JP2020012171A - Manufacturing method of electrode, electrode, and manufacturing method of hydrogen - Google Patents

Manufacturing method of electrode, electrode, and manufacturing method of hydrogen Download PDF

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Abstract

To provide a manufacturing method of an electrode capable of manufacturing the electrode hardly generating increase of overvoltage by a simple method, the electrode, and a manufacturing method of hydrogen.SOLUTION: The manufacturing method of an electrode has a process 1 for heat treating a solution A containing a compound of a first metal M1, where the metal M1 is at least one kind selected from a group consisting of Ni, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo, at a state that an electrode substrate is immersed in the solution A, then taking the electrode substrate and burning the same, and a process 2 for conducting a pulse electrodeposition treatment in a solution B containing a compound of a second metal M1, where the metal M1 is same metal as the metal M1 in the compound of the first metal M1, and a compound of a metal M2, where M2 is at least one kind selected from a group consisting of Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、電極の製造方法、電極及び水素の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrode, an electrode, and a method for producing hydrogen.

水素は燃焼時にCO排出がゼロであることから、化石燃料に代わるクリーンなエネルギー源として期待されている。特に、太陽光、風力、水力等の再生可能なエネルギーを電力とする水の電気分解法による水素の製造方法は一切COを排出しないことから、クリーンな水素製造方法として大きな期待が寄せられている。 Hydrogen is expected to be a clean energy source that replaces fossil fuels because it emits zero CO 2 during combustion. In particular, solar, wind, and no CO 2 production process of hydrogen because it does not discharge by electrolysis of water to power a renewable energy hydro etc., with great expectations were received as a clean process for producing hydrogen I have.

一般に、水の電気分解用の電極としては、炭素基材上に白金粒子触媒を固定したものが用いられている。しかしながら、白金は価格が高く、資源量にも限りがあるため、白金の使用量を低減する技術や白金代替触媒及び/又は電極の開発が求められている。   Generally, an electrode in which a platinum particle catalyst is fixed on a carbon substrate is used as an electrode for electrolysis of water. However, since platinum is expensive and has a limited amount of resources, there is a need for a technique for reducing the amount of platinum used and for the development of a platinum-substituted catalyst and / or an electrode.

白金の使用量を低減する方法としては、例えば、特許文献1において、白金をアノード、炭素基材をカソードとして、希硫酸中で電解処理を行うことにより、希硫酸中に微量溶解した白金イオンを炭素基材上に析出させる技術が開示されている。また、水の電気分解用の白金代替電極としては、例えば、特許文献2において、導電性基材の表面に卑金属酸化物層を形成し、当該卑金属酸化物層上に金、銀等の貴金属を担持させた電極が開示されている。   As a method for reducing the amount of platinum used, for example, in Patent Document 1, platinum is used as an anode and a carbon substrate as a cathode, and an electrolytic treatment is performed in dilute sulfuric acid to remove platinum ions dissolved in a small amount in dilute sulfuric acid. A technique for depositing on a carbon substrate is disclosed. As a platinum substitute electrode for electrolysis of water, for example, in Patent Document 2, a base metal oxide layer is formed on the surface of a conductive substrate, and a noble metal such as gold or silver is formed on the base metal oxide layer. A supported electrode is disclosed.

国際公開第2010/029162号International Publication No. WO 2010/029162 国際公開第2013/005252号WO 2013/005252

しかしながら、近年において、水の電気分解等に用いられる電極には、従来の電極よりもさらなる性能の向上が望まれており、また、そのような電極を簡便な方法で製造することが望まれていた。特に、過電圧の上昇が起こりにくい電極が強く要望されており、また、そのような電極を簡便な方法で製造できる製造技術の構築が望まれていた。   However, in recent years, it is desired that electrodes used for electrolysis of water and the like have further improved performance than conventional electrodes, and that such electrodes are desired to be manufactured by a simple method. Was. In particular, there is a strong demand for an electrode that does not easily cause an increase in overvoltage, and it has been desired to establish a manufacturing technique capable of manufacturing such an electrode by a simple method.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、過電圧の上昇が起こりにくい電極を簡便な方法で製造できる電極の製造方法及び電極、並びに水素の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrode, an electrode, and a method for manufacturing hydrogen, which can easily manufacture an electrode in which overvoltage is unlikely to increase.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、例えば、特定の化合物を水熱合成法するなどして、電極材料を特定組成とすることにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventors have conducted intensive studies to achieve the above object, and found that the above object can be achieved by setting the electrode material to a specific composition, for example, by hydrothermal synthesis of a specific compound. Thus, the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、例えば、以下の項に記載の主題を包含する。
項1
第1の金属M1の化合物(ここで、金属M1はNi、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液Aに電極基材を浸漬した状態で加熱処理した後、前記電極基材を取り出して焼成する工程1と、
前記工程1で焼成された電極基材を、第2の金属M1の化合物(金属M1は、前記第1の金属M1の化合物における金属M1と同一の金属である)及び金属M2の化合物(ここで、金属M2はFe、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液B中でパルス電着処理を行う工程2と、
を具備する、電極の製造方法。
項2
第1の金属M1の化合物(ここで、金属M1はNi、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液Aに電極基材を浸漬した状態で加熱処理した後、前記電極基材を取り出して焼成する工程1と、
前記工程1で焼成された電極基材を、第2の金属M1の化合物(金属M1は、前記第1の金属M1の化合物における金属M1と同一の金属である)及び金属M2の化合物(ここで、金属M2はFe、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液Cに浸漬した状態で加熱処理を行う工程3と、
を具備する、電極の製造方法。
項3
前記工程3で得られた電極を有機溶媒に浸漬して超音波を照射する工程4をさらに備える、項2に記載の電極の製造方法。
項4
前記電極は、電極基材上に金属M1の酸化物と、層状複水酸化物とが形成されており、
前記層状複水酸化物は、金属M1及び金属M2を含有する、項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
項5
電極基材上に金属M1の酸化物と、金属M1及び金属M2を含有する層状複水酸化物が形成されている、電極。
項6
項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法で得られた電極又は項5に記載の電極を使用して、水溶液中で電解処理を行う工程を含む、水素の製造方法。
That is, the present invention includes, for example, the subjects described in the following sections.
Item 1
The electrode substrate was immersed in a solution A containing a compound of the first metal M1 (where the metal M1 is at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo). After heat treatment in a state, a step 1 of taking out and firing the electrode base material;
The electrode base material fired in the step 1 is combined with a compound of the second metal M1 (the metal M1 is the same metal as the metal M1 in the compound of the first metal M1) and a compound of the metal M2 (here, A metal M2 is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo), and performing a pulse electrodeposition treatment in a solution B containing:
A method for producing an electrode, comprising:
Item 2
The electrode substrate was immersed in a solution A containing a compound of the first metal M1 (where the metal M1 is at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo). After heat treatment in a state, a step 1 of taking out and firing the electrode base material;
The electrode base material fired in the step 1 is combined with a compound of the second metal M1 (the metal M1 is the same metal as the metal M1 in the compound of the first metal M1) and a compound of the metal M2 (here, , A metal M2 is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo), and a heat treatment in a state of being immersed in a solution C containing
A method for producing an electrode, comprising:
Item 3
Item 3. The method for producing an electrode according to Item 2, further comprising a step 4 of immersing the electrode obtained in the step 3 in an organic solvent and irradiating the ultrasonic wave.
Item 4
The electrode has an oxide of metal M1 and a layered double hydroxide formed on an electrode substrate,
The method according to any one of Items 1 to 3, wherein the layered double hydroxide contains a metal M1 and a metal M2.
Item 5
An electrode in which an oxide of metal M1 and a layered double hydroxide containing metal M1 and metal M2 are formed on an electrode substrate.
Item 6
Item 5. A method for producing hydrogen, comprising a step of performing an electrolytic treatment in an aqueous solution using the electrode obtained by the method according to any one of Items 1 to 4 or the electrode according to Item 5.

本発明の電極の製造方法によれば、過電圧の上昇が起こりにくい電極を簡便な方法で製造できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the manufacturing method of the electrode of this invention, the electrode with which overvoltage does not increase easily can be manufactured by a simple method.

本発明の電極は、例えば、水の電気分解において、過電圧の上昇が起こりにくく、水素を効率よく製造することができる。   The electrode of the present invention, for example, hardly causes an increase in overvoltage in the electrolysis of water, and can efficiently produce hydrogen.

各実施例及び比較例で得られた電極のリニアスイープボルタンメトリー曲線を示す。4 shows a linear sweep voltammetry curve of the electrodes obtained in each of the examples and comparative examples. 各実施例及び比較例で得られた電極のXRDスペクトルを示す。The XRD spectrum of the electrode obtained by each Example and the comparative example is shown. 実施例1で得られた電極のSEM画像を示す。3 shows an SEM image of the electrode obtained in Example 1. 実施例1で得られた電極の元素マッピングの結果であり、(a)は電極表面のSEM画像の元素マッピング、(b)は元素マッピングスペクトル、(c)はNiの分布の様子、(d)はFeの分布の様子を示す。It is a result of the element mapping of the electrode obtained in Example 1, (a) is the element mapping of the SEM image of the electrode surface, (b) is the element mapping spectrum, (c) is the state of distribution of Ni, (d) Shows the distribution of Fe. 実施例1及び5〜8で得られた電極のリニアスイープボルタンメトリー曲線を示す。4 shows a linear sweep voltammetry curve of the electrodes obtained in Examples 1 and 5 to 8. (a)〜(e)はそれぞれ、実施例5、実施例6、実施例1、実施例7及び実施例8で得られた電極のSEM画像を示す。(A) to (e) show SEM images of the electrodes obtained in Example 5, Example 6, Example 1, Example 7, and Example 8, respectively. 各実施例及び比較例で得られた電極のリニアスイープボルタンメトリー曲線を示す。4 shows a linear sweep voltammetry curve of the electrodes obtained in each of the examples and comparative examples. 実施例1で得られた電極を用いて水の電気分解を行った場合のクロノポテンシオメトリーの結果を示す。2 shows the results of chronopotentiometry when electrolysis of water was performed using the electrode obtained in Example 1. クロノポテンシオメトリー試験を30時間続けた後の電極を用いて、リニアスイープボルタンメトリー試験を行った結果を示す。The result of having performed the linear sweep voltammetry test using the electrode after continuing a chronopotentiometry test for 30 hours is shown. (a)及び(b)は、クロノポテンシオメトリー試験前の電極表面のSEM画像、(c)及び(d)は、クロノポテンシオメトリー試験(ただし、電流密度が50mA/cm)を30時間続けた後の電極表面のSEM画像を示す。(A) and (b) are SEM images of the electrode surface before the chronopotentiometry test, and (c) and (d) are chronopotentiometry tests (current density of 50 mA / cm 2 ) for 30 hours. 5 shows an SEM image of the electrode surface after continuation. 実施例13〜17及び比較例8で得られた電極のリニアスイープボルタンメトリー曲線を示す。9 shows a linear sweep voltammetry curve of the electrodes obtained in Examples 13 to 17 and Comparative Example 8. リニアスイープボルタンメトリー曲線から算出したターフェル勾配を示す。The Tafel slope calculated from the linear sweep voltammetry curve is shown. 実施例1、実施例14、比較例8で得た電極のXRDスペクトルを示す。13 shows XRD spectra of the electrodes obtained in Example 1, Example 14, and Comparative Example 8.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書中において、「含有」及び「含む」なる表現については、「含有」、「含む」、「実質的にからなる」及び「のみからなる」という概念を含む。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In this specification, the expressions “contain” and “contain” include the concepts of “contain”, “contain”, “consisting essentially of” and “consisting of only”.

