350 to 400 ° C. Release. Further, a large amount of oxygen is adsorbed in the presence of oxygen at 200 ° C. or more and 400 ° C. or less, and a large amount of oxygen is rapidly released under a pressure lower than the oxygen adsorption.

しかも驚くべきことに、本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物は、従来知られている上記の酸素過剰型金属酸化物と比較して、酸素吸脱着速度が非常に高く、その上さらに、酸素吸脱着を繰り返し行っても繰り返しサイクル内での酸素吸着量の低下が抑制されているという優れた特性を有していることが見出された。   Moreover, surprisingly, the oxygen-excess metal oxide of each of the above aspects of the present invention has a very high oxygen adsorption / desorption rate as compared with the conventional oxygen-excess metal oxide, Furthermore, it has been found that even when the oxygen adsorption / desorption is repeated, the oxygen adsorption amount in the repeated cycle is suppressed from being lowered.

すなわち、本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物は、従来知られている上記一般式A7+δで表される酸素過剰型金属酸化物と同様に上記一般式(1)で表されるストイキオメトリを少なくとも有することに加えて、六方晶LuBa(Zn,Al)型の結晶構造の特徴的なピークのうち、六方晶構造の103のピーク強度が110のピーク強度より小さく、且つ、103のピークの半値幅(FWHM)が0.3°以上であることに一つの特徴がある。なお、本明細書において、ピーク強度とは回折線の極大値を意味する。また、ピークの半値幅とはFWHM(Full Width at Half Maximum)、すなわち半値全幅を意味する。
従来知られた典型的な六方晶LuBa(Zn,Al)型の結晶構造は、103のピークがシャープで半値幅が狭いものであった。ブロードでピーク高さの低いピークを備える回折パターンは、一見すると、結晶中の欠陥が多く、結晶の一次粒子の成長が十分でないとの評価が与えられ得る。しかしながら、これらの酸素の吸脱着性能を測定したところ、ブロードでピーク高さの低いピークを有する回折パターンを備えるものは、そうでない従来のものと比べて、酸素の最大吸着能力こそ劣るものの、酸素吸脱着速度が速く、繰り返し吸脱着を短時間で繰り返すことによる単位時間内での最大酸素吸着能力の低下も見られず、実用上重要となる単位時間内での酸素の取出し能力に優れ、今まで知られていた酸素中、高温で焼成して得られる、XRDピークがシャープな結晶構造を有するものよりもむしろ酸素脱吸着に適したものであることが、本発明者らの知見により見出された。
その理由は定かではないが、本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物においては、結晶の規則性が適度に緩和されており、結晶内に酸化物イオンが高速で移動するための拡散パスが十分に確保され、酸素吸脱着の自由度が高められた結果、酸素吸脱着速度が非常に高くなっているものと推察される。また、本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物においては、前述の非特許文献に記載されているように酸素脱吸着時に相変化が生じるが、驚くべきことに今回の見出した新規な構造は、相変化後に酸素を脱着させても、従来よく知られた他の結晶構造に戻ることなく、相変化前の結晶構造が維持されることが確認されている。これらのことから、XRDの特定のピークがブロードになる構造は、従来知られていた構造とは異なる新しい構造であり、単に十分な結晶構造が発達していない、結晶欠陥が多く一次粒子の成長が悪いというだけのものではない。そして、かかる結晶構造の維持が、酸素吸脱着を繰り返し行った際の繰り返しサイクル内での酸素吸着量の低下の抑制につながっているものと推察される。但し、作用は、これらに限定されない。
That is, the oxygen-excess metal oxide of each aspect of the present invention is the same as the oxygen-excess metal oxide represented by the general formula A j B k C m D n O 7 + δ that has been conventionally known. In addition to having at least stoichiometry represented by the formula (1), among the characteristic peaks of the hexagonal LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure, the peak intensity of 103 of the hexagonal crystal structure One characteristic is that is smaller than the peak intensity of 110 and the half width (FWHM) of the peak of 103 is 0.3 ° or more. In the present specification, the peak intensity means the maximum value of the diffraction line. Further, the half width of the peak FWHM (F ull W idth at H alf M aximum), i.e. means full width at half maximum.
The typical hexagonal LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure known so far has a sharp peak 103 and a narrow half-value width. At first glance, a diffraction pattern having a broad peak with a low peak height can be evaluated as having many defects in the crystal and insufficient growth of the primary particles of the crystal. However, when the adsorption / desorption performance of these oxygens was measured, those having a diffraction pattern having a broad peak with a low peak height were inferior in oxygen maximum adsorption capacity compared to conventional ones, but oxygen The adsorption / desorption speed is fast, and repeated repeated adsorption / desorption in a short time does not reduce the maximum oxygen adsorption capacity within the unit time. From the knowledge of the present inventors, it was found that the XRD peak obtained by baking at a high temperature in oxygen known to be suitable for oxygen desorption rather than having a sharp crystal structure. It was done.
The reason for this is not clear, but in the oxygen-excess type metal oxide of each of the above aspects of the present invention, the regularity of the crystal is moderately relaxed, and the diffusion for the oxide ion to move at high speed in the crystal It is presumed that the oxygen adsorption / desorption rate is very high as a result of sufficiently securing the path and increasing the degree of freedom of oxygen adsorption / desorption. Further, in the oxygen-excess type metal oxide of each of the above aspects of the present invention, a phase change occurs during oxygen desorption as described in the aforementioned non-patent document. It has been confirmed that even when oxygen is desorbed after the phase change, the crystal structure before the phase change is maintained without returning to another well-known crystal structure. From these facts, the structure in which a specific peak of XRD becomes broad is a new structure that is different from the structure known heretofore, and has not developed a sufficient crystal structure. Is not just bad. And it is guessed that maintenance of this crystal structure leads to suppression of the fall of the oxygen adsorption amount in the repetition cycle at the time of repeating oxygen adsorption-desorption. However, the action is not limited to these.

一方、本発明の各態様の酸素過剰型金属酸化物の製造方法は、上述した本発明の各態様の酸素過剰型金属酸化物を有効に得ることができる製造方法であって、酸素含有量が大気中より低い低酸素雰囲気下、700℃以上、950℃未満で焼成するプロセスを備える。従来においては、結晶欠陥等を少なくする観点から、大気中で1100℃程度の高温処理が行われていた。これに対し、本発明の製造方法は、従来に比して酸素分圧が低く且つ処理温度が低い条件下で焼成を行うことで、従来とは異なる上述した特徴を有する酸素過剰型金属酸化物を再現性よく得るものである。   On the other hand, the method for producing an oxygen-excess type metal oxide of each aspect of the present invention is a production method capable of effectively obtaining the oxygen-excess type metal oxide of each aspect of the present invention described above, wherein the oxygen content is A process of baking at 700 ° C. or higher and lower than 950 ° C. in a low oxygen atmosphere lower than the atmosphere is provided. Conventionally, high temperature treatment at about 1100 ° C. has been performed in the atmosphere from the viewpoint of reducing crystal defects and the like. On the other hand, the production method of the present invention performs the firing under the condition where the oxygen partial pressure is lower and the processing temperature is lower than in the conventional method, so that the oxygen-excess type metal oxide having the above-described characteristics different from the conventional one is obtained. Can be obtained with good reproducibility.

本発明によれば、改善された酸素吸脱着性能を有する新規な酸素過剰型金属酸化物を提供することができる。より具体的には、酸素吸脱着量に優れるのみならず、酸素吸脱着速度が高く、その上、繰り返し使用時の性能劣化が抑制された酸素過剰型金属酸化物を提供することができるので、酸素貯蔵用又は酸素選択用の実用的なセラミックス材料が実現される。また、本発明によれば、かかる新規な酸素過剰型金属酸化物を再現性よく簡便に得ることのできる実用的な製造方法を提供することができる。そして、本発明の酸素過剰型金属酸化物を用いることで、実用性能に優れる酸素濃縮装置及び酸素吸脱着装置等を提供することができる。   According to the present invention, a novel oxygen-excess metal oxide having improved oxygen adsorption / desorption performance can be provided. More specifically, not only is the oxygen adsorption / desorption amount excellent, but also the oxygen adsorption / desorption rate is high, and moreover, it is possible to provide an oxygen-excess type metal oxide in which performance deterioration during repeated use is suppressed. A practical ceramic material for oxygen storage or oxygen selection is realized. Moreover, according to this invention, the practical manufacturing method which can obtain this novel oxygen excess type metal oxide simply with sufficient reproducibility can be provided. By using the oxygen-excess metal oxide of the present invention, an oxygen concentrator, an oxygen adsorption / desorption device, and the like excellent in practical performance can be provided.

実施例1〜3及び比較例1の酸素過剰型金属酸化物の粉末X線回折測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the powder X-ray-diffraction measurement of Examples 1-3 and the oxygen excess type metal oxide of the comparative example 1. 比較例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着及び酸素脱着の挙動を示す図である。It is a figure which shows the oxygen adsorption | suction and oxygen desorption behavior of the oxygen excess type metal oxide of the comparative example 1. 実施例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着及び酸素脱着の挙動を示す図である。It is a figure which shows the oxygen adsorption | suction and oxygen desorption behavior of the oxygen excess type metal oxide of Example 1. 実施例2の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着及び酸素脱着の挙動を示す図である。It is a figure which shows the oxygen adsorption | suction and oxygen desorption behavior of the oxygen excess type metal oxide of Example 2. 実施例3の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着及び酸素脱着の挙動を示す図である。It is a figure which shows the oxygen adsorption | suction and oxygen desorption behavior of the oxygen excess type metal oxide of Example 3. 比較例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着量及び酸素吸脱着速度を示す図である。It is a figure which shows the oxygen adsorption amount and oxygen adsorption-desorption rate of the oxygen excess type metal oxide of the comparative example 1. 実施例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着量及び酸素吸脱着速度を示す図である。It is a figure which shows the oxygen adsorption amount and oxygen adsorption / desorption rate of the oxygen excess type metal oxide of Example 1. 実施例2の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着量及び酸素吸脱着速度を示す図である。It is a figure which shows the oxygen adsorption amount and oxygen adsorption-desorption rate of the oxygen excess type metal oxide of Example 2. 実施例3の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着量及び酸素吸脱着速度を示す図である。It is a figure which shows the oxygen adsorption amount and oxygen adsorption-desorption rate of the oxygen excess type metal oxide of Example 3. 実施例2の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着によるX線回折パターンの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the X-ray-diffraction pattern by oxygen adsorption / desorption of the oxygen excess type metal oxide of Example 2. 比較例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着のサイクル特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the cycle characteristics of oxygen adsorption / desorption of the oxygen-excess metal oxide of Comparative Example 1. 実施例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着のサイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the cycling characteristics of the oxygen adsorption / desorption of the oxygen excess type metal oxide of Example 1. 実施例2の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着のサイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the cycling characteristics of the oxygen adsorption / desorption of the oxygen excess type metal oxide of Example 2. 実施例3の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着のサイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the cycling characteristics of the oxygen adsorption / desorption of the oxygen excess type metal oxide of Example 3.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the following embodiments are examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited thereto, and does not depart from the gist thereof. Any change can be made within the range.

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、下記一般式(1)で表されるストイキオメトリを少なくとも有するものであって、粉末X線回折測定において、六方晶構造の103のピーク強度が110のピーク強度より小さく、且つ、103のピークの半値幅(FWHM)が0.3°以上であることを特徴とする。
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
The oxygen-excess type metal oxide of this embodiment has at least stoichiometry represented by the following general formula (1). In the powder X-ray diffraction measurement, the peak intensity of 103 having a hexagonal structure is 110. The peak half-width (FWHM) of the peak of 103 is 0.3 ° or more.
A j D k E m G n O 7 + δ (1)
(Where
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca,
D is one or more selected from alkaline earth metal elements,
E and G are each independently one or more selected from oxygen tetracoordinate elements, and at least one is a transition metal element,
j> 0, k> 0, and independently m ≧ 0 and n ≧ 0, provided that j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )

ここで本明細書において、上記一般式(1)で表される「ストイキオメトリを少なくとも有する」とは、化学量論的に上記一般式(1)中に示される各元素A、D、E、G及びOを上記一般式(1)に示す割合で少なくとも含み、これらA、D、E、G及びO以外の元素(以下、単に「他の元素」ともいう。)をさらに含有していてもよいことを意味する。すなわち、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、上記一般式(1)中に示される元素以外に、不可避不純物として或いは任意の配合成分として、他の元素を含有していてもよい。   In this specification, “having at least stoichiometry” represented by the above general formula (1) means that each of the elements A, D, and E stoichiometrically represented in the above general formula (1). , G and O at a ratio shown in the above general formula (1), and further containing elements other than A, D, E, G and O (hereinafter also simply referred to as “other elements”). Means good. That is, the oxygen-excess metal oxide of the present embodiment may contain other elements as unavoidable impurities or as optional blending components in addition to the elements shown in the general formula (1).