1.電極の製造方法及び電極
本発明の電極の製造方法は、例えば、第1の製造方法及び第2の製造方法を包含することができる。なお、本明細書において、「本願発明の製造方法」との表記は、第1の製造方法及び第2の製造方法の両方を含む製造方法であることを意味する。
1. Electrode manufacturing method and electrode The electrode manufacturing method of the present invention can include, for example, a first manufacturing method and a second manufacturing method. In this specification, the expression “the manufacturing method of the present invention” means a manufacturing method including both the first manufacturing method and the second manufacturing method.

第1の製造方法は、少なくとも下記の工程1及び工程2を具備する。
工程1:第1の金属M1の化合物(ここで、金属M1はNi、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液Aに電極基材を浸漬した状態で加熱処理した後、前記電極基材を取り出して焼成する工程。
工程2:前記工程1で焼成された電極基材を、第2の金属M1の化合物(金属M1は、前記第1の金属M1の化合物における金属M1と同一の金属である)及び金属M2の化合物(ここで、金属M2はFe、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液B中でパルス電着処理を行う工程。
The first manufacturing method includes at least the following steps 1 and 2.
Step 1: an electrode base material in a solution A containing a compound of a first metal M1 (where the metal M1 is at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo) A heat treatment in a state of immersion, and then taking out and firing the electrode substrate.
Step 2: The electrode substrate fired in the step 1 is mixed with a compound of the second metal M1 (the metal M1 is the same metal as the metal M1 in the compound of the first metal M1) and a compound of the metal M2. (Where the metal M2 is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Mn, and Mo) in a step of performing a pulse electrodeposition treatment in a solution B containing

第2の製造方法は、少なくとも下記の工程1及び工程3を具備する。
工程1:第1の金属M1の化合物(ここで、金属M1はNi、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液Aに電極基材を浸漬した状態で加熱処理した後、前記電極基材を取り出して焼成する工程。
工程3:前記工程1で焼成された電極基材を、第2の金属M1の化合物(金属M1は、前記第1の金属M1の化合物における金属M1と同一の金属である)及び金属M2の化合物(ここで、金属M2はFe、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液Cに浸漬した状態で加熱処理を行う工程。
The second manufacturing method includes at least the following steps 1 and 3.
Step 1: an electrode base material in a solution A containing a compound of a first metal M1 (where the metal M1 is at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo) A heat treatment in a state of immersion, and then taking out and firing the electrode substrate.
Step 3: The electrode base material fired in the step 1 is mixed with a compound of the second metal M1 (the metal M1 is the same metal as the metal M1 in the compound of the first metal M1) and a compound of the metal M2. (Where the metal M2 is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo) in a state of being immersed in a solution C containing a heat treatment.

第1の製造方法における工程1と、第2の製造方法における工程1とは同一である。   Step 1 in the first manufacturing method is the same as step 1 in the second manufacturing method.

本発明の製造方法は、工程が簡便であり、容易に電極を製造することができる。また、得られた電極は、例えば、水の電気分解等に使用した場合に、過電圧の上昇が起こりにくく、優れた耐久性を有することができる。   The production method of the present invention has simple steps and can easily produce an electrode. In addition, when the obtained electrode is used for, for example, electrolysis of water or the like, an increase in overvoltage hardly occurs, and the electrode can have excellent durability.

(工程1)
第1の製造方法及び第2の製造方法において、工程1で使用する溶液Aは、第1の金属M1の化合物と、溶媒とを含む。
(Step 1)
In the first manufacturing method and the second manufacturing method, the solution A used in the step 1 includes a compound of the first metal M1 and a solvent.

金属M1はNi、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である。つまり、金属M1は特定種の2価又は3価の遷移金属元素である。金属M1は、過電圧を抑制しやすい電極を形成しやすい観点から、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)であることが好ましく、ニッケルであることが特に好ましい。   The metal M1 is at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Cr, Zn, Mn, and Mo. That is, the metal M1 is a specific type of divalent or trivalent transition metal element. The metal M1 is preferably Ni (nickel) or Co (cobalt), and particularly preferably nickel, from the viewpoint of easily forming an electrode that easily suppresses overvoltage.

本発明の製造方法において、第1の金属M1の化合物の種類は特に限定されない。例えば、第1の金属M1の化合物としては、公知の無機酸塩、公知の有機酸塩、金属M1の水酸化物及び金属M1のハロゲン化物等を広く使用することができる。   In the production method of the present invention, the type of the compound of the first metal M1 is not particularly limited. For example, as the compound of the first metal M1, a known inorganic acid salt, a known organic acid salt, a hydroxide of the metal M1, a halide of the metal M1, and the like can be widely used.

金属M1の無機酸塩としては、金属M1の硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等からなる郡より選ばれる1種以上を挙げることができる。   Examples of the inorganic acid salt of the metal M1 include at least one selected from the group consisting of nitrate, hydrochloride, sulfate, carbonate, hydrogencarbonate, phosphate, and hydrogenphosphate of the metal M1. .

金属M1の有機酸塩としては、金属M1の酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩、コハク酸塩等からなる郡より選ばれる1種以上を挙げることができる。   Examples of the organic acid salt of the metal M1 include one or more selected from the group consisting of acetate, oxalate, formate, succinate, and the like of the metal M1.

本発明の製造方法において、第1の金属M1の化合物としては、水に溶解して水溶液を形成しやすく、また、工程1においてニッケルの酸化物が得られやすいという観点から、金属M1の硝酸塩、塩酸塩であることが好ましい。第1の金属M1の化合物は水和物であってもよい。   In the production method of the present invention, the compound of the first metal M1 may be a nitrate of the metal M1 from the viewpoint that it is easily dissolved in water to form an aqueous solution and a nickel oxide is easily obtained in the step 1. Preferably it is the hydrochloride. The compound of the first metal M1 may be a hydrate.

工程1で使用する第1の金属M1の化合物は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。第1の金属M1の化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販のニッケル化合物を使用することもできる。   The compound of the first metal M1 used in the step 1 may be used alone or in combination of two or more. The compound of the first metal M1 can be obtained by a known production method, or a commercially available nickel compound can be used.

溶液Aにおいて、溶媒としては、水、あるいは、水と低級アルコール(例えば、メタノール、エタノール等の炭素数1〜4のアルコール)との混合物を使用することができ、特に好ましくは、水である。水は、蒸留水、水道水、工業用水、イオン交換水、脱イオン水、純水、電解水などの各種の水を用いることができる。溶媒には、本発明の効果が阻害されない限り、pH調整剤、粘度調整剤、防かび剤等を含有していてもよい。   In the solution A, as the solvent, water or a mixture of water and a lower alcohol (for example, an alcohol having 1 to 4 carbon atoms such as methanol and ethanol) can be used, and water is particularly preferable. As the water, various types of water such as distilled water, tap water, industrial water, ion-exchanged water, deionized water, pure water, and electrolytic water can be used. The solvent may contain a pH adjuster, a viscosity adjuster, a fungicide and the like as long as the effects of the present invention are not impaired.

第1の製造方法及び第2の製造方法において、工程1では、第1の金属M1の化合物を含む溶液Aに電極基材を浸漬した状態で加熱処理をし、次いで、電極基材を取り出して焼成を行う。この工程1では、電極基材上に金属M1の酸化物が形成される。   In the first manufacturing method and the second manufacturing method, in step 1, a heat treatment is performed in a state where the electrode base material is immersed in the solution A containing the compound of the first metal M1, and then the electrode base material is taken out. Perform baking. In this step 1, an oxide of the metal M1 is formed on the electrode substrate.

溶液Aにおいて、第1の金属M1の化合物の濃度は特に限定されない。例えば、溶液Aにおいて、溶媒100mLあたり、第1の金属M1の化合物が8〜15mmol溶解していることが好ましい。この場合、構造が安定な金属M1の酸化物を電極基材上に均一に形成しやすい。   In the solution A, the concentration of the compound of the first metal M1 is not particularly limited. For example, in solution A, it is preferable that 8 to 15 mmol of the compound of the first metal M1 is dissolved per 100 mL of the solvent. In this case, it is easy to uniformly form the oxide of the metal M1 having a stable structure on the electrode substrate.

溶液Aは、第1の金属M1の化合物以外に他の添加剤を含むこともできる。他の添加剤としては、例えば、pH調整剤を挙げることができる。pH調整剤としては、尿素(CO(NH)、NHF、水酸化アンモニウム等を挙げることができる。pH調整剤は1種のみ又は2種以上を組み合わせて使用することができる。 The solution A may also contain other additives in addition to the compound of the first metal M1. Other additives include, for example, pH adjusters. Examples of the pH adjuster include urea (CO (NH 2 ) 2 ), NH 4 F, and ammonium hydroxide. The pH adjusters can be used alone or in combination of two or more.

溶液Aにおいて、溶媒100mLあたり、尿素が20〜30mmol溶解していることが好ましい。この場合、溶液Aがアルカリ領域のpHを有しやすいので、得られる酸化物が花びら形状を有しやすく、後記する水熱合成によって水酸化物が形成されやすい。   In the solution A, it is preferable that 20 to 30 mmol of urea is dissolved per 100 mL of the solvent. In this case, since the solution A tends to have a pH in an alkaline region, the obtained oxide tends to have a petal shape, and a hydroxide is easily formed by hydrothermal synthesis described later.