上記一般式(1)中、Aは、3価の希土類元素及び2価のCaよりなる群から選択される1種又は2種以上である。3価の希土類元素としては、Sc、Y及び原子番号57〜71のランタノイドが挙げられ、これらの中でも、Yが好ましい。また、Aが占めるサイト(Aサイト)には複数の元素が固溶可能であるから、Aが、Y及びCaの2種であることも好ましく、さらにはAが3種以上の元素から構成されていてもよい。ここでAは、Yを50モル%以上含むことが好ましく、より好ましくは80モル%以上、さらに好ましくは90モル%以上である。なお、Yの含有割合の上限は特に限定されないが、Aは、Yを100モル%以下含むことが好ましく、より好ましくは99.9モル%以下、さらに好ましくは99.5モル%以下である。   In the general formula (1), A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and divalent Ca. Examples of the trivalent rare earth element include Sc, Y, and lanthanoids having atomic numbers of 57 to 71. Among these, Y is preferable. Further, since a plurality of elements can be dissolved in the site occupied by A (A site), it is preferable that A is two kinds of Y and Ca, and further, A is composed of three or more kinds of elements. It may be. Here, A preferably contains 50 mol% or more of Y, more preferably 80 mol% or more, and still more preferably 90 mol% or more. In addition, although the upper limit of the content rate of Y is not specifically limited, A contains Y 100 mol% or less, More preferably, it is 99.9 mol% or less, More preferably, it is 99.5 mol% or less.

上記一般式(1)中、Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上である。アルカリ土類金属元素としては、Sr、Baが挙げられる。なお、本明細書において、Caは、上記一般式(1)中のAに該当するものとし、Dに該当しないものとする。ここでDは、Ba又はSrを含むことが好ましい。また、Dが占めるサイト(Dサイト)には、複数の元素が固溶可能であるから、Dが、Ba及びSrの2種であることも好ましく、さらにはDが3種以上の元素から構成されていてもよい。ここでDは、Baを50モル%以上含むことが好ましく、より好ましくは80モル%以上、さらに好ましくは90モル%以上である。なお、Baの含有割合の上限は特に限定されないが、Dは、Baを100モル%以下含むことが好ましく、より好ましくは99.9モル%以下、さらに好ましくは99.5モル%以下である。   In the general formula (1), D is one or more selected from alkaline earth metal elements. Examples of alkaline earth metal elements include Sr and Ba. In addition, in this specification, Ca shall correspond to A in the said General formula (1), and shall not correspond to D. Here, D preferably contains Ba or Sr. Further, since a plurality of elements can be dissolved in the site occupied by D (D site), it is preferable that D is two kinds of Ba and Sr, and further, D is composed of three or more kinds of elements. May be. Here, D preferably contains 50 mol% or more of Ba, more preferably 80 mol% or more, and still more preferably 90 mol% or more. In addition, although the upper limit of the content rate of Ba is not specifically limited, It is preferable that D contains 100 mol% or less of Ba, More preferably, it is 99.9 mol% or less, More preferably, it is 99.5 mol% or less.

E及びGは、それぞれ独立して、酸素の4配位をとる元素、すなわち酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上である。本明細書中で酸素4配位元素とは、「4個の酸素原子が配位又は結合した元素」の意味であり、以下も同様である。ここで、EとGは同一の元素とはならないものとして取り扱う。酸素4配位元素は、特に限定されないが、Co、Fe、Zn、Al等が好ましい。また、E及びGのうち、少なくとも1種は遷移金属元素である。ここでEは、Coを含むことが好ましい。また、EとGの合計を基準に、Coを50モル%以上含むことが好ましく、より好ましくは75モル%以上、さらに好ましくは87.5モル%以上である。なお、Coの含有割合の上限は特に限定されないが、EとGの合計を基準に、Coを100モル%以下含むことが好ましく、より好ましくは99.9モル%以下、さらに好ましくは99.5モル%以下である。   E and G are each independently one or more elements selected from oxygen tetracoordinate elements, that is, oxygen tetracoordinate elements. In this specification, the oxygen tetracoordinate element means “an element in which four oxygen atoms are coordinated or bonded”, and the same applies to the following. Here, E and G are treated as not being the same element. The oxygen tetracoordinate element is not particularly limited, but Co, Fe, Zn, Al and the like are preferable. Further, at least one of E and G is a transition metal element. Here, E preferably contains Co. Further, based on the sum of E and G, it is preferable to contain 50 mol% or more of Co, more preferably 75 mol% or more, and still more preferably 87.5 mol% or more. The upper limit of the content ratio of Co is not particularly limited, but it is preferable to include 100 mol% or less, more preferably 99.9 mol% or less, and still more preferably 99.5 based on the total of E and G. It is less than mol%.

上記一般式(1)中、j、k、m及びnは、これらの合計を6として規格化した値である。すなわち、j+k+m+n=6としたとき、それぞれ独立して、j>0、k>0、m≧0、n≧0である。ここで、1.2>j>0.8が好ましく、より好ましくは1.1>j>0.9である。また、1.2>k>0.8が好ましく、より好ましくは1.1>k>0.9である。さらに、4.8≧m+n≧3.2が好ましく、より好ましくは4.4≧m+n≧3.6である。また、nは0であってもよく、その場合は4.8≧m≧3.2が好ましく、より好ましくは4.4≧m≧3.6である。   In the above general formula (1), j, k, m, and n are values normalized with these totals set to 6. That is, when j + k + m + n = 6, j> 0, k> 0, m ≧ 0, and n ≧ 0, respectively. Here, 1.2> j> 0.8 is preferable, and 1.1> j> 0.9 is more preferable. Further, 1.2> k> 0.8 is preferable, and 1.1> k> 0.9 is more preferable. Further, 4.8 ≧ m + n ≧ 3.2 is preferable, and 4.4 ≧ m + n ≧ 3.6 is more preferable. N may be 0, in which case 4.8 ≧ m ≧ 3.2 is preferable, and 4.4 ≧ m ≧ 3.6 is more preferable.

上記一般式(1)中、不定比量δは、0<δ≦1.5であることが好ましく、より好ましくは0<δ≦1.4、さらに好ましくは0<δ≦1.25である。   In the general formula (1), the non-stoichiometric amount δ is preferably 0 <δ ≦ 1.5, more preferably 0 <δ ≦ 1.4, and further preferably 0 <δ ≦ 1.25. .

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物の具体例としては、特に限定されないが、YBaCo7.0+δ、ScBaCo7.0+δ、YSrCo7.0+δ、ScSrCo7.0+δ等が挙げられる。さらに、M. Valldor, Solid State Sciences 6,251 (2004) の第254頁の表2及び表3に記載されている化合物、例えばLuBaCo7.0+δ、YbBaCo7.0+δ、TmBaCo7.0+δ、ErBaCo7.0+δ、HoBaCo7.0+δ、DyBaCo7.0+δや、上記例示の化合物において、BaをSrに代えたものが挙げられる。また、具体的な元素の組み合わせとして、YBaCoZnO7.0+δ、YBaCoZn7.0+δ、YBaCoZn7.0+δ、YBaCoFeO7.0+δ、YBaZnFeO7.0+δ等が挙げられる。さらに、これらの化合物において、YをScに代えたもの、BaをSrに代えたもの、又は、YをScに代え、かつ、BaをSrに代えたものも挙げられる。具体的な元素の組み合わせの他の例としては、CaBaZnFe7.0+δ、CaBaZnFeAlO7.0+δ、CaBaCoZnAlO7.0+δ、CaBaCoZnAlO7.0+δ、CaBaCoAlO7.0+δ、CaBaCoFeO7.0+δ、CaBaCoZnFeO7.0+δ、CaBaCoZnFeO7.0+δ、CaBaCoFe7.0+δ、CaBaCoZnFe7.0+δ、CaBaCoZnO7.0+δ、及び、CaBaCoZn7.0+δ等が挙げられる。さらに、これらの化合物において、BaをSrに代えたものも挙げられる。 Specific examples of the oxygen-excess metal oxide of the present embodiment are not particularly limited, but include YBaCo 4 O 7.0 + δ , ScBaCo 4 O 7.0 + δ , YSrCo 4 O 7.0 + δ , ScSrCo 4 O 7.0 + δ, and the like. Can be mentioned. Further, compounds described in Table 2 and Table 3 on page 254 of M. Valldor, Solid State Sciences 6,251 (2004), such as LuBaCo 4 O 7.0 + δ , YbBaCo 4 O 7.0 + δ , TmBaCo 4 O 7. Examples include 0 + δ , ErBaCo 4 O 7.0 + δ , HoBaCo 4 O 7.0 + δ , DyBaCo 4 O 7.0 + δ, and compounds exemplified above, in which Ba is replaced with Sr. Specific combinations of elements include YBaCo 3 ZnO 7.0 + δ , YBaCo 2 Zn 2 O 7.0 + δ , YBaCoZn 3 O 7.0 + δ , YBaCo 3 FeO 7.0 + δ , YBaZn 3 FeO 7.0 + δ, and the like. . Furthermore, in these compounds, those in which Y is replaced with Sc, Ba is replaced with Sr, or Y is replaced with Sc and Ba is replaced with Sr. Other examples of specific element combinations include CaBaZn 2 Fe 2 O 7.0 + δ , CaBaZn 2 FeAlO 7.0 + δ , CaBaCo 2 ZnAlO 7.0 + δ , CaBaCoZn 2 AlO 7.0 + δ , CaBaCo 3 AlO 7.0 + δ , CaBaCo 3 FeO 7.0 + δ, CaBaCo 2 ZnFeO 7.0 + δ, CaBaCoZn 2 FeO 7.0 + δ, CaBaCo 2 Fe 2 O 7.0 + δ, CaBaCoZnFe 2 O 7.0 + δ, CaBaCo 3 ZnO 7.0 + δ, and, CaBaCo 2 Zn 2 And O 7.0 + δ . Furthermore, in these compounds, Ba may be substituted with Sr.

本実施形態において、酸素過剰型金属酸化物のストイキオメトリは、例えば、ICP(Inductively coupled plasma)発光分析法や、ヨウ素滴定法等の酸化還元滴定等により測定することができる。なお、酸素については、製造条件、大気中での放置時間やその温度によって、多少の脱吸着が生じるため、不活性ガス中でアニール処理をした後に測定することが好ましいことは言うまでもない。   In this embodiment, the stoichiometry of the oxygen-excess metal oxide can be measured by, for example, an inductively coupled plasma (ICP) emission analysis method or an oxidation-reduction titration method such as an iodometric titration method. Note that oxygen is somewhat desorbed depending on the production conditions, the standing time in the atmosphere, and the temperature thereof, and it goes without saying that measurement is preferably performed after annealing in an inert gas.

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、粉末X線回折測定において、従来知られた典型的な六方晶LuBa(Zn,Al)型の結晶構造と類似の回折ピークを有するが、六方晶構造の103のピーク強度が110のピーク強度より小さく、且つ、103のピークの半値幅が0.3°以上である点に一つの特徴がある。103のピークの半値幅は、0.4°以上が好ましく、より好ましくは0.5°以上、最も好ましくは0.7°以上である。 The oxygen-rich metal oxide of this embodiment has a diffraction peak similar to a typical hexagonal LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure conventionally known in powder X-ray diffraction measurement. One feature is that the peak intensity of the hexagonal structure 103 is smaller than the peak intensity of 110, and the half width of the peak of 103 is 0.3 ° or more. The half width of the peak at 103 is preferably 0.4 ° or more, more preferably 0.5 ° or more, and most preferably 0.7 ° or more.