溶液Aにおいて、溶媒100mLあたり、NHFが15〜25mmol溶解していることが好ましい。この場合、溶液Aがアルカリ領域のpHを有しやすいので、得られる酸化物が花びら形状を有しやすく、後記する水熱合成によって水酸化物が形成されやすい。 In the solution A, it is preferable that 15 to 25 mmol of NH 4 F is dissolved per 100 mL of the solvent. In this case, since the solution A tends to have a pH in an alkaline region, the obtained oxide tends to have a petal shape, and a hydroxide is easily formed by hydrothermal synthesis described later.

溶液Aは、第1の金属M1の化合物、pH調整剤及び溶媒のみからなるものであってもよい。   The solution A may be composed of only the compound of the first metal M1, the pH adjuster and the solvent.

溶液Aに浸漬する電極基材としては、特に限定されず、例えば、公知の導電性の基材を広く採用することができる。電極基材としては、例えば、ニッケル、炭素、ニッケル−リン合金、ニッケル−タングステン合金、ステンレス、チタン、鉄、銅、導電ガラスなどが挙げられる。   The electrode substrate immersed in the solution A is not particularly limited, and, for example, a known conductive substrate can be widely used. Examples of the electrode substrate include nickel, carbon, a nickel-phosphorus alloy, a nickel-tungsten alloy, stainless steel, titanium, iron, copper, and conductive glass.

溶液Aに浸漬する電極基材は、炭素基材又はニッケル基材であることが好ましい。この場合、所望の電極を製造することが容易となり、また、得られる電極は、水の電気分解等において、過電圧の上昇が起こりにくく、優れた耐久性を有しやすい。より具体的に電極基材として、炭素基材である場合は、カーボンファイバー紙を、ニッケル基材である場合は、ニッケルフォームを例示することができる。特に、第1の製造方法では、電極基材は、カーボンファイバー紙であることが好ましく、第2の製造方法では、電極基材は、ニッケルフォームであることが好ましい。   The electrode substrate immersed in the solution A is preferably a carbon substrate or a nickel substrate. In this case, it becomes easy to manufacture a desired electrode, and the obtained electrode is unlikely to cause an increase in overvoltage in electrolysis of water or the like, and easily has excellent durability. More specifically, when the electrode substrate is a carbon substrate, carbon fiber paper can be exemplified, and when the electrode substrate is a nickel substrate, a nickel foam can be exemplified. In particular, in the first production method, the electrode substrate is preferably carbon fiber paper, and in the second production method, the electrode substrate is preferably nickel foam.

電極基材は、公知の方法で得ることができ、あるいは、市販の電極基材を採用することもできる。   The electrode substrate can be obtained by a known method, or a commercially available electrode substrate can be employed.

電極基材の形状は特に制限されず、使用目的や要求される性能により適宜選択することができる。例えば、シート状、板状、棒状、メッシュ状等の電極基材が挙げられる。   The shape of the electrode substrate is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the purpose of use and required performance. For example, a sheet-like, plate-like, rod-like, mesh-like, or other electrode base material may be used.

電極基材は、溶液Aに浸漬する前にあらかじめ洗浄処理を行うことができる。洗浄処理の方法は特に限定されず、公知の方法を広く採用することができる。例えば、電極基材を塩酸等の酸で洗浄する方法が挙げられる。酸洗浄するにあたっては、超音波処理を組み合わせることもできる。   Before the electrode substrate is immersed in the solution A, a cleaning treatment can be performed in advance. The method of the cleaning treatment is not particularly limited, and a known method can be widely employed. For example, a method of washing the electrode substrate with an acid such as hydrochloric acid can be mentioned. In acid cleaning, ultrasonic treatment may be combined.

電極基材を溶液Aに浸漬する方法は特に限定されず、通常は、電極基材の全体が溶液Aに浸されるように行うことができる。電極基材の浸漬は、例えば、後記する水熱合成が可能な容器内で行うことができる。このような容器として、耐圧式のオートクレーブを挙げることができる。   The method of immersing the electrode substrate in the solution A is not particularly limited, and usually, the electrode substrate can be immersed in the solution A. The immersion of the electrode substrate can be performed, for example, in a container capable of hydrothermal synthesis described later. An example of such a container is a pressure-resistant autoclave.

工程1では、電極基材を溶液Aに浸漬した状態で加熱処理を行う。工程1の加熱処理としては、水熱合成法を挙げることができる。ここでいう水熱合成法は、電極基材を溶液Aに浸漬した状態で容器を密閉し、該容器内を加熱する方法である。この水熱合成により、電極基材上に金属M1の水酸化物(例えばNi(OH))が形成され得る。 In step 1, a heat treatment is performed with the electrode substrate immersed in the solution A. Examples of the heat treatment in Step 1 include a hydrothermal synthesis method. The hydrothermal synthesis method referred to here is a method in which the container is sealed while the electrode substrate is immersed in the solution A, and the inside of the container is heated. By this hydrothermal synthesis, a hydroxide (for example, Ni (OH) 2 ) of the metal M1 can be formed on the electrode substrate.

水熱合成における容器内の温度は、金属M1の水酸化物が形成される条件である限りは特に制限されず、例えば、90〜200℃とすることができる。この温度にて容器を保持する時間も特に限定されず、例えば、30分〜5時間とすることができる。水熱合成における反応容器内の圧力も特に限定されず、適宜の範囲に設定することができる。   The temperature in the vessel in the hydrothermal synthesis is not particularly limited as long as the conditions for forming the hydroxide of the metal M1 can be, for example, 90 to 200 ° C. The time for holding the container at this temperature is not particularly limited, and may be, for example, 30 minutes to 5 hours. The pressure in the reaction vessel in the hydrothermal synthesis is not particularly limited, either, and can be set in an appropriate range.

水熱合成において、溶液Aはアルカリ領域であることが好ましく、例えば、pHが8〜9であることが好ましい。この場合、水熱合成において、金属M1の水酸化物がより形成しやすくなり、また、形状も花びら状等に形成されやすい。   In the hydrothermal synthesis, the solution A is preferably in an alkaline region, and for example, preferably has a pH of 8 to 9. In this case, in the hydrothermal synthesis, the hydroxide of the metal M1 is more easily formed, and the shape is more easily formed in a petal shape or the like.

工程1において、加熱処理(水熱合成)の後は、容器から電極基材を取り出して焼成を行う。必要に応じて、焼成を行う前に容器から取り出した電極基材を水等で洗浄し、その後、乾燥処理を行ってもよい。乾燥処理は公知の方法を広く採用でき、例えば、真空乾燥等を挙げることができる。   In the step 1, after the heat treatment (hydrothermal synthesis), the electrode substrate is taken out of the container and fired. If necessary, the electrode base material taken out of the container may be washed with water or the like before firing, and then dried. Known methods can be widely used for the drying treatment, and examples thereof include vacuum drying.

工程1において、焼成の方法は特に限定されず、例えば、公知の焼成方法を広く採用することができる。   In the step 1, the firing method is not particularly limited, and for example, a known firing method can be widely used.

焼成温度は、例えば、300〜500℃とすることができ、400〜500℃とすることが好ましく、450℃前後とすることが特に好ましい。焼成時間は、焼成温度によって適宜選択することができる。   The firing temperature can be, for example, 300 to 500 ° C, preferably 400 to 500 ° C, and particularly preferably about 450 ° C. The firing time can be appropriately selected depending on the firing temperature.

工程1において、焼成を行う際の昇温速度も特に限定されず、所望の酸化物が形成される程度に適宜設定することができる。   In Step 1, the rate of temperature rise during baking is not particularly limited, and can be appropriately set to such an extent that a desired oxide is formed.

焼成は、空気中及び不活性ガス雰囲気中のいずれの雰囲気下で行ってもよい。好ましくは、空気中で焼成を行うことである。焼成は、例えば、市販の加熱炉等の公知の加熱装置を使用することができる。   The sintering may be performed in any of the air and the inert gas atmosphere. Preferably, the firing is performed in air. For the firing, for example, a known heating device such as a commercially available heating furnace can be used.

上記焼成によって、電極基材上の金属M1の水酸化物が金属M1の酸化物(例えば、NiO)へと変化する。   By the above-mentioned firing, the hydroxide of the metal M1 on the electrode substrate is changed to an oxide of the metal M1 (for example, NiO).

上記工程1の後、第1の製造方法では工程2を、第2の製造方法では工程3を行う。   After the above step 1, step 2 is performed in the first manufacturing method, and step 3 is performed in the second manufacturing method.

(工程2)
第1の製造方法において、工程2は、前記工程1で焼成された電極基材、つまり、金属M1の酸化物で修飾された電極基材を、第2の金属M1の化合物及び金属M2の化合物を含む溶液B中でパルス電着処理を行う工程である。この工程2は、金属M1の及び金属M2の層状複水酸化物を形成するための工程である。
(Step 2)
In the first manufacturing method, in the step 2, the electrode substrate fired in the step 1, that is, the electrode substrate modified with the oxide of the metal M1, is mixed with the compound of the second metal M1 and the compound of the metal M2. This is a step of performing a pulse electrodeposition treatment in a solution B containing This step 2 is a step for forming a layered double hydroxide of the metal M1 and the metal M2.

工程2で使用する溶液Bは、第2の金属M1の化合物及び金属M2の化合物と、溶媒とを含む。   The solution B used in the step 2 includes a compound of the second metal M1 and a compound of the metal M2, and a solvent.

工程2において、第2の金属M1の化合物の種類は特に限定されない。ただし、工程1で使用する第1の金属M1の化合物における金属M1と、工程2で使用する第2の金属M1の化合物における金属M1とは同一の金属である。第2の金属M1の化合物の種類としては、第1の金属M1の化合物と同様の種類を挙げることができる。   In step 2, the type of the compound of the second metal M1 is not particularly limited. However, the metal M1 in the compound of the first metal M1 used in the step 1 and the metal M1 in the compound of the second metal M1 used in the step 2 are the same metal. Examples of the kind of the compound of the second metal M1 include the same kind as the compound of the first metal M1.

工程2において、第2の金属M1の化合物としては、水に溶解して水溶液を形成しやすく、また、工程2及において、層状複水酸化物を形成しやすいという観点から、金属M1の硝酸塩、塩酸塩であることが好ましい。第2の金属M1の化合物は水和物であってもよい。   In the step 2, as the compound of the second metal M1, a nitrate of the metal M1, from the viewpoint of easily forming an aqueous solution by dissolving in water and forming a layered double hydroxide in the step 2 and the like, Preferably it is the hydrochloride. The compound of the second metal M1 may be a hydrate.

工程2で使用する第2の金属M1の化合物は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。第2の金属M1の化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販の金属M1の化合物を使用することもできる。   The compound of the second metal M1 used in step 2 may be used alone or in combination of two or more. The compound of the second metal M1 can be obtained by a known production method, or a commercially available compound of the metal M1 can be used.

工程2で使用する金属M2の化合物の種類は特に限定されない。例えば、金属M2の化合物としては、公知の無機酸塩、公知の有機酸塩、金属M2の水酸化物及び金属M2のハロゲン化物等を広く使用することができる。   The kind of the compound of the metal M2 used in the step 2 is not particularly limited. For example, as the compound of the metal M2, a known inorganic acid salt, a known organic acid salt, a hydroxide of the metal M2, a halide of the metal M2, and the like can be widely used.

ここで、金属M2はFe、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である。つまり、金属M2は特定種の2価又は3価の遷移金属元素である。金属M2は、過電圧を抑制しやすい電極を形成しやすい観点から、Fe(鉄)、Co(コバルト)であることが好ましく、鉄であることが特に好ましい。   Here, the metal M2 is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Mn, and Mo. That is, the metal M2 is a specific type of divalent or trivalent transition metal element. The metal M2 is preferably Fe (iron) or Co (cobalt), and particularly preferably iron, from the viewpoint of easily forming an electrode that easily suppresses overvoltage.

金属M2の無機酸塩としては、金属M2の硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等からなる郡より選ばれる1種以上を挙げることができる。   Examples of the inorganic acid salt of the metal M2 include at least one selected from the group consisting of nitrate, hydrochloride, sulfate, carbonate, hydrogencarbonate, phosphate, hydrogenphosphate, and the like of the metal M2. .

金属M2の有機酸塩としては、金属M2の酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩、コハク酸塩等からなる郡より選ばれる1種以上を挙げることができる。   Examples of the organic acid salt of the metal M2 include one or more selected from the group consisting of acetate, oxalate, formate, succinate, and the like of the metal M2.

工程2において、金属M2の化合物としては、水に溶解して水溶液を形成しやすく、また、酸化物が得られやすいという観点から、金属M2の硝酸塩、塩酸塩であることが好ましい。金属M2の化合物は水和物であってもよい。   In the step 2, the compound of the metal M2 is preferably a nitrate or a hydrochloride of the metal M2 from the viewpoint that it is easily dissolved in water to form an aqueous solution and an oxide is easily obtained. The compound of the metal M2 may be a hydrate.

工程2で使用する金属M2の化合物は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。金属M2の化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販の金属M2の化合物を使用することもできる。   The metal M2 compound used in Step 2 may be used alone or in combination of two or more. The compound of the metal M2 can be obtained by a known production method, or a commercially available compound of the metal M2 can be used.

工程1で使用する第1の金属M1の化合物と、工程2で使用する第2の金属M1の化合物とは、両者の金属M1が同一である限りは、同一の化合物であってもよく、異なる化合物とすることもできる。   The compound of the first metal M1 used in the step 1 and the compound of the second metal M1 used in the step 2 may be the same compound or different as long as both metals M1 are the same. It can also be a compound.

また、工程2で使用する第2の金属M1の化合物と金属M2の化合物は、塩の種類が同じであることが好ましい(例えば、硝酸塩どうしの組み合わせ、あるいは、塩酸塩どうしの組み合わせが好ましい)。   It is preferable that the second metal M1 compound and the metal M2 compound used in the step 2 have the same kind of salt (for example, a combination of nitrates or a combination of hydrochlorides is preferable).

溶液Bにおいて、溶媒としては、溶液Aで使用する溶媒と同様の種類を挙げることができ、特に好ましくは、水である。水は、蒸留水、水道水、工業用水、イオン交換水、脱イオン水、純水、電解水などの各種の水を用いることができる。溶媒には、本発明の効果が阻害されない限り、pH調整剤、粘度調整剤、防かび剤等を含有していてもよい。   In the solution B, examples of the solvent include the same type as the solvent used in the solution A, and water is particularly preferable. As the water, various types of water such as distilled water, tap water, industrial water, ion-exchanged water, deionized water, pure water, and electrolytic water can be used. The solvent may contain a pH adjuster, a viscosity adjuster, a fungicide and the like as long as the effects of the present invention are not impaired.

溶液Bにおいて、第2の金属M1の化合物及び金属M2の化合物の濃度は特に限定されない。例えば、溶液Bにおいて、溶媒100mLあたり、第2の金属M1の化合物が1〜100mmol溶解していることが好ましい。この場合、パルス電着により、電析を容易に行える。   In the solution B, the concentrations of the compound of the second metal M1 and the compound of the metal M2 are not particularly limited. For example, in the solution B, it is preferable that 1 to 100 mmol of the compound of the second metal M1 is dissolved per 100 mL of the solvent. In this case, electrodeposition can be easily performed by pulse electrodeposition.

また、溶液Bにおいて、溶媒100mLあたり、金属M2の化合物が1〜100mmol溶解していることが好ましい。この場合、パルス電着により、電析を容易に行える。   In the solution B, it is preferable that 1 to 100 mmol of the compound of the metal M2 is dissolved per 100 mL of the solvent. In this case, electrodeposition can be easily performed by pulse electrodeposition.

溶液Bにおいて、金属M1と金属M2の元素比は任意の範囲に調整することができる。例えば、溶液Bにおける金属M1と金属M2との元素比M1:M2は、4:1〜1:4の範囲とすることができる。この範囲である場合、M2−O−M2(例えば、Fe−O−Fe)の結合が顕著に発生しにくくなり、金属M1と金属M2の層状複水酸化物が安定に形成されやすく、また、層状複水酸化物が花びら状等の形状に形成されて、金属M1と金属M2との協働的作用が高まって電極の性能が向上しやすい。溶液Bにおける金属M1と金属M2との元素比M1:M2は4:1であることが特に好ましい。   In the solution B, the element ratio between the metal M1 and the metal M2 can be adjusted to an arbitrary range. For example, the element ratio M1: M2 between the metal M1 and the metal M2 in the solution B can be in the range of 4: 1 to 1: 4. In this range, the bond of M2-O-M2 (for example, Fe-O-Fe) is hardly generated, and the layered double hydroxide of the metal M1 and the metal M2 is easily formed stably. Since the layered double hydroxide is formed in a shape such as a petal, the cooperative action between the metal M1 and the metal M2 is enhanced, and the performance of the electrode is easily improved. It is particularly preferable that the element ratio M1: M2 between the metal M1 and the metal M2 in the solution B is 4: 1.

溶液Bは、第2の金属M1の化合物及び金属M2の化合物以外に他の添加剤を含むこともできる。例えば、電着処理を行う際に併用される公知の添加剤が溶液Bに含まれていてもよい。溶液Bは、溶媒、第2の金属M1の化合物及び金属M2の化合物のみからなるものであってもよい。   The solution B may also contain other additives in addition to the compound of the second metal M1 and the compound of the metal M2. For example, a known additive used together with the electrodeposition treatment may be contained in the solution B. The solution B may be composed of only the solvent, the compound of the second metal M1, and the compound of the metal M2.

工程2では、工程1によって得られた電極基材を溶液Bに浸漬した状態でパルス電着処理を行う。このパルス電着処理により、電極基材に、層状複水酸化物が形成される。   In step 2, pulse electrodeposition is performed with the electrode substrate obtained in step 1 immersed in solution B. By this pulse electrodeposition treatment, a layered double hydroxide is formed on the electrode substrate.

パルス電着処理では、アノードとして工程1によって得られた電極基材を使用する。一方、パルス電着処理を行う際のカソードとしては、例えば、公知の不溶性電極を使用することができる。不溶性電極としては、例えば、炭素、白金族金属、金などを素材とする電極を用いることができる。白金族金属としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、オスミウム(Os)、及びイリジウム(Ir)が挙げられ、中でも白金(Pt)が好ましい。白金族金属は、合金、金属酸化物等の状態で含まれていてもよい。   In the pulse electrodeposition treatment, the electrode substrate obtained in Step 1 is used as an anode. On the other hand, as the cathode for performing the pulse electrodeposition treatment, for example, a known insoluble electrode can be used. As the insoluble electrode, for example, an electrode made of carbon, a platinum group metal, gold, or the like can be used. Platinum group metals include platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), and iridium (Ir), with platinum (Pt) being preferred. The platinum group metal may be contained in a state of an alloy, a metal oxide or the like.

カソードの形状は特に制限されず、使用目的や要求される性能により適宜選択することができる。形状としては、例えば、金属線、シート状、板状、棒状、メッシュ状などが挙げられる。具体的には、螺旋状白金線、白金板などを例示することができる。   The shape of the cathode is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the purpose of use and required performance. Examples of the shape include a metal wire, a sheet, a plate, a bar, and a mesh. Specifically, a spiral platinum wire, a platinum plate and the like can be exemplified.

パルス電着処理において、溶液BのpHは、金属M1及び金属M2の層状複水酸化物を析出させることができる範囲であれば特に制限されず、例えば6未満、好ましくは0〜4程度、より好ましくは0〜2程度である。   In the pulse electrodeposition treatment, the pH of the solution B is not particularly limited as long as the layered double hydroxide of the metal M1 and the metal M2 can be precipitated, and is, for example, less than 6, preferably about 0 to 4 or more. Preferably it is about 0-2.

パルス電着処理を行う際、アノード、カソード及び溶液B(電解液)の他、参照電極、電解装置、電源、制御ソフトウェア等を使用することができる。これらは、例えば目的に応じて公知のものを使用することができる。例えば、参照電極としては、銀/塩化銀電極(Ag/AgCl電極)、水銀/塩化水銀電極(Hg/HgCl電極)、標準水素電極などを使用することができる。 When performing the pulse electrodeposition treatment, a reference electrode, an electrolytic device, a power supply, control software, and the like can be used in addition to the anode, the cathode, and the solution B (electrolytic solution). These can be, for example, known ones depending on the purpose. For example, as a reference electrode, a silver / silver chloride electrode (Ag / AgCl electrode), a mercury / mercury chloride electrode (Hg / HgCl 2 electrode), a standard hydrogen electrode, or the like can be used.