ここで、粉末X線回折測定においては、各ピークの解析は、六方晶LuBa(Zn,Al)型構造であるとして指数付けして行う。なお、粉末X線回折測定において使用する線源は、特に限定されないが、一般的に用いられているCuKαで測定することができる。ここで、103のピークの半値幅は、線源としてCuKαを用いた場合の値を意味する。したがって、CuKα以外の線源を用いた場合には、当該半値幅は、使用した線源の波長に応じて読み替えた値、すなわちCuKα換算した値とする。なお、粉末X線回折測定の2θの測定間隔は、特に限定されないが、測定精度の観点から0.02°以下が好ましい。なお、他のピーク(110、112、201等)についても同様である。
尚、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物において、Mn、FeやCo等を多く含む場合には、蛍光X線が発生し、バックグラウンド強度が高くなってしまうことが有る。このような場合には、モノクロメータを用いたり、あるいはエネルギーフィルタ機能を持つ検出器を使用することにより、低エネルギーのX線をカットすることができる。また、XRD測定装置に蛍光X線低減モードが搭載されている場合には、それを使用することが好ましい。
また、X線の検出器としては、半導体検出器を用いることが、高感度である点から好ましい。また半導体検出器を用いることは、検出精度の点で、CuKβ線のカットに比較的シンプルなNiフィルターを使用しても検出精度が確保できる点からも好ましい。
Here, in the powder X-ray diffraction measurement, the analysis of each peak is performed by indexing the hexagonal LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type structure. In addition, although the radiation source used in powder X-ray diffraction measurement is not specifically limited, it can measure with CuK (alpha) generally used. Here, the half width of the peak at 103 means a value when CuKα is used as the radiation source. Therefore, when a radiation source other than CuKα is used, the full width at half maximum is a value read according to the wavelength of the used radiation source, that is, a value converted to CuKα. In addition, the measurement interval of 2θ in the powder X-ray diffraction measurement is not particularly limited, but is preferably 0.02 ° or less from the viewpoint of measurement accuracy. The same applies to the other peaks (110, 112, 201, etc.).
When the oxygen-excess metal oxide of this embodiment contains a large amount of Mn, Fe, Co, etc., fluorescent X-rays may be generated and the background intensity may be increased. In such a case, low energy X-rays can be cut by using a monochromator or using a detector having an energy filter function. Moreover, when the XRD measurement apparatus is equipped with the fluorescent X-ray reduction mode, it is preferable to use it.
Further, it is preferable to use a semiconductor detector as the X-ray detector from the viewpoint of high sensitivity. The use of a semiconductor detector is preferable in terms of detection accuracy because detection accuracy can be ensured even when a relatively simple Ni filter is used for cutting the CuKβ line.

本実施形態の酸素過剰型酸化物は、従来の酸素過剰型酸化物に対して、110ピークのピーク強度、特に最強線である112のピークに対する110のピークの相対強度はあまり差が無く、また、半値幅もそれほど大きくは変わらないが、103のピーク強度が非常に大きく変化したものとなっている点に一つの特徴がある。従来知られている酸素過剰型酸化物では、103のピーク強度は、最強線である112のピーク強度の8割以上であることが普通であるのに対し、110のピークは112のピーク強度の半分程度であることが多かった。また、110、103、112などの低角側の主要ピークの半値幅は、結晶性の粗悪なものでなければ0.2°以下であった。一方、本実施形態の酸素過剰型酸化物では、103ピークの半値幅は、0.3°以上に広がっている。この103のピーク形状の変化が、最も明確に検出できることが本実施形態の特徴の一つである。ここで、103のピーク強度は、112のピーク強度の80%以下であることが好ましく、より好ましくは70%以下、さらに好ましくは60%以下、最も好ましくは50%以下である。   In the oxygen-excess type oxide of this embodiment, the peak intensity of the 110 peak, particularly the relative intensity of the 110 peak with respect to the 112 peak which is the strongest line, is not much different from the conventional oxygen-excess type oxide. Although the half width does not change so much, there is one feature in that the peak intensity of 103 has changed very greatly. In a conventionally known oxygen-excess type oxide, the peak intensity of 103 is usually 80% or more of the peak intensity of 112, which is the strongest line, whereas the peak of 110 has a peak intensity of 112. Often it was about half. Further, the half-value widths of main peaks on the low angle side such as 110, 103, and 112 were 0.2 ° or less unless the crystallinity was poor. On the other hand, in the oxygen-excess type oxide of the present embodiment, the half width of the 103 peak spreads to 0.3 ° or more. It is one of the features of this embodiment that the change in the peak shape of 103 can be detected most clearly. Here, the peak intensity of 103 is preferably 80% or less of the peak intensity of 112, more preferably 70% or less, still more preferably 60% or less, and most preferably 50% or less.

また、本実施形態の酸素過剰型酸化物のより好ましい態様では、上述した103のピークのブロード化という特徴に加えて、従来の酸素過剰型酸化物に対する110の半値幅の変化が小さいという特徴を有する。すなわち、本実施形態の酸素過剰型酸化物は、110のピークの半値幅が、103のピークの半値幅より小さくなり、好ましくは1/2以下になる。好ましい半値幅の比の下限値は特に限定されないが、実用上は、1/100以上が一般的である。本実施形態の酸素過剰型金属酸化物において、特定の面のピークの半値幅が特に大きく変動していることは、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物が、単に結晶性が悪く、結晶子のサイズが小さいだけのものではないことを示している。
また絶対値でいえば、110ピークの半値幅が0.3°未満であることが好ましく、より好ましくは0.25°以下である。なお、110ピークの半値幅の下限値は、特に限定されない。従来の酸素過剰型酸化物と同様に、0.05°以上が好ましい。
In addition, in a more preferable aspect of the oxygen-excess type oxide of the present embodiment, in addition to the above-described feature of broadening the peak of 103, the feature that the change in the half width of 110 with respect to the conventional oxygen-excess type oxide is small Have. That is, in the oxygen-excess type oxide of the present embodiment, the half width of the 110 peak is smaller than the half width of the 103 peak, and preferably ½ or less. The lower limit of the preferred half width ratio is not particularly limited, but is practically 1/100 or more. In the oxygen-excess type metal oxide of the present embodiment, the half-value width of the peak of a specific plane varies particularly greatly. This indicates that the oxygen-excess type metal oxide of the present embodiment simply has poor crystallinity and a crystallite. Indicates that the size is not just small.
In terms of absolute value, the full width at half maximum of the 110 peak is preferably less than 0.3 °, more preferably 0.25 ° or less. In addition, the lower limit of the half width of the 110 peak is not particularly limited. Like the conventional oxygen-excess type oxide, 0.05 ° or more is preferable.

さらに、本実施形態の好ましい態様を別のピークで着目すると、本実施形態の酸素過剰型酸化物の201ピークの半値幅は0.25°以上が好ましく、より好ましくは0.3°以上である。201ピークも、従来知られていた酸素過剰型酸化物では、比較的ピーク強度の高いピークであり、最強線である112ピークの9割程度の強度を有していることが一般的であるが、本実施形態の好ましい態様では、ピーク強度は7割以下に低下し、110ピークと同じようなピーク高さに低下している。   Further, when attention is paid to another preferable peak of the present embodiment, the half width of the 201 peak of the oxygen-excess type oxide of the present embodiment is preferably 0.25 ° or more, more preferably 0.3 ° or more. . The 201 peak is also a peak having a relatively high peak intensity in a conventionally known oxygen-excess type oxide, and generally has an intensity of about 90% of the 112 peak which is the strongest line. In a preferred aspect of this embodiment, the peak intensity is reduced to 70% or less, and is reduced to a peak height similar to the 110 peak.

また、本実施形態の酸素過剰型酸化物は、他に213、205等のピークも現れるが、これらのピークは、最強線である112ピークに対する強度としてみた場合、従来知られているものでは強度比で0.3程度になっていたが、本実施形態の酸素過剰型酸化物としては、これらのピークが0.2以下、より好ましくは0.15以下になっていることが好ましい。   In addition, in the oxygen-excess type oxide of the present embodiment, other peaks such as 213 and 205 also appear, but these peaks are intensities in the conventionally known ones when viewed as the intensity with respect to the 112 peak which is the strongest line. Although the ratio was about 0.3, in the oxygen-excess type oxide of the present embodiment, it is preferable that these peaks are 0.2 or less, more preferably 0.15 or less.

上述した各種ピークの解析における具体的な測定手順としては、各ピーク(回折線)の極大値を抽出し、バックグラウンド強度を読み取り、各ピーク(回折線)の極大値から、バックグラウンド強度を引いた値を、各ピーク(回折線)のピーク強度(回折線強度)とする。この値が、本明細書において使用するピーク強度となる。各ピーク強度の比は、この比を取ることにより得ることができる。ここで、半値幅(FWHM)は、バックグラウンドを除去した後のピーク強度の半値における全幅として読み取る。なお、この各ピーク強度を、最強線である112のピーク強度と各ピーク強度の比を求めたものを、112ピーク強度に対する相対強度として示すこともある(“Relative I”)。   As a specific measurement procedure in the analysis of the various peaks described above, the maximum value of each peak (diffraction line) is extracted, the background intensity is read, and the background intensity is subtracted from the maximum value of each peak (diffraction line). This value is taken as the peak intensity (diffraction line intensity) of each peak (diffraction line). This value is the peak intensity used in this specification. The ratio of each peak intensity can be obtained by taking this ratio. Here, the half width (FWHM) is read as the full width at the half value of the peak intensity after the background is removed. In addition, what calculated | required ratio of each peak intensity to 112 peak intensity which is the strongest line and each peak intensity may be shown as a relative intensity with respect to 112 peak intensity ("Relative I").

なお、上記の粉末X線回折測定において、六方晶LuBa(Zn,Al)型の結晶構造と類似の回折ピークを有するとは、下記(a)〜(d)の明確なピークをすべて有することを意味する。
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
In the above powder X-ray diffraction measurement, all of the following clear peaks (a) to (d) are considered to have diffraction peaks similar to the hexagonal LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure. It means having.
(A) 110 peak (b) 103 peak (c) 112 peak (d) 201 peak

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、上記(d)の201のピーク強度が、上記(c)の112のピーク強度より小さいことが好ましく、前記(d)の201のピーク強度が前記(c)の112のピーク強度の80%以下であることがより好ましく、さらに好ましくは70%以下、特に好ましくは65%以下である。   In the oxygen-excess metal oxide of this embodiment, the peak intensity at 201 in (d) is preferably smaller than the peak intensity at 112 in (c), and the peak intensity at 201 in (d) is the above ( More preferably, it is 80% or less of the peak intensity of 112 in c), more preferably 70% or less, and particularly preferably 65% or less.

一方、上記(c)のピークは、大気焼成品と同様のシャープな形状であることが好ましい。より具体的には、上記(c)の半値幅は、0.05°以上0.3°以下であることが好ましく、より好ましくは0.1°以上0.27°以下である。   On the other hand, it is preferable that the peak of (c) has a sharp shape similar to that of the air-baked product. More specifically, the half width of the above (c) is preferably 0.05 ° or more and 0.3 ° or less, more preferably 0.1 ° or more and 0.27 ° or less.

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、優れた酸素吸脱着能力を有し、500℃以下、好ましくは200℃〜450℃の温度範囲で、温度を上下動させると、低温側で酸素を吸着(吸収)し、高温側で酸素を脱着(放出)する。すなわちこれは、大気中では、吸着速度と放出速度が400°近傍で平衡することを利用しており、大気中から酸素を吸脱着して取り出す場合、典型的には、350℃未満で酸素を吸着し、350〜400℃程度の高温度領域で急速に酸素を放出することができる。通常の酸化物と異なり、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物では、酸素放出反応が高酸素濃度下でも生じる。そのため、温度上昇と下降を繰り返すことで、酸素濃度を大気中より高めた気体を作ることもできるし、また逆に、酸素濃度を下げることに使用することもできる。すなわち、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、繰り返しの使用サイクルが要求される酸素貯蔵用又は酸素選択膜用の実用化材料として、有利な特性を備えているものである。   The oxygen-excess metal oxide of this embodiment has an excellent oxygen adsorption / desorption capability, and when oxygen is moved up and down in a temperature range of 500 ° C. or less, preferably 200 ° C. to 450 ° C., oxygen is reduced on the low temperature side. Adsorbs (absorbs) and desorbs (releases) oxygen on the high temperature side. In other words, this utilizes the fact that the adsorption rate and the release rate are balanced in the vicinity of 400 ° in the atmosphere. When oxygen is adsorbed and desorbed from the atmosphere and is taken out, typically, oxygen is removed at less than 350 ° C. It can adsorb and release oxygen rapidly in a high temperature range of about 350 to 400 ° C. Unlike a normal oxide, the oxygen-excess metal oxide of this embodiment causes an oxygen release reaction even under a high oxygen concentration. Therefore, by repeating the temperature rise and fall, it is possible to produce a gas having a higher oxygen concentration than in the atmosphere, and conversely, it can be used to lower the oxygen concentration. That is, the oxygen-rich metal oxide of this embodiment has advantageous characteristics as a practical material for oxygen storage or oxygen selective membrane that requires repeated use cycles.