第1の製造方法において、パルス電着処理は、金属イオンの電着速度を制御できる電着処理法であり、例えば、高端電圧と低端電圧とを一定周期で印加するパルス電圧法(PPM)、高端電流と低端電流とを一定周期で印加するパルス電流法(PGM)、高端電圧の印加と開回路状態とを一定周期で繰り返し行う単極性パルス電圧法(UPED)などが挙げられる。   In the first manufacturing method, the pulse electrodeposition treatment is an electrodeposition treatment method capable of controlling the electrodeposition speed of metal ions. A pulse current method (PGM) in which a high-end current and a low-end current are applied in a fixed cycle, and a unipolar pulse voltage method (UPED) in which application of a high-end voltage and an open circuit state are repeated in a fixed cycle.

パルス電着処理法として、単極性パルス電圧法(UPED)を採用することが好ましく、この場合、安定な構造を有する金属M1及び金属M2との層状複水酸化物が形成されやすく、電極の性能が向上しやすい。通常のパルス印加法でパルスオフ時に電極が自然電位となるのに対し、単極性パルス電圧法(UPED)では、パルスオフ時に電極を0Vとして電着を行うことができる。   It is preferable to adopt a unipolar pulse voltage method (UPED) as the pulse electrodeposition treatment method. In this case, a layered double hydroxide with the metal M1 and the metal M2 having a stable structure is easily formed, and the performance of the electrode is improved. Is easy to improve. The electrode becomes a natural potential when the pulse is turned off by the ordinary pulse application method, whereas the electrode can be electrodeposited by setting the electrode to 0 V at the time of the pulse off in the unipolar pulse voltage method (UPED).

単極性パルス電圧法の条件としては導電性基材上に層状複水酸化物を形成させることができる条件であれば特に制限されず、例えば、パルスの印加電圧:−2〜−1V、パルス時間:0.5〜3秒、パルス印加回数:100〜1000回の条件とすることができる。特に、印加電圧は−1V、パルス時間は1秒、パルス印加回数は600回の条件で行うことが好ましく、この場合、層状複水酸化物の析出量、厚み及び密度が特に適切となって、電極の性能が向上しやすい。   The conditions of the unipolar pulse voltage method are not particularly limited as long as the layered double hydroxide can be formed on the conductive substrate. For example, the applied voltage of the pulse: -2 to -1 V, the pulse time : 0.5 to 3 seconds and the number of times of pulse application: 100 to 1000 times. In particular, it is preferable that the applied voltage is -1 V, the pulse time is 1 second, and the number of pulse application is 600 times. In this case, the deposition amount, thickness and density of the layered double hydroxide become particularly appropriate, The performance of the electrode is easily improved.

パルス電着処理を行う際の溶液Bの温度は特に制限されず、例えば0〜50℃程度、好ましくは20〜30℃とすることができる。   The temperature of the solution B at the time of performing the pulse electrodeposition treatment is not particularly limited, and may be, for example, about 0 to 50 ° C, preferably 20 to 30 ° C.

以上の工程2を経て得られる電極は、電極基材上に金属M1の酸化物と層状複水酸化物とが形成されてなる。層状複水酸化物は、金属M1及び金属M2を含有する。層状複水酸化物は、金属M1及び金属M2の複水酸化物のみで構成されてもよい。   The electrode obtained through the above step 2 has an oxide of metal M1 and a layered double hydroxide formed on an electrode substrate. The layered double hydroxide contains metal M1 and metal M2. The layered double hydroxide may be composed of only the double hydroxides of the metal M1 and the metal M2.

(工程3)
第2の製造方法において、工程3は、前記工程1で焼成された電極基材を、第2の金属M1の化合物及び金属M2の化合物を含む溶液Cに浸漬した状態で加熱処理を行う工程である。この工程3は、金属M1及び金属M2の層状複水酸化物を形成するための工程である。
(Step 3)
In the second manufacturing method, the step 3 is a step of performing a heat treatment in a state where the electrode base material fired in the step 1 is immersed in the solution C containing the compound of the second metal M1 and the compound of the metal M2. is there. Step 3 is a step for forming a layered double hydroxide of the metal M1 and the metal M2.

工程3で使用する溶液Cは、第2の金属M1の化合物及び金属M2の化合物と、溶媒とを含む。   The solution C used in the step 3 includes the compound of the second metal M1 and the compound of the metal M2, and a solvent.

工程3において、第2の金属M1の化合物の種類は特に限定されない。ただし、工程1で使用する第1の金属M1の化合物における金属M1と、工程3で使用する第2の金属M1の化合物における金属M1とは同一の金属である。第2の金属M1の化合物の種類としては、第1の金属M1の化合物と同様の種類を挙げることができる。   In step 3, the type of the compound of the second metal M1 is not particularly limited. However, the metal M1 in the compound of the first metal M1 used in the step 1 and the metal M1 in the compound of the second metal M1 used in the step 3 are the same metal. Examples of the kind of the compound of the second metal M1 include the same kind as the compound of the first metal M1.

工程3において、第2の金属M1の化合物としては、水に溶解して水溶液を形成しやすく、また、工程3及において、層状複水酸化物を形成しやすいという観点から、金属M1の硝酸塩、塩酸塩であることが好ましい。第2の金属M1の化合物は水和物であってもよい。   In the step 3, as the compound of the second metal M1, a nitrate of the metal M1, from the viewpoint of easily forming an aqueous solution by dissolving in water and forming a layered double hydroxide in the step 3 and the like, Preferably it is the hydrochloride. The compound of the second metal M1 may be a hydrate.

工程3で使用する第2の金属M1の化合物は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。第2の金属M1の化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販の金属M1の化合物を使用することもできる。   The compound of the second metal M1 used in Step 3 may be used alone or in combination of two or more. The compound of the second metal M1 can be obtained by a known production method, or a commercially available compound of the metal M1 can be used.

工程3で使用する金属M2の化合物の種類は特に限定されない。例えば、金属M2の化合物としては、公知の無機酸塩、公知の有機酸塩、金属M2の水酸化物及び金属M2のハロゲン化物等を広く使用することができる。   The type of the metal M2 compound used in Step 3 is not particularly limited. For example, as the compound of the metal M2, a known inorganic acid salt, a known organic acid salt, a hydroxide of the metal M2, a halide of the metal M2, and the like can be widely used.

金属M2の無機酸塩としては、金属M2の硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等からなる郡より選ばれる1種以上を挙げることができる。   Examples of the inorganic acid salt of the metal M2 include at least one selected from the group consisting of nitrate, hydrochloride, sulfate, carbonate, hydrogencarbonate, phosphate, hydrogenphosphate, and the like of the metal M2. .

金属M2の有機酸塩としては、金属M2の酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩、コハク酸塩等からなる郡より選ばれる1種以上を挙げることができる。   Examples of the organic acid salt of the metal M2 include one or more selected from the group consisting of acetate, oxalate, formate, succinate, and the like of the metal M2.

工程3において、金属M2の化合物としては、水に溶解して水溶液を形成しやすく、また、複水酸化物が得られやすいという観点から、金属M2の硝酸塩、塩酸塩であることが好ましい。金属M2の化合物は水和物であってもよい。   In Step 3, the compound of the metal M2 is preferably a nitrate or a hydrochloride of the metal M2 from the viewpoint that it is easily dissolved in water to form an aqueous solution and a double hydroxide is easily obtained. The compound of the metal M2 may be a hydrate.

工程2で使用する金属M2の化合物は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。金属M2の化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販の金属M2の化合物を使用することもできる。   The metal M2 compound used in Step 2 may be used alone or in combination of two or more. The compound of the metal M2 can be obtained by a known production method, or a commercially available compound of the metal M2 can be used.

工程1で使用する第1の金属M1の化合物と、工程3で使用する第2の金属M1の化合物とは、両者の金属M1が同一である限りは、同一の化合物であってもよく、異なる化合物とすることもできる。   The compound of the first metal M1 used in the step 1 and the compound of the second metal M1 used in the step 3 may be the same compound or different as long as both metals M1 are the same. It can also be a compound.

また、工程3で使用する第2の金属M1の化合物と金属M2の化合物は、塩の種類が同じであることが好ましい(例えば、硝酸塩どうしの組み合わせ、あるいは、塩酸塩どうしの組み合わせが好ましい)。   Further, it is preferable that the compound of the second metal M1 and the compound of the metal M2 used in the step 3 have the same kind of salt (for example, a combination of nitrates or a combination of hydrochlorides is preferable).

溶液Cにおいて、溶媒としては、溶液Aで使用する溶媒と同様の種類を挙げることができ、特に好ましくは、水である。水は、蒸留水、水道水、工業用水、イオン交換水、脱イオン水、純水、電解水などの各種の水を用いることができる。溶媒には、本発明の効果が阻害されない限り、pH調整剤、粘度調整剤、防かび剤等を含有していてもよい。   In the solution C, examples of the solvent include the same type as the solvent used in the solution A, and water is particularly preferable. As the water, various types of water such as distilled water, tap water, industrial water, ion-exchanged water, deionized water, pure water, and electrolytic water can be used. The solvent may contain a pH adjuster, a viscosity adjuster, a fungicide and the like as long as the effects of the present invention are not impaired.

溶液Cにおいて、第2の金属M1の化合物及び金属M2の化合物の濃度は特に限定されない。例えば、溶液Cにおいて、溶媒100mLあたり、第2の金属M1の化合物が1〜100mmol溶解していることが好ましい。   In the solution C, the concentrations of the compound of the second metal M1 and the compound of the metal M2 are not particularly limited. For example, in the solution C, it is preferable that 1 to 100 mmol of the compound of the second metal M1 is dissolved per 100 mL of the solvent.

また、溶液Cにおいて、溶媒100mLあたり、金属M2の化合物が1〜100mmol溶解していることが好ましい。   In the solution C, it is preferable that 1 to 100 mmol of the compound of the metal M2 is dissolved per 100 mL of the solvent.

溶液Cにおいて、金属M1と金属M2の元素比は任意の範囲に調整することができる。例えば、溶液Cにおける金属M1と金属M2との元素比M1:M2は、4:1〜1:4の範囲とすることができる。この範囲である場合、M2−O−M2(例えば、Fe−O−Fe)の結合が顕著に発生しにくくなり、金属M1と金属M2の層状複水酸化物が安定に形成されやすく、また、層状複水酸化物が花びら状等の形状に形成されて、金属M1と金属M2との協働的作用が高まって電極の性能が向上しやすい。溶液Cにおける金属M1と金属M2との元素比M1:M2は4:1であることが特に好ましい。   In the solution C, the element ratio between the metal M1 and the metal M2 can be adjusted to an arbitrary range. For example, the element ratio M1: M2 between the metal M1 and the metal M2 in the solution C can be in the range of 4: 1 to 1: 4. In this range, the bond of M2-O-M2 (for example, Fe-O-Fe) is hardly generated, and the layered double hydroxide of the metal M1 and the metal M2 is easily formed stably. Since the layered double hydroxide is formed in a shape such as a petal, the cooperative action between the metal M1 and the metal M2 is enhanced, and the performance of the electrode is easily improved. It is particularly preferable that the element ratio M1: M2 between the metal M1 and the metal M2 in the solution C is 4: 1.

溶液Cは、第2の金属M1の化合物及び金属M2の化合物以外に他の添加剤を含むこともできる。他の添加剤としては、例えば、pH調整剤を挙げることができる。pH調整剤としては、尿素(CO(NH)、NHF、水酸化アンモニウム等を挙げることができる。pH調整剤は1種のみ又は2種以上を組み合わせて使用することができる。 The solution C may also include other additives in addition to the second metal M1 compound and the metal M2 compound. Other additives include, for example, pH adjusters. Examples of the pH adjuster include urea (CO (NH 2 ) 2 ), NH 4 F, and ammonium hydroxide. The pH adjusters can be used alone or in combination of two or more.

溶液Cにおいて、溶媒100mLあたり、尿素が20〜30mmol溶解していることが好ましい。この場合、溶液Aがアルカリ領域のpHを有しやすいので、後記する水熱合成によって水酸化物が形成されやすい。   In solution C, it is preferable that 20 to 30 mmol of urea is dissolved per 100 mL of the solvent. In this case, since the solution A tends to have a pH in an alkaline region, a hydroxide is easily formed by hydrothermal synthesis described later.

溶液Cにおいて、溶媒100mLあたり、NHFが20〜30mmol溶解していることが好ましい。この場合、溶液Aがアルカリ領域のpHを有しやすいので、後記する水熱合成によって水酸化物が形成されやすい。 In the solution C, it is preferable that 20 to 30 mmol of NH 4 F is dissolved per 100 mL of the solvent. In this case, since the solution A tends to have a pH in an alkaline region, a hydroxide is easily formed by hydrothermal synthesis described later.

溶液Cは、第2の金属M1の化合物、金属M2の化合物、pH調整剤及び溶媒のみからなるものであってもよい。   The solution C may be composed of only the second metal M1 compound, the metal M2 compound, the pH adjuster and the solvent.

工程3において、工程1で得られた電極基材を溶液Cに浸漬する方法は特に限定されず、通常は、電極基材の全体が溶液Cに浸されるように行うことができる。電極基材の浸漬は、例えば、後記する水熱合成が可能な容器内で行うことができる。このような容器として、耐圧式のオートクレーブを挙げることができる。   In the step 3, the method of immersing the electrode substrate obtained in the step 1 in the solution C is not particularly limited, and it can be usually performed so that the entire electrode substrate is immersed in the solution C. The immersion of the electrode substrate can be performed, for example, in a container capable of hydrothermal synthesis described later. An example of such a container is a pressure-resistant autoclave.

工程3では、電極基材を溶液Cに浸漬した状態で加熱処理を行う。工程3の加熱処理としては、水熱合成法を挙げることができる。ここでいう水熱合成法は工程1の水熱合成法と同様である。この水熱合成により、電極基材上に金属M1及び金属M2層状複水酸化物が形成され得る。   In step 3, a heat treatment is performed with the electrode substrate immersed in the solution C. Examples of the heat treatment in Step 3 include a hydrothermal synthesis method. The hydrothermal synthesis method here is the same as the hydrothermal synthesis method in step 1. By this hydrothermal synthesis, a metal M1 and a metal M2 layered double hydroxide can be formed on the electrode substrate.

水熱合成における容器内の温度は、金属M1及び金属M2を含む層状複水酸化物が形成される条件である限りは特に制限されず、例えば、120〜200℃とすることができる。この温度にて容器を保持する時間も特に限定されず、例えば、10分〜2時間とすることができる。水熱合成における容器内の圧力も特に限定されず、適宜の範囲に設定することができる。   The temperature in the vessel in the hydrothermal synthesis is not particularly limited as long as it is a condition for forming a layered double hydroxide containing the metal M1 and the metal M2, and may be, for example, 120 to 200 ° C. The time for holding the container at this temperature is not particularly limited, and may be, for example, 10 minutes to 2 hours. The pressure in the vessel in hydrothermal synthesis is not particularly limited, either, and can be set in an appropriate range.

工程3の水熱合成において、溶液Cはアルカリ領域であることが好ましく、例えば、pHが8〜9であることが好ましい。この場合、水熱合成において、金属M1及び金属M2の複水酸化物がより形成しやすくなる。   In the hydrothermal synthesis in Step 3, the solution C is preferably in an alkaline region, and for example, preferably has a pH of 8 to 9. In this case, in the hydrothermal synthesis, a double hydroxide of the metal M1 and the metal M2 is more easily formed.

工程3において、加熱処理(水熱合成)の後は、容器から電極基材を取り出して、必要に応じて取り出した電極基材を水等で洗浄し、その後、乾燥処理を行ってもよい。乾燥処理は公知の方法を広く採用でき、例えば、真空乾燥等を挙げることができる。   In step 3, after the heat treatment (hydrothermal synthesis), the electrode base material may be taken out of the container, and if necessary, the taken out electrode base material may be washed with water or the like, and then dried. Known methods can be widely used for the drying treatment, and examples thereof include vacuum drying.

以上の工程3を経て得られる電極は、電極基材上に金属M1の酸化物と層状複水酸化物とが形成される。層状複水酸化物は、金属M1及び金属M2を含有する。層状複水酸化物は、金属M1及び金属M2の複水酸化物のみからなるものであってもよい。   In the electrode obtained through the above step 3, the oxide of the metal M1 and the layered double hydroxide are formed on the electrode substrate. The layered double hydroxide contains metal M1 and metal M2. The layered double hydroxide may be composed of only the double hydroxides of the metal M1 and the metal M2.

以上の工程2を経て得られる電極は、電極基材上に酸化物と層状複水酸化物とが形成される。酸化物は、金属M1(例えば、Ni)の酸化物であり、層状複水酸化物は、金属M1(例えば、Ni)及び金属M2(例えば、Fe)を含有する。酸化物に含まれる金属は、金属M1のみであってもよいし、その他、例えば、不可避的に含まれる金属を含んでもよい。層状複水酸化物に含まれる金属は、金属M1及び金属M2のみであってもよいし、その他、例えば、不可避的に含まれる金属を含んでもよい。   In the electrode obtained through the above step 2, an oxide and a layered double hydroxide are formed on the electrode substrate. The oxide is an oxide of metal M1 (for example, Ni), and the layered double hydroxide contains metal M1 (for example, Ni) and metal M2 (for example, Fe). The metal included in the oxide may be only the metal M1, or may include, for example, a metal that is unavoidably included. The metal contained in the layered double hydroxide may be only the metal M1 and the metal M2, or may include, for example, a metal inevitably contained.

(工程4)
第2の製造方法は、工程3で得られた電極を有機溶媒に浸漬して超音波を照射する工程4をさらに備えることができる。
(Step 4)
The second manufacturing method may further include a step 4 of immersing the electrode obtained in the step 3 in an organic solvent and applying ultrasonic waves.

工程4で用いる有機溶媒は、層状複水酸化物の層の間に挿入される化合物であることが好ましい。このような有機溶媒としては、例えば、ホルムアミド、フタロシアニン、テレフタル酸エステル、ポリビニルアルコール、アスパラギン酸塩、ポリアスパラギン酸塩、カルボン酸、アルキル硫酸塩、脂肪族カルボン酸塩、安息香酸エステル、ポルフィリン、ヌクレオシドリン酸、ビタミン、アミノ酸、及び脂肪酸などが挙げられる。これらの中でも、ホルムアミドが好ましい。   The organic solvent used in Step 4 is preferably a compound inserted between the layers of the layered double hydroxide. Such organic solvents include, for example, formamide, phthalocyanine, terephthalate, polyvinyl alcohol, aspartate, polyaspartate, carboxylic acid, alkyl sulfate, aliphatic carboxylate, benzoate, porphyrin, nucleoside Phosphoric acid, vitamins, amino acids, fatty acids, and the like. Of these, formamide is preferred.

工程4において、超音波処理の方法は特に限定されない。例えば、公知の超音波照射装置を使用して、超音波処理を行うことができる。例えば、20〜40℃の条件で1〜10分間にわたって超音波処理を行うことができる。   In step 4, the method of ultrasonic treatment is not particularly limited. For example, ultrasonic treatment can be performed using a known ultrasonic irradiation device. For example, ultrasonic treatment can be performed at 20 to 40 ° C. for 1 to 10 minutes.

工程4において、超音波処理をすることで、層状複水酸化物の層間に有機溶媒が挿入され、層間の拡張が起こり得る。これにより、得られる電極は、水の電気分解等において過電圧の上昇がより抑制される。   In step 4, by performing the ultrasonic treatment, an organic solvent is inserted between the layers of the layered double hydroxide, and expansion between the layers may occur. Thereby, in the obtained electrode, an increase in overvoltage in electrolysis of water or the like is further suppressed.

(電極)
本発明の製造方法(第1の製造方法及び第2の製造方法を含む)で得られる電極は、電極基材上に金属M1の酸化物と層状複水酸化物とが形成されてなる。層状複水酸化物は、金属M1及び金属M2を含有する。層状複水酸化物は、金属M1及び金属M2の複水酸化物のみからなるものであってもよい。金属M1の酸化物は、金属M1以外に不可避的に含まれるその他の金属を含んでもよく、また、層状複水酸化物は、金属M1及び金属M2以外に不可避的に含まれるその他の金属を含むことができる。
(electrode)
The electrode obtained by the production method of the present invention (including the first production method and the second production method) is obtained by forming an oxide of metal M1 and a layered double hydroxide on an electrode substrate. The layered double hydroxide contains metal M1 and metal M2. The layered double hydroxide may be composed of only the double hydroxides of the metal M1 and the metal M2. The oxide of the metal M1 may include other metals inevitably included other than the metal M1, and the layered double hydroxide includes other metals inevitably included other than the metal M1 and the metal M2. be able to.