また、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、酸素放出速度(酸素脱着速度)が0.5wt%/分以上であることが好ましく、より好ましくは0.7wt%/分以上である。本明細書において酸素放出速度とは、350℃1気圧の窒素中に静置し重量変化を生じなくなった時点の重量を基準重量とし、次いで350℃1気圧の酸素中に静置し重量変化が起こらなくなるまで酸素吸収させた後、雰囲気ガスを350℃1気圧の窒素に切り替えたとき、前記基準重量より1.5wt%重い状態から前記基準重量より0.5wt%重い状態まで減少するまでの、単位時間あたりの重量変化(w%/分)を意味する。   Further, the oxygen-excess metal oxide of the present embodiment preferably has an oxygen release rate (oxygen desorption rate) of 0.5 wt% / min or more, more preferably 0.7 wt% / min or more. In this specification, the oxygen release rate refers to the weight at the time when no change in weight is caused after standing in nitrogen at 350 ° C. and 1 atm, and then in oxygen at 350 ° C. and 1 atm. When oxygen gas is absorbed until it does not occur, when the atmospheric gas is switched to nitrogen at 350 ° C. and 1 atm, from 1.5 wt% heavier than the reference weight to 0.5 wt% heavier than the reference weight, It means weight change (w% / min) per unit time.

さらに、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、酸素吸着速度が0.5wt%/分以上であることが好ましく、より好ましくは0.7wt%/分以上である。本明細書において酸素吸着速度とは、後述する実施例におけるサイクル特性評価を行った際の単位時間あたりの重量変化(w%/分)で表されるものであって、1サイクル目又は6サイクル目の酸素吸着速度を意味する。   Furthermore, the oxygen-excess metal oxide of the present embodiment preferably has an oxygen adsorption rate of 0.5 wt% / min or more, more preferably 0.7 wt% / min or more. In the present specification, the oxygen adsorption rate is represented by a change in weight per unit time (w% / min) when performing cycle characteristic evaluation in the examples described later, and the first cycle or the sixth cycle. It means the oxygen adsorption rate of the eye.

酸素の吸着量及び脱着量の制御は、温度によるものと、酸素分圧によるものが使用できる。温度による場合は、圧力に関しては特に限定されないが、通常0〜100気圧の範囲で行なわれる。典型的には、大気圧下で行えばよいが、使用条件に応じて、加圧条件下で或いは減圧条件下で行うこともできる。そして、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物を用いることで、例えば、350℃未満で酸素を吸着し350〜400℃程度の高温度領域で酸素を放出させる酸素吸脱着装置や、350℃未満で酸素を吸着し350〜400℃程度の高温度領域で酸素を放出させて酸素を濃縮する酸素濃縮装置を実現することができる。
次に酸素分圧を変化させることで制御する場合を説明する。200℃以上400℃以下において、酸素分圧を変化させると、酸素分圧の高い側で酸素を吸着(吸収)し、吸着時より低い側で酸素を脱着(放出)する。吸脱着の最適な酸素分圧は吸脱着時の酸素過剰型金属酸化物の温度に依存する。吸脱着時の温度が低いほど、低い酸素分圧で酸素を吸収する傾向を有し、高いほど、酸素分圧を増加させても、吸着する酸素量が減少する傾向を有する。典型的には、吸着時は大気圧(酸素分圧20kPa)下で行えばよいが、加圧条件下で行うこともでき、脱着時は吸着時より低い酸素分圧下で行えばよく、減圧条件下で行うこともできる。本実施形態の酸素過剰型金属酸化物では、酸素分圧が高いほど、吸着する酸素量が増加する傾向を有するため、酸素分圧の高低を繰り返すことで、酸素濃度を大気中より高めた気体を作ることもできるし、酸素濃度を下げることに使用することもできる。
また、温度と圧力の両方を変化させて制御してもよい。
Control of the amount of adsorption and desorption of oxygen can be performed by temperature or by partial pressure of oxygen. In the case of temperature, the pressure is not particularly limited, but is usually performed in the range of 0 to 100 atm. Typically, it may be carried out under atmospheric pressure, but it can also be carried out under pressure or under reduced pressure depending on the use conditions. Then, by using the oxygen-excess metal oxide of this embodiment, for example, an oxygen adsorption / desorption device that adsorbs oxygen at less than 350 ° C. and releases oxygen in a high temperature range of about 350 to 400 ° C., or less than 350 ° C. It is possible to realize an oxygen concentrator that adsorbs oxygen and releases oxygen in a high temperature range of about 350 to 400 ° C. to concentrate oxygen.
Next, the case of controlling by changing the oxygen partial pressure will be described. When the oxygen partial pressure is changed at 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, oxygen is adsorbed (absorbed) on the higher oxygen partial pressure side, and oxygen is desorbed (released) on the lower side. The optimum oxygen partial pressure for adsorption / desorption depends on the temperature of the oxygen-excess metal oxide during adsorption / desorption. The lower the temperature at the time of adsorption / desorption, there is a tendency to absorb oxygen at a lower oxygen partial pressure, and the higher the temperature, the more the oxygen amount adsorbed tends to decrease even if the oxygen partial pressure is increased. Typically, adsorption may be performed under atmospheric pressure (oxygen partial pressure of 20 kPa), but may be performed under pressurized conditions, and desorption may be performed under an oxygen partial pressure lower than that during adsorption. It can also be done below. In the oxygen-excess metal oxide of this embodiment, the higher the oxygen partial pressure, the more the amount of adsorbed oxygen tends to increase. Therefore, by repeating the oxygen partial pressure level, the gas whose oxygen concentration is higher than in the atmosphere Can also be used to lower the oxygen concentration.
Moreover, you may control by changing both temperature and pressure.

なお、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物の使用態様は、特に限定されない。例えば、粉末、粉末を凝集させた凝集体或いは多孔質体、担体の表面に担持させた複合材、樹脂等のマトリックス中に分散させた膜として用いることができる。また、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、酸素貯蔵用セラミックスや酸素選択膜用セラミックスとして用いることができる。   In addition, the usage aspect of the oxygen excess type metal oxide of this embodiment is not specifically limited. For example, it can be used as a film dispersed in a matrix such as a powder, an aggregate obtained by agglomerating powder or a porous material, a composite material supported on the surface of a carrier, a resin, and the like. Further, the oxygen-excess metal oxide of the present embodiment can be used as oxygen storage ceramics or oxygen selective membrane ceramics.

また、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物の上述した酸素吸脱着原理を用いることで、酸素を貯蔵、分離及び/又は濃縮する酸素貯蔵・分離・濃縮装置;貯蔵した酸素を用いて酸化反応を行う酸化反応装置;貯蔵した酸素を用いて酸素富化を行う酸素濃縮装置;酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する温熱を用いて加熱を行う加熱装置;酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する冷熱を用いて冷却を行う冷却装置;酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する温熱及び/又は冷熱を用いて熱交換を行う熱交換装置などを実現することができる。   Further, by using the above-described oxygen adsorption / desorption principle of the oxygen-excess type metal oxide of this embodiment, an oxygen storage / separation / concentration device for storing, separating and / or concentrating oxygen; an oxidation reaction using the stored oxygen An oxygen concentrating device that performs oxygen enrichment using stored oxygen; a heating device that performs heating using warm heat generated by oxygen storage, separation and / or concentration; oxygen storage, separation and / or Alternatively, it is possible to realize a cooling device that performs cooling using cold heat generated by concentration; a heat exchange device that performs heat exchange using warm heat and / or cold heat generated by oxygen storage, separation, and / or concentration.

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物を用いて製造される高濃度酸素は種々の産業分野で利用可能である。特に限定はされないが、例えば、高濃度酸素を用いると、反応性の高い高濃度の酸素中で燃料を燃焼させることになり、燃焼温度が上昇しボイラー等の効率が向上できる、使用する燃料が低減できる、それに伴い排ガス量が削減されるために装置全体が小型化、軽量化され、効率向上やコスト削減につながる、同伴窒素ガス含量が抑えられる為に有害な窒素酸化物を削減できる、等の利点がある。   High-concentration oxygen produced using the oxygen-excess metal oxide of this embodiment can be used in various industrial fields. Although there is no particular limitation, for example, when high-concentration oxygen is used, fuel is burned in highly-reactive high-concentration oxygen, and the fuel to be used can increase the combustion temperature and improve the efficiency of a boiler or the like. The total amount of exhaust gas can be reduced, resulting in a reduction in the size and weight of the entire device, leading to improved efficiency and cost reduction, and reducing the accompanying nitrogen gas content, reducing harmful nitrogen oxides, etc. There are advantages.

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物を用いて製造される高濃度酸素の具体的な用途としては、特に限定はされないが、金属加工バーナー用途、各種炉吹込み用途(製鋼、非鉄金属溶解など)、水処理用途(酸素曝気)、硫化水素発生抑制用途、バイオ関連・培養・発酵用途、ガラス加工バーナー用途、製紙工業用途(漂泊)、酸化反応用途、オゾン発生器用途(水処理、漂泊他)、燃焼装置用途、ガソリンやディーゼルエンジン等の内燃機関用途、燃料電池用途、航空機での酸素発生用途、輸送関連用途、酸素富化空気を室内に導入する等の空調機用途、健康用酸素ガス用途、医療分野用途、活魚飼育用途、食品加工用途、ガス充填包装用途などが挙げられる。   The specific application of the high concentration oxygen produced using the oxygen-excess type metal oxide of the present embodiment is not particularly limited, but is used for metalworking burners, various furnace blowing applications (steel making, nonferrous metal melting, etc. ), Water treatment applications (oxygen aeration), Hydrogen sulfide generation suppression applications, Bio-related / Culture / Fermentation applications, Glass processing burner applications, Paper industry applications (Drifting), Oxidation reaction applications, Ozone generator applications (Water treatment, Drifting etc.) ), Combustion equipment applications, internal combustion engine applications such as gasoline and diesel engines, fuel cell applications, aircraft oxygen generation applications, transportation related applications, air conditioner applications such as introducing oxygen-enriched air indoors, and health oxygen gas Applications, medical field applications, live fish breeding applications, food processing applications, gas-filled packaging applications, and the like.

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物の製造方法は、上述したストイキオメトリ及び粉末X線回折パターンが得られる限り、特に限定されない。上述した粉末X線回折パターンを再現性よく簡易且つ低コストで得る観点からは、低温焼成プロセスを用いた製法が好ましい。以下、詳述する。   The method for producing the oxygen-excess type metal oxide of the present embodiment is not particularly limited as long as the stoichiometry and the powder X-ray diffraction pattern described above are obtained. From the viewpoint of obtaining the above-described powder X-ray diffraction pattern with good reproducibility and at low cost, a production method using a low-temperature firing process is preferable. Details will be described below.

好ましい低温焼成プロセスとしては、上記の酸素過剰型金属酸化物の前駆体を、酸素含有量が大気中より低い低酸素雰囲気下、従来よりも比較的に低温で焼成する製法が挙げられる。ここで、前駆体としては、前記A、D、E及びGの酸化物、炭酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、硝酸塩及び/又はこれらの水和物を少なくとも含むものを用いることができる。このとき、前駆体は、A、D、E、Gの酸化物や酢酸塩等を、前記一般式(1)で表されるストイキオメトリに対応する有効モル比で含むことが好ましい。ここでいう有効モル比とは、焼成処理後、前記一般式(1)で表されるストイキオメトリを実現するために必要とされるモル比を意味する。(イ)例えばYBaCo7+δの酸素過剰型金属酸化物を得る場合、Yの酸化物、Baの炭酸塩、Coの酸化物をY:Ba:Coが1:1:4のモル比となるように混合した混合物を、(ロ)Yの酢酸塩、Baの酢酸塩、Coの酢酸塩をY:Ba:Coが1:1:4のモル比となるように混合した水溶液を仮焼成した混合物を、(ハ)さらには該水溶液をクエン酸で塩交換した水溶液を仮焼成した混合物等を、前駆体として用いることができる。また、前駆体の別の製造方法としては、所望の各元素を含む硝酸塩水溶液等にアンモニアやシュウ酸等の沈殿剤を添加し、均一に混合された沈殿を得て、該沈殿物を仮焼した、いわゆる共沈材料も好適に使用できる。 As a preferable low-temperature firing process, a method of firing the above-mentioned oxygen-excess metal oxide precursor in a low-oxygen atmosphere having a lower oxygen content than that in the air at a relatively low temperature as compared with the conventional method. Here, as the precursor, one containing at least the oxides of A, D, E and G, carbonate, acetate, citrate, nitrate and / or hydrate thereof can be used. At this time, it is preferable that a precursor contains the oxide, acetate, etc. of A, D, E, and G by the effective molar ratio corresponding to the stoichiometry represented by the said General formula (1). The effective molar ratio here means a molar ratio required for realizing the stoichiometry represented by the general formula (1) after the baking treatment. (Ii) For example, when obtaining an oxygen-excess metal oxide of YBaCo 4 O 7 + δ , the molar ratio of Y: Ba: Co is 1: 1: 4 for the oxide of Y, the carbonate of Ba, and the oxide of Co. (B) A solution of Y acetate, Ba acetate, and Co acetate was mixed so that the molar ratio of Y: Ba: Co was 1: 1: 4. A mixture obtained by calcining an aqueous solution obtained by subjecting the calcined mixture to (c) or an aqueous solution obtained by salt exchange of the aqueous solution with citric acid can be used as a precursor. As another method for producing the precursor, a precipitant such as ammonia or oxalic acid is added to an aqueous nitrate solution containing each desired element to obtain a uniformly mixed precipitate, and the precipitate is calcined. In addition, so-called coprecipitation materials can also be suitably used.

上記の低温焼成プロセスにおける処理温度は、従来行われていた1050℃より低ければ特に限定されない。酸素吸脱着性能に優れ、繰り返し使用による酸素吸着量の低減が抑制された酸素過剰型金属酸化物を効率よく得る観点から、700℃以上、950℃未満であることが好ましく、より好ましくは720℃以上、930℃以下、さらに好ましくは750℃以上、900℃以下である。ここで、950℃未満の焼成温度とは、焼成時に保持される設定温度であり、焼成炉の設定温度である。このため焼成中の温度コントロールの際に、一時的に950℃を短時間超えてしまっても、それが極端に過度でない限り、例えば50K程度の温度上昇で、ごく短時間であれば、本実施形態において意図する「950℃未満の焼成温度」に包含されるものとする。なお、焼成時の昇温速度は、使用する焼成炉の特性や生産性等を考慮して適宜設定すればよく、特に限定されない。一般的には、0.5℃/分〜10℃/分程度が目安とされる。また、処理時間も特に限定されない。一般的には、5〜24時間程度が目安とされる。   The treatment temperature in the low-temperature firing process is not particularly limited as long as it is lower than 1050 ° C. which has been conventionally performed. From the viewpoint of efficiently obtaining an oxygen-excess type metal oxide excellent in oxygen adsorption / desorption performance and suppressed in reduction of oxygen adsorption amount by repeated use, it is preferably 700 ° C. or higher and lower than 950 ° C., more preferably 720 ° C. The temperature is 930 ° C. or lower, more preferably 750 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. Here, the firing temperature of less than 950 ° C. is a set temperature that is maintained during firing and is a set temperature of the firing furnace. For this reason, even if the temperature is controlled during firing for a short time, even if it exceeds 950 ° C for a short period of time, the temperature is increased by, for example, about 50K for a very short time unless it is extremely excessive. It is intended to be included in the “calcination temperature below 950 ° C.” intended in the form. In addition, the temperature increase rate at the time of baking should just be set suitably in consideration of the characteristic, productivity, etc. of the baking furnace to be used, and is not specifically limited. In general, about 0.5 ° C./min to about 10 ° C./min is a standard. Also, the processing time is not particularly limited. Generally, about 5 to 24 hours is a guide.

上記の低温焼成プロセスにおける処理雰囲気は、酸素含有量が大気中より低い低酸素雰囲気下であれば、特に限定されない。ここで、酸素含有量が大気中より低い低酸素雰囲気とは、酸素含有量が20体積%以下であることを意味し、実質的に酸素を含有しない無酸素雰囲気(酸素含有量が0体積%)を含む概念である。酸素吸脱着性能に優れ、繰り返し使用による酸素吸着量の低減が抑制された酸素過剰型金属酸化物を効率よく得る観点から、酸素含有量は5体積%以下が好ましく、より好ましくは3体積%以下、さらに好ましくは1体積%以下であり、特に好ましくは20ppm以下である。なお、酸素含有量の下限は、特に限定されず、0体積%以上であればよい。具体的には、酸素含有量が上記の好ましい範囲内にある不活性ガス雰囲気で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、Nガス、Arガス等が例示される。また、処理圧力は、特に限定されない。一般的には常圧下で行えばよいが、加圧下や減圧下で行うこともできる。特に炉外からの酸素の流入を防ぐ点からは、加圧下で焼成することが好ましい。また、焼成温度、すなわち焼成工程の最高温度になる時点では、酸素濃度が5体積%以下であることがより好ましい。上記の低温焼成プロセスを行った後、大気中で冷却等することで本実施形態の酸素過剰型金属酸化物が得られる。本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、好ましくは酸素を脱着させたときにLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有する。 The treatment atmosphere in the low-temperature firing process is not particularly limited as long as the oxygen content is a low oxygen atmosphere lower than that in the air. Here, the low oxygen atmosphere having an oxygen content lower than that in the atmosphere means that the oxygen content is 20% by volume or less, and an oxygen-free atmosphere that substantially does not contain oxygen (the oxygen content is 0% by volume). ). From the viewpoint of efficiently obtaining an oxygen-excess type metal oxide excellent in oxygen adsorption / desorption performance and suppressed in reduction of oxygen adsorption amount by repeated use, the oxygen content is preferably 5% by volume or less, more preferably 3% by volume or less. Further, it is preferably 1% by volume or less, particularly preferably 20 ppm or less. In addition, the minimum of oxygen content is not specifically limited, What is necessary is just 0 volume% or more. Specifically, it is preferable to carry out in an inert gas atmosphere in which the oxygen content is within the above preferred range. Examples of the inert gas include N 2 gas and Ar gas. Further, the processing pressure is not particularly limited. In general, it may be carried out under normal pressure, but it can also be carried out under pressure or under reduced pressure. In particular, from the viewpoint of preventing the inflow of oxygen from the outside of the furnace, it is preferable to bake under pressure. Further, it is more preferable that the oxygen concentration is 5% by volume or less at the firing temperature, that is, at the time when the firing process reaches the highest temperature. After performing the above-described low-temperature firing process, the oxygen-excess metal oxide of this embodiment is obtained by cooling in the air. The oxygen-excess type metal oxide of the present embodiment preferably has a LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure when oxygen is desorbed.

なお、得られる酸素過剰型金属酸化物の化学組成は、常法にしたがって求めることができ、例えばヨウ素滴定法やICP発光分析法等によって求めることができる。具体的には、一般式A7+δで表される酸素過剰型金属酸化物(例えばYBaCo4 7+δ)の化学組成は、次の手順で求めることができる。
(1)ヨウ素滴定法でCoの平均価数を求める。
(2)ICP発光分析法により、Y、Ba及びCoのモル比を求める。
(3)前記モル比から、前記(1)式におけるj、k、m、nの値を、j+k+m+n=6を満たすように規格化する。
(4)Coの平均価数及び(3)で規格化したj、k、m、nの値から、電荷バランスを考慮して、酸素原子の数を求める。
(5)以上の計算結果から、化学組成を決定する。
The chemical composition of the obtained oxygen-excess metal oxide can be determined according to a conventional method, for example, iodine titration, ICP emission analysis, or the like. Specifically, the chemical composition of the general formula A j B k C m oxygen excess metal oxide represented by D n O 7 + δ (eg YBaCo 4 O 7 + δ) can be obtained by the following procedure.
(1) The average valence of Co is determined by the iodine titration method.
(2) The molar ratio of Y, Ba and Co is determined by ICP emission analysis.
(3) From the molar ratio, the values of j, k, m, and n in the equation (1) are normalized so as to satisfy j + k + m + n = 6.
(4) From the average valence of Co and the values of j, k, m, and n normalized in (3), the number of oxygen atoms is determined in consideration of the charge balance.
(5) The chemical composition is determined from the above calculation results.

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。なお、以下において特に断りのない限り、「部」は「質量部」を表す。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited at all by these Examples. The present invention can adopt various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the gist of the present invention. In the following, “part” means “part by mass” unless otherwise specified.

(実施例1)
出発原料として、Y(CHCOO)・4HO、Ba(CHCOO)、Co(CHCOO)・4HOを、Y:Ba:Co=1:1:4のモル比になるように秤量した。次に、これらを超純水に溶解し、酢酸塩水溶液を作製した。作製した水溶液に、金属と等モルのクエン酸を加え、さらにアンモニア水を滴下してpH=8になるように調節した。得られた溶液を約70℃で加熱し、水分除去することでゲル化物を得た。得られたゲル化物を空気中600℃で1時間仮焼成し、その後さらにメノウ乳鉢中で粉砕及び混合した後、この混合粉末をアルミナ坩堝に入れ、同条件で6時間仮焼成することにより、前駆体を作製した。得られた前駆体を粉砕、混合処理した後、アルミナボート上にのせ、気密性の高いチューブ電気炉中にセットし、窒素気流中900℃で12時間焼成した。その後、雰囲気を窒素に保ったまま室温まで冷却し焼成炉から処理物を取り出すことで、実施例1の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 7+δ)を得た。
Example 1
As starting materials, Y (CH 3 COO) 3 .4H 2 O, Ba (CH 3 COO) 2 , Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O were used in a molar ratio of Y: Ba: Co = 1: 1: 4. Weighed to a ratio. Next, these were dissolved in ultrapure water to prepare an acetate aqueous solution. To the prepared aqueous solution, metal and equimolar citric acid were added, and ammonia water was further added dropwise to adjust the pH to 8. The obtained solution was heated at about 70 ° C. to remove moisture, thereby obtaining a gelled product. The obtained gelled product was calcined in the air at 600 ° C. for 1 hour, and then further pulverized and mixed in an agate mortar. Then, the mixed powder was put in an alumina crucible and calcined for 6 hours under the same conditions to obtain a precursor. The body was made. The obtained precursor was pulverized and mixed, then placed on an alumina boat, set in a highly airtight tube electric furnace, and fired in a nitrogen stream at 900 ° C. for 12 hours. Then, the oxygen-excess metal oxide (YBaCo 4 O 7 + δ ) of Example 1 was obtained by cooling to room temperature while keeping the atmosphere in nitrogen and taking out the treated product from the firing furnace.

(実施例2)
焼成時の処理温度を800℃に変更すること以外は、実施例1と同様に行って、実施例2の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 7+δ)を得た。
(Example 2)
Except for changing the firing time of the processing temperature of 800 ° C. is performed in the same manner as in Example 1 to obtain an oxygen-excess metal oxide of Example 2 (YBaCo 4 O 7 + δ) .

(実施例3)
焼成時の処理温度を750℃に変更すること以外は、実施例1と同様に行って、実施例3の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 7+δ)を得た。
Example 3
Except for changing the firing time of the treatment temperature to 750 ° C. is performed in the same manner as in Example 1 to obtain an oxygen-excess metal oxide of Example 3 (YBaCo 4 O 7 + δ) .

(比較例1)
出発原料として、Y(CHCOO)・4HO、Ba(CHCOO)、Co(CHCOO)・4HOを、Y:Ba:Co=1:1:4のモル比になるように秤量した。次に、これらを超純水に溶解し、酢酸塩水溶液を作製した。作製した水溶液を約70℃で加熱し、水分除去することでゲル化物を得た。そして、このゲル化物を用い、焼成条件を大気中1050℃に変更すること以外は、実施例1と同様に行って、比較例1の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 7+δ)を得た。
(Comparative Example 1)
As starting materials, Y (CH 3 COO) 3 .4H 2 O, Ba (CH 3 COO) 2 , Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O were used in a molar ratio of Y: Ba: Co = 1: 1: 4. Weighed to a ratio. Next, these were dissolved in ultrapure water to prepare an acetate aqueous solution. The produced aqueous solution was heated at about 70 ° C. to remove moisture, thereby obtaining a gelled product. Then, using this gelled product, the oxygen-excess metal oxide (YBaCo 4 O 7 + δ ) of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing condition was changed to 1050 ° C. in the atmosphere. Obtained.