本発明の製造方法で得られる電極は、電極基材上に金属M1の酸化物と、金属M1及び金属M2の層状複水酸化物とを有することから、例えば、水の電気分解等に使用した場合に、過電圧の上昇が起こりにくく、優れた耐久性を有することができる。特に、金属M1がニッケルであり、金属M2が鉄である組み合わせである場合、過電圧の上昇が特に起こりにくく、さらに優れた耐久性を有することができる。従って、本発明の製造方法で得られる電極は、各種の用途に広く適用することができ、特に、水の電気分解用の電極、水素製造用の電極として好適に使用することができる。   Since the electrode obtained by the production method of the present invention has an oxide of the metal M1 and a layered double hydroxide of the metal M1 and the metal M2 on the electrode substrate, it is used for, for example, electrolysis of water. In this case, an increase in overvoltage hardly occurs, and excellent durability can be obtained. In particular, when the combination of the metal M1 is nickel and the metal M2 is iron, an increase in overvoltage is particularly unlikely to occur, and more excellent durability can be obtained. Therefore, the electrode obtained by the production method of the present invention can be widely applied to various uses, and in particular, can be suitably used as an electrode for water electrolysis and an electrode for hydrogen production.

本発明の製造方法で得られる電極は、微細構造が形成されることにより金属M1の酸化物(例えばNiO)と金属M1と金属M2の層状複水酸化物(例えば、NiFeの層状複水酸化物)の密接な接触が得られ、両者の協働的な触媒作用が発現するものと推測される。   The electrode obtained by the manufacturing method of the present invention is formed by forming a fine structure to form an oxide of metal M1 (eg, NiO) and a layered double hydroxide of metal M1 and metal M2 (eg, a layered double hydroxide of NiFe). It is presumed that close contact was obtained, and that a cooperative catalytic action between the two was developed.

電極において、金属M1の酸化物と、金属M1及び金属M2を含有する層状複水酸化物との比率は特に限定されず、任意の比率に調整することができる。   In the electrode, the ratio between the oxide of the metal M1 and the layered double hydroxide containing the metal M1 and the metal M2 is not particularly limited, and can be adjusted to an arbitrary ratio.

本発明の製造方法で得られる電極は、例えば、電極基材上に粒子が多数積層された構造を有する。電極基材上に設けられている粒子は、例えば、ニッケル酸化物等の金属M1の酸化物粒子の表面が、層状複水酸化物で被覆されてなる。層状複水酸化物は、例えば、ニッケル等の金属M1と鉄等の金属M2とを含有する電極は、特定形状の粒子が多数電極基材上に形成されることで、電極基材が粒子で被覆され、電極が形成される。電極基材上の粒子は、例えば、花びら状の形状を有する。粒子の大きさは、例えば、2.5〜5.0μmである。ここでいう粒子の大きさは、電極の走査型電子顕微鏡による直接観察によって無作為に50個の粒子を選択し、これらの円相当径を計測して算術平均した値をいう。   The electrode obtained by the production method of the present invention has, for example, a structure in which many particles are laminated on an electrode substrate. The particles provided on the electrode substrate are formed, for example, by coating the surface of oxide particles of metal M1 such as nickel oxide with a layered double hydroxide. The layered double hydroxide is, for example, an electrode containing a metal M1 such as nickel and a metal M2 such as iron and the like. Coated to form electrodes. The particles on the electrode substrate have, for example, a petal-like shape. The size of the particles is, for example, 2.5 to 5.0 μm. The particle size referred to here is a value obtained by randomly selecting 50 particles by direct observation of an electrode with a scanning electron microscope, measuring their circle equivalent diameters, and arithmetically averaging them.

本発明の電極は、例えば、水熱合成法及び電気化学法の組み合わせ、あるいは、水熱合成法及び水熱合成法の組み合わせで製造されるので、電極の三つの層(電極基材、酸化物及び層状複水酸化物)の間に良好な界面接続を保証することができ、各層間の電荷遷移にとって有益である。また、金属M1を含むことで、主成分である金属M1の酸化物の結晶の微細構造が制御されやすく、電極の触媒活性が向上しやすい。   Since the electrode of the present invention is manufactured by, for example, a combination of a hydrothermal synthesis method and an electrochemical method, or a combination of a hydrothermal synthesis method and a hydrothermal synthesis method, the three layers of the electrode (electrode substrate, oxide And layered double hydroxides), which is beneficial for charge transition between the layers. In addition, when the metal M1 is included, the fine structure of the crystal of the oxide of the metal M1 as the main component is easily controlled, and the catalytic activity of the electrode is easily improved.

酸化物表面の層状複水酸化物は、電極の電気伝導度および活性サイトを大きく増加させることができる。   The layered double hydroxide on the oxide surface can greatly increase the electrical conductivity and active sites of the electrode.

本発明の電極は、バインダーフリーとすることができ、電極全体の抵抗の増大、活性部位のブロック及び拡散の阻害が回避されやすい。   The electrode of the present invention can be made binder-free, so that an increase in the resistance of the entire electrode, blocking of active sites and inhibition of diffusion are easily avoided.

2.水素の製造方法
本発明の水素の製造方法は、上記製造方法で得られた電極を使用して、水溶液中で電解処理を行う工程を含む。
2. Method for Producing Hydrogen The method for producing hydrogen of the present invention includes a step of performing an electrolytic treatment in an aqueous solution using the electrode obtained by the above-described production method.

本発明の水素の製造方法は、前述の電極の製造方法で得られる電極を例えば、アノードとして使用して、水溶液中で電解処理を行う工程を含むことができる。あるいは、本発明の水素の製造方法は、前述の電極の製造方法で得られる電極を例えば、カソードとして使用して、水溶液中で電解処理を行う工程を含むことができる。さらには、本発明の水素の製造方法は、前述の電極の製造方法で得られる電極を例えば、アノード及びカソードの両方に使用して、水溶液中で電解処理を行う工程を含むことができる。つまり、前述の電極の製造方法で得られる電極は、アノード及びカソードの両方に使用することができ、特にアノードとして使用した場合に、効率よく水素を製造することができる。   The method for producing hydrogen of the present invention can include a step of performing an electrolytic treatment in an aqueous solution using, for example, an electrode obtained by the above-described method for producing an electrode as an anode. Alternatively, the method for producing hydrogen of the present invention can include a step of performing an electrolytic treatment in an aqueous solution using, for example, an electrode obtained by the above-described method for producing an electrode as a cathode. Furthermore, the method for producing hydrogen of the present invention can include a step of performing an electrolytic treatment in an aqueous solution using, for example, both the anode and the cathode obtained by the above-described electrode producing method. That is, the electrode obtained by the above-described electrode manufacturing method can be used for both the anode and the cathode, and particularly when used as an anode, hydrogen can be efficiently manufactured.

前述の電極の製造方法で得られる電極を例えば、アノードのみに使用する場合、カソードとしては、一般に水の電気分解においてカソードとして用いられる電極を使用することができる。例えば、炭素、白金、金などの貴金属などを素材とする電極をカソードとして用いることができる。前述の電極の製造方法で得られる電極を例えば、カソードのみに使用する場合、アノードとしては、一般に水の電気分解においてアノードとして用いられる電極を使用することができる。   When the electrode obtained by the above-described electrode manufacturing method is used only for the anode, for example, an electrode generally used as a cathode in water electrolysis can be used as the cathode. For example, an electrode made of a noble metal such as carbon, platinum, and gold can be used as the cathode. When the electrode obtained by the above-described electrode manufacturing method is used only for the cathode, for example, an electrode generally used as an anode in electrolysis of water can be used as the anode.

水素の製造方法において、水溶液としては、一般に水の電気分解において用いられる成分を含む水溶液を使用することができる。水溶液は、ヨウ素臭素などのハロゲン、硫酸イオンなどを含むこともできる。なお、ヨウ素を含む水溶液を用いる場合、アノードにおいてヨウ素酸イオンが生成される。   In the method for producing hydrogen, an aqueous solution containing components generally used in the electrolysis of water can be used as the aqueous solution. The aqueous solution can also contain halogens such as iodine bromine, sulfate ions, and the like. When an aqueous solution containing iodine is used, iodate ions are generated at the anode.

水素の製造方法の具体的な例を挙げると、本発明の製造方法で得られた電極をアノード、白金板をカソードとし、KOH水溶液を電解液として、アノードに電圧を印加する。これにより、カソードにおいて水素を生成させることができる。また、アノードへの印加電圧を増加させることにより、水素の生成速度を上昇させることができる。さらに、アノードにおいては、酸素が生成する。   As a specific example of the method for producing hydrogen, a voltage is applied to the anode using the electrode obtained by the production method of the present invention as an anode, a platinum plate as a cathode, and a KOH aqueous solution as an electrolyte. Thereby, hydrogen can be generated at the cathode. In addition, the rate of hydrogen generation can be increased by increasing the voltage applied to the anode. Further, oxygen is generated at the anode.

水素の製造方法の具体的な他例として、本発明の製造方法で得られた電極をカソード、白金板をアノードとし、KOH水溶液を電解液として、アノードに電圧を印加する。これにより、カソードにおいて水素を生成させることができる。また、アノードへの印加電圧を増加させることにより、水素の生成速度を上昇させることができる。さらに、アノードにおいては、酸素が生成する。   As another specific example of the method for producing hydrogen, a voltage is applied to the anode using the electrode obtained by the production method of the present invention as a cathode, a platinum plate as an anode, and an aqueous KOH solution as an electrolyte. Thereby, hydrogen can be generated at the cathode. In addition, the rate of hydrogen generation can be increased by increasing the voltage applied to the anode. Further, oxygen is generated at the anode.

水素の製造方法の具体的なさらなる他例として、本発明の製造方法で得られた電極をカソード及びアノードとし、KOH水溶液を電解液として、アノードに電圧を印加する。これにより、カソードにおいて水素を生成させることができる。また、アノードへの印加電圧を増加させることにより、水素の生成速度を上昇させることができる。さらに、アノードにおいては、酸素が生成する。   As still another specific example of the method for producing hydrogen, the electrodes obtained by the method of the present invention are used as a cathode and an anode, and a voltage is applied to the anode using an aqueous KOH solution as an electrolyte. Thereby, hydrogen can be generated at the cathode. In addition, the rate of hydrogen generation can be increased by increasing the voltage applied to the anode. Further, oxygen is generated at the anode.