<粉末X線回折測定>
得られた実施例1〜3及び比較例1の酸素過剰型金属酸化物の粉末X線回折測定を行った。図1に、各酸素過剰型金属酸化物の粉末X線回折パターンを示す。図1中、上から順に、比較例1(大気中1050℃焼成)、実施例1(窒素ガス雰囲気下900℃焼成)、実施例2(窒素ガス雰囲気下800℃)、実施例3(窒素ガス雰囲気下750℃)の粉末X線回折パターンをそれぞれ示す。
測定範囲は2θが10°から90°の範囲で行った。ただし、主要なピークは60°までに存在するため、図面には60°までを示している。測定の間隔は0.02°、使用した装置と条件は、以下のとおりである。
装置:リガク Ultima IV 高速一次元X線検出器 D/teX付属
加速電圧:40kV
電流:40mA
Kβカット法:Niフィルタ
<Powder X-ray diffraction measurement>
Powder X-ray diffraction measurement of the obtained oxygen-excess metal oxides of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was performed. FIG. 1 shows a powder X-ray diffraction pattern of each oxygen-excess metal oxide. In FIG. 1, in order from the top, Comparative Example 1 (firing at 1050 ° C. in air), Example 1 (firing at 900 ° C. in a nitrogen gas atmosphere), Example 2 (800 ° C. in a nitrogen gas atmosphere), and Example 3 (nitrogen gas) 2 shows powder X-ray diffraction patterns of 750 ° C. in an atmosphere.
The measurement range was 2θ ranging from 10 ° to 90 °. However, since the main peak exists up to 60 °, the drawing shows up to 60 °. The measurement interval is 0.02 °, and the equipment and conditions used are as follows.
Equipment: Rigaku Ultima IV High-speed one-dimensional X-ray detector D / teX included Acceleration voltage: 40kV
Current: 40mA
Kβ cut method: Ni filter

図1に示されるように、実施例1〜3及び比較例1のいずれにおいても、強度の強いすべての回折線を、六方晶LuBa(Zn,Al)と同じ単位格子の回折線に指数付けすることができた。そして、従来法の大気中高温焼成した比較例1では、既報のLuBa(Zn,Al)型のYBaCoと回折線の位置とピーク強度が一致した。格子定数は、a=6.2949Å、c=10.2407Åであった。一方、窒素気流中900℃、800℃、750℃で焼成した実施例1〜3においても、既報のYBaCoと回折線の位置は略一致するものの、ピークの形状が大きく異なっていた。具体的には、103、201、202、104、212、213、205回折線が特に顕著にブロード化し、特に目立つ特徴として既存YBaCoでは3番目に強い103回折線のピーク強度が大幅に低下して110回折線の半分程度になっている。また、103回折線の半値幅は0.3°以上であり、これは大気中高温焼成した比較例1の値0.15°の約2倍である。以上のことから、実施例1〜3の酸素過剰型金属酸化物は、既存のYBaCoと同様に六方晶LuBa(Zn,Al)型構造に属するものの、その結晶性は既存のYBaCoとは異なることが示された。
各XRD測定結果より、各ピークの強度(最大高さ:任意単位)、バックグラウンド強度、最大強度である112ピークに対するピーク強度比、ピークの半値全幅について、表1に示す。本発明の酸素過剰型金属酸化物である実施例1−3は、従来のよく知られている比較例1の酸素過剰型金属酸化物との各ピークの半値幅を比較すると、比較例1の110、103、112、201の各ピークの半値幅は、0.14°から0.16°と全てシャープなものであり、結晶性の良いものが得られている。一方本発明の酸素過剰型金属酸化物のピークの半値幅は、110、112のピークでは少し広がった程度であるが、103、201のピークは大きく広がり、特に変化の大きい103ピークの半値幅と、変化の少ない110ピークの半値幅と比べると、110ピークの半値幅が103のピークの半値幅の1/2以下となっていることが判る。
As shown in FIG. 1, in all of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, all diffraction lines having strong intensity are converted into diffraction lines having the same unit cell as hexagonal LuBa (Zn, Al) 4 O 7. I was able to index. Then, in Comparative Example 1 were atmospheric high temperature firing of the prior art, previously reported LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type position and peak intensity of YBaCo 4 O 7 and the diffraction lines of the match. The lattice constants were a = 6.2949 cm and c = 10.2407 mm. On the other hand, in Examples 1 to 3 fired at 900 ° C., 800 ° C., and 750 ° C. in a nitrogen stream, the positions of diffraction lines almost coincided with the reported YBaCo 4 O 7 , but the peak shapes were greatly different. Specifically, 103, 201, 202, 104, 212, 213, and 205 diffraction lines are particularly noticeably broadened, and the peak intensity of the third strongest 103 diffraction line is greatly increased with the existing YBaCo 4 O 7 as a particularly conspicuous feature. It is reduced to about half of 110 diffraction lines. Further, the half width of the 103 diffraction line is 0.3 ° or more, which is about twice the value of 0.15 ° of the comparative example 1 fired at high temperature in the atmosphere. From the above, the oxygen-excess metal oxides of Examples 1 to 3 belong to the hexagonal LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type structure like the existing YBaCo 4 O 7 , but the crystallinity thereof is the existing It was shown to be different from YBaCo 4 O 7 of .
Table 1 shows the intensity (maximum height: arbitrary unit) of each peak, the background intensity, the peak intensity ratio with respect to the 112 peak that is the maximum intensity, and the full width at half maximum of the peak from each XRD measurement result. Example 1-3, which is an oxygen-excess metal oxide of the present invention, compares the half-value width of each peak with the oxygen-excess metal oxide of Comparative Example 1 that is well known in the past. The full width at half maximum of each of the peaks 110, 103, 112, and 201 is sharp from 0.14 ° to 0.16 °, and a crystal with good crystallinity is obtained. On the other hand, the full width at half maximum of the peak of the oxygen-excess type metal oxide of the present invention is a little widened at the peaks of 110 and 112, but the peaks of 103 and 201 are broadened. It can be seen that the half-value width of the 110 peak is less than or equal to ½ of the half-value width of the 103 peak as compared with the half-value width of the 110 peak with little change.

Figure 2016193815
Figure 2016193815

<酸素脱吸着特性の測定>
得られた実施例1〜3及び比較例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素脱吸着特性の測定を行った。図2〜5は、酸素気流中で室温〜500℃の範囲内で昇温及び降温を行った際の熱重量変化を示すグラフである。ここでは、熱天秤を用い、昇温速度は2℃/分、降温速度は2℃/分とした。実施例1〜3及び比較例1のいずれにおいても、酸素気流中で加熱すると、150〜200℃付近から酸素吸収に伴う急激な重量増加現象が確認され、さらに温度を上げると400℃付近で酸素放出による急激な重量減少現象が確認された。一方、酸素気流中500℃から温度を下げていくと、370℃付近で酸素再吸収による急激な重量増加現象が確認された。これらのことから、実施例1〜3及び比較例1の酸素過剰型金属酸化物は、200〜400℃の温度領域で、重量急増・急減現象を呈する物質であることが確認された。この挙動は、既存YBaCoの酸素脱吸着挙動に酷似している。しかしながら、実施例1〜3は、酸素吸着開始温度が150℃付近であり、昇温時の酸素吸着開始の立ち上がりが低い点で、比較例1と比べて、優れた酸素吸着特性を有することが確認された。また、本測定は、酸素吸脱着装置に使用するような実用条件下ではなく、昇温及び降温条件が2℃/分という実験条件下で行ったものである。このような実験条件下、すなわちその温度での平衡を保っているような条件であれば、従来知られている比較例の酸素過剰型金属酸化物(図2)の方が、酸素の最大吸着量が大きく、酸素放出能力も優れているように見える。
<Measurement of oxygen desorption characteristics>
The oxygen desorption characteristics of the obtained oxygen-excess metal oxides of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were measured. 2 to 5 are graphs showing thermogravimetric changes when the temperature is raised and lowered in a range of room temperature to 500 ° C. in an oxygen stream. Here, a thermobalance was used, the rate of temperature increase was 2 ° C./min, and the rate of temperature decrease was 2 ° C./min. In any of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, when heated in an oxygen stream, an abrupt weight increase phenomenon accompanying oxygen absorption was confirmed from around 150 to 200 ° C., and when the temperature was further raised, oxygen was increased at around 400 ° C. A sudden weight loss phenomenon due to release was confirmed. On the other hand, when the temperature was lowered from 500 ° C. in the oxygen stream, a sudden weight increase phenomenon due to oxygen reabsorption was observed at around 370 ° C. From these results, it was confirmed that the oxygen-excess metal oxides of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are substances that exhibit a sudden increase / decrease in weight in the temperature range of 200 to 400 ° C. This behavior is very similar to the oxygen desorption behavior of existing YBaCo 4 O 7 . However, Examples 1 to 3 have oxygen adsorption characteristics superior to those of Comparative Example 1 in that the oxygen adsorption start temperature is around 150 ° C. and the rise of oxygen adsorption start at the time of temperature rise is low. confirmed. In addition, this measurement was not performed under practical conditions such as those used in an oxygen adsorption / desorption apparatus, but under experimental conditions where the temperature rising and cooling conditions were 2 ° C./min. Under such experimental conditions, that is, conditions that maintain the equilibrium at that temperature, the oxygen-excess metal oxide of the comparative example known in the art (FIG. 2) is the maximum adsorption of oxygen. The amount is large and the oxygen release capacity seems to be excellent.

<酸素吸着量・酸素放出速度の測定>
次に、得られた実施例1〜3及び比較例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着量及び酸素放出速度の測定を行った。ここでは、実施例1〜3及び比較例1の酸素過剰型金属酸化物を、窒素気流中(酸素分圧0.002kPa以下)、350℃で保持し、ガス雰囲気を酸素(酸素分圧101kPa)に切り換えた際の重量変化を計測した。図6〜9は、実施例1〜3及び比較例1の酸素過剰型金属酸化物の熱重量変化を示すグラフである。図6〜9に示すとおり、実施例1〜3及び比較例1のいずれにおいても、ガス切換直後から酸素吸収に伴う急激な重量増加を示した。ここで、実施例1〜3及び比較例1の酸素吸着速度に大きな差異は認められなかった。このとき、酸素吸着時の飽和重量は、比較例1では既存のYBaCoとほぼ同じ3wt%、実施例1〜3では2.0〜2.5wt%であった。続いて、酸素(酸素分圧101kPa)から窒素(酸素分圧0.002kPa以下)にガス切り替えをしたところ、酸素放出に伴う急激な重量減少が見られた。酸素放出速度は焼成条件に強く依存し、窒素気流中で900℃、800℃、750℃焼成した実施例1〜3においては、毎分0.71wt%、毎分0.92wt%、毎分1.07wt%であった。これは、大気中で高温焼成した比較例1の酸素放出速度,毎分0.38wt%の約2〜3倍にも向上していることが判り、実施例1〜3の酸素過剰型金属酸化物は、酸素放出速度が0.5wt%/分以上という優れた酸素放出能力を有していることが確認された。
<Measurement of oxygen adsorption amount and oxygen release rate>
Next, the oxygen adsorption amount and oxygen release rate of the obtained oxygen-excess metal oxides of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were measured. Here, the oxygen-excess type metal oxides of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are held at 350 ° C. in a nitrogen stream (oxygen partial pressure of 0.002 kPa or less), and the gas atmosphere is oxygen (oxygen partial pressure of 101 kPa). The weight change at the time of switching to was measured. 6 to 9 are graphs showing thermogravimetric changes of the oxygen-excess metal oxides of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG. As shown in FIGS. 6 to 9, in any of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, a rapid weight increase accompanying oxygen absorption was shown immediately after gas switching. Here, the big difference was not recognized by Examples 1-3 and the oxygen adsorption rate of the comparative example 1. FIG. At this time, the saturation weight at the time of oxygen adsorption was 3 wt% which was almost the same as that of the existing YBaCo 4 O 7 in Comparative Example 1, and 2.0 to 2.5 wt% in Examples 1 to 3. Subsequently, when the gas was switched from oxygen (oxygen partial pressure of 101 kPa) to nitrogen (oxygen partial pressure of 0.002 kPa or less), a rapid weight loss accompanying oxygen release was observed. The oxygen release rate strongly depends on the firing conditions. In Examples 1 to 3 fired at 900 ° C., 800 ° C. and 750 ° C. in a nitrogen stream, 0.71 wt% per minute, 0.92 wt% per minute, 1 per minute 0.07 wt%. This shows that the oxygen release rate of Comparative Example 1 fired at high temperature in the atmosphere is improved by about 2 to 3 times that of 0.38 wt% per minute. It was confirmed that the product has an excellent oxygen releasing ability with an oxygen releasing rate of 0.5 wt% / min or more.

<酸素吸脱着前後の結晶構造の変化>
さらに、酸素吸脱着前後の結晶構造の確認を行った。ここでは、実施例2の酸素過剰型金属酸化物を用い、作製直後(酸素吸着前)、酸素気流中12時間350℃でアニール後(酸素吸着後)、及び、窒素気流中12時間350℃で再アニール後(酸素脱着後)の結晶構造を、粉末X線回折測定によりそれぞれ調べた。図10に、X線回折パターンをそれぞれ示す。図中、上から順に、作製直後(酸素吸着前)、酸素気流中12時間350℃でアニール後(酸素吸着後)、及び、窒素気流中12時間350℃で再アニール後(酸素脱着後)のX線回折パターンをそれぞれ示し、最下部は参照となる酸素過剰相YBaCo8.1のX線回折パターンの各ピーク強度を示す。
<Change in crystal structure before and after oxygen adsorption / desorption>
Furthermore, the crystal structure before and after oxygen adsorption / desorption was confirmed. Here, the oxygen-excess metal oxide of Example 2 was used, immediately after fabrication (before oxygen adsorption), after annealing at 350 ° C. for 12 hours in an oxygen stream (after oxygen adsorption), and at 350 ° C. for 12 hours in a nitrogen stream. The crystal structure after reannealing (after oxygen desorption) was examined by powder X-ray diffraction measurement. FIG. 10 shows X-ray diffraction patterns. In the figure, in order from the top, immediately after fabrication (before oxygen adsorption), after annealing at 350 ° C. for 12 hours in an oxygen stream (after oxygen adsorption), and after reannealing at 350 ° C. for 12 hours in a nitrogen stream (after oxygen desorption). Each X-ray diffraction pattern is shown, and the lowermost part shows each peak intensity of the X-ray diffraction pattern of the oxygen excess phase YBaCo 4 O 8.1 used as a reference.

図10に示すとおり、酸素吸着にともない2q=20〜40°の回折パターンに明瞭な変化が確認された。酸素吸収状態における回折線の位置は既報の酸素過剰相YBaCo8.1と類似し、2q=31°のピークが顕著にブロード化しているが、酸素吸着前の特徴は保持している。しかし、酸素吸収にともないピーク位置が低角側にシフトし、また幾つかのピークが分裂しているのが確認された。このことから、酸素吸収に伴い酸素過剰相(YBaCo7+δ)に相変化したことが示唆される。一方、酸素脱着にともない2q=20〜40°の回折パターンに明瞭な変化が確認された。酸素脱着後の2q=20〜40°の回折パターンは、酸素吸着前の回折パターンと略完全に一致しており、103のピークはブロードなままであった。このことから、酸素脱着にともない元の相(YBaCo)に相変化したことが示唆される。以上のことから、酸素吸脱着は、酸素過剰型金属酸化物の相変化により生じていること、及び、酸素吸脱着前後で結晶構造の特徴は維持され、酸素吸脱着が可逆的に行われることが示された。 As shown in FIG. 10, a clear change was confirmed in the diffraction pattern of 2q = 20 to 40 ° with oxygen adsorption. The position of the diffraction line in the oxygen absorption state is similar to the previously reported oxygen excess phase YBaCo 4 O 8.1, and the peak of 2q = 31 ° is significantly broadened, but the characteristics before oxygen adsorption are retained. However, it was confirmed that the peak position shifted to the lower angle side due to oxygen absorption and that some peaks were split. This suggests that the phase changed to an oxygen excess phase (YBaCo 4 O 7 + δ ) with oxygen absorption. On the other hand, a clear change was confirmed in the diffraction pattern of 2q = 20-40 ° with oxygen desorption. The diffraction pattern of 2q = 20 to 40 ° after oxygen desorption almost completely coincided with the diffraction pattern before oxygen adsorption, and the peak of 103 remained broad. This suggests that the phase changed to the original phase (YBaCo 4 O 7 ) with oxygen desorption. From the above, oxygen adsorption / desorption is caused by the phase change of the oxygen-excess metal oxide, and the characteristics of the crystal structure are maintained before and after oxygen adsorption / desorption, and oxygen adsorption / desorption is performed reversibly. It has been shown.

<サイクル特性の評価>
次いで、得られた実施例1〜3及び比較例1の酸素過剰型金属酸化物のサイクル特性をTG熱重量測定で評価した。その結果を、図11〜14に示す。ここでは、空気中(酸素濃度21%)、温度470℃に維持し、重量変化が実質生じない状態(酸素を放出しきった状態)にした後、470℃→230℃を7分で降温させ、230℃→470℃を5分で昇温させることを3回繰り返し(以下、「前半の3サイクル」ともいう。)、9分間470−480℃に保って酸素を放出させた後、再度470℃→230℃を7分で降温させ、230℃→470℃を5分で昇温させることを3回繰り返した(以下、「後半の3サイクル」ともいう。)。温度と重量の測定間隔は1秒おきに行った。その際の酸素吸着脱着に伴う重量変化を測定した。図11〜14中、温度変化は点線で示し、重量変化は実線で示す。
<Evaluation of cycle characteristics>
Next, the cycle characteristics of the obtained oxygen-excess metal oxides of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were evaluated by TG thermogravimetry. The results are shown in FIGS. Here, after maintaining the temperature in the air (oxygen concentration 21%) at a temperature of 470 ° C. and making the weight change not substantially occurred (a state in which oxygen is completely released), the temperature is decreased from 470 ° C. to 230 ° C. in 7 minutes, The temperature was raised from 230 ° C. to 470 ° C. in 5 minutes three times (hereinafter also referred to as “the first three cycles”), kept at 470-480 ° C. for 9 minutes to release oxygen, and then again 470 ° C. The temperature was lowered from 230 ° C. in 7 minutes and the temperature was raised from 230 ° C. to 470 ° C. in 5 minutes 3 times (hereinafter also referred to as “the latter three cycles”). The measurement interval of temperature and weight was performed every second. The weight change accompanying oxygen adsorption / desorption at that time was measured. 11 to 14, the temperature change is indicated by a dotted line, and the weight change is indicated by a solid line.

図11に示すとおり、比較例1の酸素過剰型金属酸化物の重量変化は、前半の3サイクルでは約1.5wt%であったが、後半の3サイクルでは1.3wt%となっており、サイクル数の増加に伴い、最大酸素吸着量が低下していくことが判明した。また、酸素吸着時の温度スイングへの追随性(応答性)が悪く、酸素吸着速度が低いことも判明した。一方、図12〜14に示すとおり、実施例1〜3の酸素過剰型金属酸化物の重量変化は、全サイクルを通じて2.3wt%以上といずれも大きく、また、サイクル数の増加に伴う最大酸素吸着量の低下は観測されなかった。さらに、酸素吸着時の温度スイングへの追随性(応答性)が良く、酸素吸着速度が高いことも判明した。以上のことから、実施例1〜3の酸素過剰型金属酸化物は、最大酸素吸着量が大きく実用的であるのみならず、酸素吸着速度が高く、繰り返し使用の耐久性にも優れることが確認された。   As shown in FIG. 11, the change in the weight of the oxygen-excess metal oxide of Comparative Example 1 was about 1.5 wt% in the first three cycles, but 1.3 wt% in the latter three cycles. It was found that the maximum oxygen adsorption amount decreased as the number of cycles increased. It was also found that the followability (responsiveness) to the temperature swing during oxygen adsorption was poor and the oxygen adsorption rate was low. On the other hand, as shown in FIGS. 12 to 14, the weight change of the oxygen-excess metal oxides of Examples 1 to 3 is as large as 2.3 wt% or more throughout the entire cycle, and the maximum oxygen with the increase in the number of cycles. No decrease in the amount of adsorption was observed. Furthermore, it was found that the temperature swing during oxygen adsorption (responsiveness) was good (responsiveness) and the oxygen adsorption rate was high. From the above, it is confirmed that the oxygen-excess metal oxides of Examples 1 to 3 not only have a large maximum oxygen adsorption amount and are practical, but also have a high oxygen adsorption rate and excellent durability for repeated use. It was done.

上記のサイクル特性評価における、実施例1〜3及び比較例1の酸素吸着から放出に転じる温度を表2に示す。

Figure 2016193815
Table 2 shows the temperatures at which the oxygen adsorption in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 shift from release to release in the above-described cycle characteristic evaluation.
Figure 2016193815

この結果から、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、従来のもの(比較例の酸化物)よりも、低温、つまり早い時期から酸素を放出することができることが判る。   From this result, it can be seen that the oxygen-excess metal oxide of the present invention can release oxygen at a lower temperature, that is, at an earlier stage than the conventional one (comparative oxide).

また、各サイクルの酸素の最大吸着量と、その平均、そして1回目と6回目の酸素最大吸着量の差を表3に示す。

Figure 2016193815
Table 3 shows the maximum adsorption amount of oxygen in each cycle, its average, and the difference between the first and sixth oxygen maximum adsorption amounts.
Figure 2016193815

この結果から、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、短時間での吸脱着を6回繰り返した時の最大吸着量の差が0.1wt%以下と非常に小さいことが判明した。特に実施例2及び3では最大吸着量の差が0.05wt%以下と顕著に優れることが判明した。従来品の比較例1では最大吸着量が0.2wt%以上も低下していることと比べると、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、繰り返しサイクル内での酸素吸着量の低下が殊に抑制されたものであることが判る。また、最大吸着量の絶対値を比較すると、本試験条件で酸素の吸脱着を行った場合、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、従来品の比較例1に対して、約1.5倍の酸素吸着量を有することが判る。このことは、本発明の酸素過剰型金属酸化物を用いて装置を構成する際、大きさや重量を2/3に削減可能であることを意味し、極めて大きな効果である。   From this result, it was found that the oxygen-excess type metal oxide of the present invention has a very small difference of 0.1 wt% or less when the adsorption / desorption in a short time is repeated 6 times. In particular, in Examples 2 and 3, it was found that the difference in maximum adsorption amount was remarkably excellent at 0.05 wt% or less. Compared with the comparative example 1 of the conventional product in which the maximum adsorption amount is reduced by 0.2 wt% or more, the oxygen-excess metal oxide of the present invention has a particularly low oxygen adsorption amount in a repeated cycle. It turns out that it was suppressed. Further, when the absolute value of the maximum adsorption amount is compared, when oxygen adsorption / desorption is performed under the test conditions, the oxygen-excess metal oxide of the present invention is about 1.5% compared to Comparative Example 1 of the conventional product. It can be seen that the oxygen adsorption amount is doubled. This means that the size and weight can be reduced to 2/3 when the apparatus is configured using the oxygen-excess metal oxide of the present invention, which is a very significant effect.

<酸素吸着速度の評価>
また、上記サイクル特性の結果から、実施例1〜3と比較例1とで各サイクルにおける酸素吸着速度に大きな差が有ることは図から明らかであるが、特にその差が顕著に表れているデータとして、酸素吸着量を1wt%から1.5wt%にする際の酸素吸着速度に着目して、対比説明する。なお、比較例1では5回目と6回目のサイクルで1.5wt%に達しないため、比較例1については1回目のサイクル時の酸素吸着速度のみで比較した。
<Evaluation of oxygen adsorption rate>
Further, from the results of the above cycle characteristics, it is clear from the figure that there is a large difference in the oxygen adsorption rate in each cycle between Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, but data in which the difference is particularly prominent is shown. The comparison will be described focusing on the oxygen adsorption rate when the oxygen adsorption amount is changed from 1 wt% to 1.5 wt%. In Comparative Example 1, 1.5 wt% was not reached in the fifth and sixth cycles, and therefore Comparative Example 1 was compared only with the oxygen adsorption rate during the first cycle.

1サイクル目の酸素吸着速度は、実施例1は0.9wt%/分、実施例2は1.1wt%/分、実施例3が1.2wt%/分であるのに対し、比較例1は0.2wt%/分であった。一方、6サイクル目の酸素吸着速度は、実施例1は0.9wt%/分、実施例2は1.2wt%/分、実施例3は1.3wt%/分であり、1サイクル目と6サイクル目とで、ほとんど速度変化はなかった。このことから、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、本試験条件で酸素吸着量を1wt%から1.5wt%にする際の酸素吸着速度が0.5wt%/分以上、より好ましくは0.7wt%/分以上であることが判る。それと同時に、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、本試験条件で酸素の繰り返し吸脱着を繰り返しても、1.5wt%以上、より好ましくは1.7wt%以上、最も好ましくは2wt%以上の酸素吸着能力を発揮するものであることがわかる。   The oxygen adsorption rate in the first cycle was 0.9 wt% / min in Example 1, 1.1 wt% / min in Example 2, 1.2 wt% / min in Example 3, and Comparative Example 1 Was 0.2 wt% / min. On the other hand, the oxygen adsorption rate at the sixth cycle is 0.9 wt% / min in Example 1, 1.2 wt% / min in Example 2, and 1.3 wt% / min in Example 3, and There was almost no change in speed from the sixth cycle. From this, the oxygen-excess metal oxide of the present invention has an oxygen adsorption rate of 0.5 wt% / min or more, more preferably 0 when the oxygen adsorption amount is changed from 1 wt% to 1.5 wt% under the test conditions. It can be seen that it is 7 wt% / min or more. At the same time, the oxygen-excess metal oxide of the present invention is 1.5 wt% or more, more preferably 1.7 wt% or more, and most preferably 2 wt% or more, even if repeated adsorption and desorption of oxygen is repeated under the present test conditions. It can be seen that it exhibits oxygen adsorption ability.

同様に0.5wt%から1wt%までの酸素吸着速度は、実施例1〜3では1サイクル目から6サイクル目まで全て0.9wt%/分であるのに対し、比較例1ではすべて0.3wt%/分であった。よって、この0.5wt%から1wt%までの酸素吸着速度でも、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、酸素吸着速度が0.5wt%/分以上、より好ましくは0.7wt%/分以上であることが判る。   Similarly, the oxygen adsorption rates from 0.5 wt% to 1 wt% are all 0.9 wt% / min from the first cycle to the sixth cycle in Examples 1 to 3, whereas the oxygen adsorption rate from Comparative Example 1 is all 0. It was 3 wt% / min. Therefore, even with the oxygen adsorption rate from 0.5 wt% to 1 wt%, the oxygen-excess metal oxide of the present invention has an oxygen adsorption rate of 0.5 wt% / min or more, more preferably 0.7 wt% / min or more. It turns out that it is.

本発明の酸素過剰型金属酸化物は、酸素吸脱着能力に優れ、酸素吸脱着速度が非常に高く、その上さらに繰り返し使用時の耐久性が高いため、繰り返しの使用サイクルが要求される酸素貯蔵用、酸素濃縮用、酸素分離用又は酸素選択膜用の実用化材料として、広く且つ有効に利用可能である。また、従来と比べて酸素吸脱着能力が高められているので、これらの用途における小型化及び省エネルギー化にも資する。さらに、比較的に低温域で作動する材料であることから、燃料電池や自動車の排ガス浄化装置の三元触媒等、寒冷地用の実用化材料としても殊に有用である。   The oxygen-excess metal oxide of the present invention is excellent in oxygen adsorption / desorption capability, has a very high oxygen adsorption / desorption rate, and further has high durability during repeated use. Therefore, oxygen storage that requires repeated use cycles is required. It can be used widely and effectively as a material for practical use for oxygen, oxygen concentration, oxygen separation or oxygen selective membrane. Moreover, since the oxygen adsorption / desorption capability is enhanced as compared with the conventional one, it contributes to miniaturization and energy saving in these applications. Furthermore, since it is a material that operates in a relatively low temperature range, it is particularly useful as a practical material for cold districts, such as a three-way catalyst for a fuel cell or an exhaust gas purification device of an automobile.

Claims (17)

下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを少なくとも有し、粉末X線回折測定において、六方晶構造の103のピーク強度が110のピーク強度より小さく、且つ、103のピークの半値幅(FWHM)が0.3°以上である、酸素過剰型金属酸化物。
The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ (1)
(Where
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca,
D is one or more selected from alkaline earth metal elements,
E and G are each independently one or more selected from oxygen tetracoordinate elements, and at least one is a transition metal element,
j> 0, k> 0, and independently m ≧ 0 and n ≧ 0, provided that j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )
In the powder X-ray diffraction measurement, the peak intensity of 103 of the hexagonal crystal structure is smaller than the peak intensity of 110, and the half width (FWHM) of the peak of 103 is 0.3. An oxygen-excess metal oxide that is at least ° C.
350℃1気圧の窒素中に静置し重量変化を生じなくなった時点の重量を基準重量とし、次いで350℃1気圧の酸素中に静置し重量変化が起こらなくなるまで酸素吸収させた後、雰囲気ガスを350℃1気圧の窒素に切り替えたとき、前記基準重量より1.5wt%重い状態から前記基準重量より0.5wt%重い状態まで減少するまでの酸素放出速度が0.5wt%/分以上である、
請求項1に記載の酸素過剰型金属酸化物。
The weight at the time of no change in weight after standing in nitrogen at 350 ° C. at 1 atm is taken as the reference weight, and then the oxygen is absorbed in oxygen at 350 ° C. at 1 atm until no change in weight occurs. When the gas is switched to nitrogen at 350 ° C. and 1 atm, the oxygen release rate until it decreases from 1.5 wt% heavier than the reference weight to 0.5 wt% heavier than the reference weight is 0.5 wt% / min or more. Is,
The oxygen-excess metal oxide according to claim 1.
前記一般式(1)中のAがYを含む、
請求項1又は2に記載の酸素過剰型金属酸化物。
A in the general formula (1) includes Y,
The oxygen-excess metal oxide according to claim 1 or 2.
前記一般式(1)中のDがBaを含む、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。
D in the general formula (1) contains Ba,
The oxygen excess type metal oxide as described in any one of Claims 1-3.
前記一般式(1)中のEがCoを含む、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。
E in the general formula (1) contains Co,
The oxygen excess type metal oxide as described in any one of Claims 1-4.
粉末X線回折測定において、下記(a)〜(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
前記(b)ピーク強度が前記(a)のピーク強度より小さく、前記(a)の半値幅が前記(b)の半値幅の1/2以下であり、且つ、前記(b)の半値幅が0.3°以上である、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。
In powder X-ray diffraction measurement, it has a LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure characterized by a diffraction pattern having all of the following (a) to (d):
(A) 110 peak (b) 103 peak (c) 112 peak (d) 201 peak (b) The peak intensity is smaller than the peak intensity of (a), and the half width of (a) is It is 1/2 or less of the half value width of (b), and the half value width of (b) is 0.3 ° or more.
The oxygen-excess type metal oxide according to any one of claims 1 to 5.
請求項1〜6のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用いた、
酸素吸脱着装置。
Using the oxygen-excess metal oxide according to any one of claims 1 to 6,
Oxygen adsorption / desorption device.
350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる、
請求項7に記載の酸素吸脱着装置。
Oxygen is adsorbed on the oxygen-excess metal oxide below 350 ° C., and oxygen is released from the oxygen-excess metal oxide above 350 ° C.
The oxygen adsorption / desorption device according to claim 7.
200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる、
請求項7に記載の酸素吸脱着装置。
At 200 ° C. or more and 400 ° C. or less, oxygen is adsorbed on the oxygen-excess type metal oxide in the presence of oxygen, and oxygen is released from the oxygen-excess type metal oxide under a pressure where the oxygen partial pressure is lower than that during oxygen adsorption.
The oxygen adsorption / desorption device according to claim 7.
請求項1〜6のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、
350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する、酸素濃縮装置。
Using the oxygen-excess metal oxide according to any one of claims 1 to 6,
An oxygen concentrator for concentrating oxygen by adsorbing oxygen to the oxygen-excess metal oxide at less than 350 ° C. and releasing oxygen from the oxygen-excess metal oxide at 350 ° C. or higher.
請求項1〜6のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、
200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する、酸素濃縮装置。
Using the oxygen-excess metal oxide according to any one of claims 1 to 6,
Oxygen is adsorbed on the oxygen-excess metal oxide in the presence of oxygen at a temperature of 200 ° C. or more and 400 ° C. or less, and oxygen is released from the oxygen-excess metal oxide under a pressure lower than the oxygen adsorption pressure. Oxygen concentrator for concentrating oxygen.
酸素含有量が大気中より低い低酸素雰囲気下、700℃以上、950℃未満で酸素過剰型金属酸化物の前駆体を焼成することを特徴とする、
下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを少なくとも有する酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
Calcining a precursor of an oxygen-excess type metal oxide at a temperature of 700 ° C. or higher and lower than 950 ° C. in a low oxygen atmosphere having an oxygen content lower than that in the air;
The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ (1)
(Where
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca,
D is one or more selected from alkaline earth metal elements,
E and G are each independently one or more selected from oxygen tetracoordinate elements, and at least one is a transition metal element,
j> 0, k> 0, and independently m ≧ 0 and n ≧ 0, provided that j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )
The manufacturing method of the oxygen excess type metal oxide which has at least stoichiometry represented by these.
前記一般式(1)で表されるストイキオメトリを少なくとも有する酸素過剰型金属酸化物は、粉末X線回折測定において、六方晶構造の103のピーク強度が110のピーク強度より小さく、且つ、103のピークの半値幅が0.3°以上である、
請求項12に記載の酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
The oxygen-excess metal oxide having at least stoichiometry represented by the general formula (1) has a peak intensity of 103 having a hexagonal crystal structure smaller than a peak intensity of 110 in powder X-ray diffraction measurement, and 103 The peak half-value width is 0.3 ° or more,
The manufacturing method of the oxygen excess type metal oxide of Claim 12.
前記一般式(1)で表されるストイキオメトリを少なくとも有する酸素過剰型金属酸化物は、粉末X線回折測定において、下記(a)〜(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
前記(b)ピーク強度が前記(a)のピーク強度より小さく、前記(a)の半値幅が前記(b)の半値幅の1/2以下であり、且つ、前記(b)の半値幅が0.3°以上である、
請求項12又は13に記載の酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
The oxygen-excess metal oxide having at least stoichiometry represented by the general formula (1) is characterized by LuBa characterized by a diffraction pattern having all of the following (a) to (d) in powder X-ray diffraction measurement: (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure,
(A) 110 peak (b) 103 peak (c) 112 peak (d) 201 peak (b) The peak intensity is smaller than the peak intensity of (a), and the half width of (a) is It is 1/2 or less of the half value width of (b), and the half value width of (b) is 0.3 ° or more.
The method for producing an oxygen-rich metal oxide according to claim 12 or 13.
酸素含有量が5体積%以下の雰囲気下で焼成する、
請求項12〜14のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
Firing in an atmosphere having an oxygen content of 5% by volume or less,
The manufacturing method of the oxygen excess type metal oxide as described in any one of Claims 12-14.
前記一般式(1)で表されるストイキオメトリに対応する有効モル比で、前記A、D、E及びGの酸化物、炭酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、硝酸塩及び/又はこれらの水和物を少なくとも含む前駆体から作製する、
請求項12〜15のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
In the effective molar ratio corresponding to the stoichiometry represented by the general formula (1), the oxides, carbonates, acetates, citrates, nitrates and / or waters of the A, D, E and G Made from a precursor containing at least a Japanese product,
The manufacturing method of the oxygen excess type metal oxide as described in any one of Claims 12-15.
Y、Ba及びCoを少なくとも0.8〜1.2:0.8〜1.2:3.2〜4.8の化学量論比で含有し、
粉末X線回折測定において、下記(a)〜(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
前記(b)ピーク強度が前記(a)のピーク強度より小さく、前記(a)の半値幅が前記(b)の半値幅の1/2以下であり、且つ、前記(b)の半値幅が0.3°以上である、
酸素過剰型金属酸化物。
Y, Ba and Co are contained in a stoichiometric ratio of at least 0.8 to 1.2: 0.8 to 1.2: 3.2 to 4.8,
In powder X-ray diffraction measurement, it has a LuBa (Zn, Al) 4 O 7 type crystal structure characterized by a diffraction pattern having all of the following (a) to (d):
(A) 110 peak (b) 103 peak (c) 112 peak (d) 201 peak (b) The peak intensity is smaller than the peak intensity of (a), and the half width of (a) is It is 1/2 or less of the half value width of (b), and the half value width of (b) is 0.3 ° or more.
Oxygen-rich metal oxide.
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