水素の製造方法により製造された水素は、燃料電池や水素エンジンなどの燃料として好ましく使用することができる。   Hydrogen produced by the method for producing hydrogen can be preferably used as fuel for fuel cells and hydrogen engines.

本発明の水素の製造方法では、前記電極の製造方法で得られた電極を使用することから、過電圧の上昇が起こりにくく、優れた耐久性を有するので、水素を効率よく製造することができる。   In the method for producing hydrogen of the present invention, since the electrode obtained by the method for producing an electrode is used, an increase in overvoltage is unlikely to occur and the electrode has excellent durability, so that hydrogen can be produced efficiently.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の態様に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to the embodiments of these examples.

(実施例1)
まず、2mmolのNi(NO・6HOと、5mmolのCO(NHと、4mmolのNHFとを蒸留水20mLに溶解して調製した「溶液A」を、テフロン(登録商標)内筒式オートクレーブに収容し、該溶液Aに、市販のカーボンファイバー紙(以下、「CFP」と略記する)を浸漬した。その後、オートクレーブを密閉し、該オートクレーブを120℃に昇温して12時間保持した。これにより、Ni(OH)で修飾されたCFP(以下、「Ni(OH)修飾CFP」と略記する)を得た。該Ni(OH)修飾CFPをオートクレーブから取り出して蒸留水で洗浄した後、60℃の真空乾燥機中で2時間乾燥した。
(Example 1)
First, a Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O in 2 mmol, and CO (NH 2) 2 of 5 mmol, was prepared by dissolving and NH 4 F in 4mmol distilled water 20mL to "Solution A" Teflon ( (Registered trademark) in an inner cylinder type autoclave, and a commercially available carbon fiber paper (hereinafter abbreviated as “CFP”) was immersed in the solution A. Thereafter, the autoclave was sealed, and the temperature of the autoclave was raised to 120 ° C. and maintained for 12 hours. As a result, a CFP modified with Ni (OH) 2 (hereinafter abbreviated as “Ni (OH) 2 modified CFP”) was obtained. The Ni (OH) 2- modified CFP was taken out of the autoclave, washed with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 60 ° C for 2 hours.

上記乾燥後、Ni(OH)修飾CFPを空気中、450℃の雰囲気下に2時間保持することで焼成処理を行った(工程1)。これにより、NiOで修飾されたCFP(以下、「NiO修飾CFP」と略記する)を得た。 After the drying, a baking treatment was performed by holding the Ni (OH) 2 -modified CFP in air at 450 ° C. for 2 hours (step 1). As a result, a CFP modified with NiO (hereinafter abbreviated as “NiO-modified CFP”) was obtained.

次いで、0.8mmolのNi(NO・6HOと、0.2mmolのFe(NO・9HOと、水20mLとを含む「溶液B」を、Ni/Fe(モル比)が4:1となるように調整した。このように調整した溶液Bに、前記焼成処理されたNiO修飾CFPを浸漬して、パルス電着処理を行った(工程2)。このパルス電着処理は、白金板を対極、Ag/AgClを参照極として使用して、パルスオン及びオフ時のパルス電位を共に0V、オン及びオフ時間を共に1秒、パルス印加回数を600回とした。このパルス電着処理により、Ni及びFeの層状複水酸化物が電析され、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。 Next, “Solution B” containing 0.8 mmol of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, 0.2 mmol of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O, and 20 mL of water was added to Ni / Fe (mol Ratio) was adjusted to be 4: 1. The baked NiO-modified CFP was immersed in the solution B thus adjusted, and pulsed electrodeposition was performed (step 2). This pulse electrodeposition treatment uses a platinum plate as a counter electrode, Ag / AgCl as a reference electrode, and sets the pulse potential at the time of pulse ON and OFF to 0 V, the ON and OFF times to 1 second, and the pulse application frequency to 600 times. did. By this pulse electrodeposition treatment, a layered double hydroxide of Ni and Fe is electrodeposited, and an electrode for water electrolysis in which NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe are formed on the electrode substrate. I got

(実施例2)
工程1の焼成温度を350℃に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 2)
Electrolysis of water in which NiO and layered double hydroxides of Ni and Fe were formed on the electrode substrate in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature in step 1 was changed to 350 ° C. Electrode was obtained.

(実施例3)
工程1の焼成温度を400℃に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 3)
Electrolysis of water in which NiO and layered double hydroxides of Ni and Fe were formed on the electrode substrate in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature in Step 1 was changed to 400 ° C. Electrode was obtained.

(実施例4)
工程1の焼成温度を550℃に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 4)
Electrolysis of water in which NiO and layered double hydroxides of Ni and Fe were formed on the electrode substrate in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature in Step 1 was changed to 550 ° C. Electrode was obtained.

(実施例5)
工程2のパルス印加回数を200回に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 5)
In the same manner as in Example 1, except that the number of pulse applications in step 2 was changed to 200, electricity of water in which NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate was used. An electrode for decomposition was obtained.

(実施例6)
工程2のパルス印加回数を400回に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 6)
In the same manner as in Example 1, except that the number of pulse applications in step 2 was changed to 400, the electric power of water in which NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate. An electrode for decomposition was obtained.

(実施例7)
工程2のパルス印加回数を800回に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 7)
In the same manner as in Example 1, except that the number of times of pulse application in Step 2 was changed to 800, electricity of water in which NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate was used. An electrode for decomposition was obtained.

(実施例8)
工程2のパルス印加回数を1000回に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 8)
In the same manner as in Example 1, except that the number of times of pulse application in Step 2 was changed to 1,000, electricity of water in which NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate was used. An electrode for decomposition was obtained.

(実施例9)
Ni/Fe(モル比)が2:1となるように溶液Bを調整したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 9)
Except that the solution B was adjusted so that Ni / Fe (molar ratio) was 2: 1, NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate in the same manner as in Example 1. Thus, an electrode for electrolysis of water was formed.

(実施例10)
Ni/Fe(モル比)が1:1となるように溶液Bを調整したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 10)
Except that the solution B was adjusted so that Ni / Fe (molar ratio) was 1: 1, NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate in the same manner as in Example 1. Thus, an electrode for electrolysis of water was formed.

(実施例11)
Ni/Fe(モル比)が6:1となるように溶液Bを調整したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 11)
Except that the solution B was adjusted so that Ni / Fe (molar ratio) was 6: 1, NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate in the same manner as in Example 1. Thus, an electrode for electrolysis of water was formed.

(実施例12)
Ni/Fe(モル比)が1:2となるように溶液Bを調整したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 12)
Except that the solution B was adjusted so that Ni / Fe (molar ratio) was 1: 2, NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate in the same manner as in Example 1. Thus, an electrode for electrolysis of water was formed.

(実施例13)
電極基材をCFPの代わりに、大きさが1cm×1cmであり、厚みが2mmである市販のニッケルフォーム(以下、「NF」と略記する)に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 13)
The same as Example 1 except that the electrode substrate was changed to a commercially available nickel foam having a size of 1 cm × 1 cm and a thickness of 2 mm (hereinafter abbreviated as “NF”) instead of CFP. By the method, an electrode for water electrolysis in which NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate was obtained.

(実施例14)
まず、2mmolのNi(NO・6HOと、5mmolのCO(NHと、4mmolのNHFとを蒸留水20mLに溶解して調製した「溶液A」を、テフロン(登録商標)内筒式オートクレーブに収容し、該溶液AにNFを浸漬した。その後、オートクレーブを密閉し、該オートクレーブを100℃に昇温して12時間保持した。これにより、Ni(OH)で修飾されたNF(以下、「Ni(OH)修飾NF」と略記する)を得た。該Ni(OH)修飾NFをオートクレーブから取り出して蒸留水で洗浄した後、60℃の真空乾燥機中で2時間乾燥した。
(Example 14)
First, a Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O in 2 mmol, and CO (NH 2) 2 of 5 mmol, was prepared by dissolving and NH 4 F in 4mmol distilled water 20mL to "Solution A" Teflon ( NF was immersed in the solution A. Thereafter, the autoclave was closed, and the temperature of the autoclave was raised to 100 ° C. and maintained for 12 hours. Thus, NF modified with Ni (OH) 2 (hereinafter abbreviated as “Ni (OH) 2 modified NF”) was obtained. The Ni (OH) 2- modified NF was taken out of the autoclave, washed with distilled water, and dried in a vacuum dryer at 60 ° C for 2 hours.

上記乾燥後、Ni(OH)修飾NFを空気中、450℃の雰囲気下に2時間保持することで焼成処理を行った(工程1)。これにより、NiOで修飾されたNF(以下、「NiO修飾NF」と略記する)を得た。 After the drying, a baking treatment was performed by holding Ni (OH) 2 -modified NF in an atmosphere of 450 ° C. in air for 2 hours (step 1). Thus, NF modified with NiO (hereinafter abbreviated as “NiO-modified NF”) was obtained.

次いで、0.8mmolのNi(NO・6HOと、0.2mmolのFe(NO・9HOと、5mmolのCO(NHと、4mmolのNHFと、水20mLとを含む「溶液C」を、Ni/Fe(モル比)が4:1となるように調整した。このように調整した溶液Cを、テフロン(登録商標)内筒式オートクレーブに収容し、該溶液Cに前記NiO修飾NFを浸漬した。その後、オートクレーブを密閉し、該オートクレーブを140℃に昇温して6時間保持した(工程3)。この水熱合成により、Ni及びFeの層状複水酸化物を析出させ、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。 Next, 0.8 mmol of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, 0.2 mmol of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O, 5 mmol of CO (NH 2 ) 2 , and 4 mmol of NH 4 F And “solution C” containing water and 20 mL of water were adjusted such that Ni / Fe (molar ratio) was 4: 1. The solution C thus adjusted was housed in a Teflon (registered trademark) inner cylinder type autoclave, and the NiO-modified NF was immersed in the solution C. Thereafter, the autoclave was sealed, and the autoclave was heated to 140 ° C. and held for 6 hours (step 3). By this hydrothermal synthesis, a layered double hydroxide of Ni and Fe is deposited to obtain an electrode for water electrolysis in which NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe are formed on the electrode substrate. Was.

(実施例15)
Ni/Fe(モル比)が1:4となるように溶液Cを調整したこと以外は、実施例14と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 15)
Except that the solution C was adjusted so that Ni / Fe (molar ratio) was 1: 4, NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate in the same manner as in Example 14. Thus, an electrode for electrolysis of water was formed.

(実施例16)
Ni/Fe(モル比)が1:1となるように溶液Cを調整したこと以外は、実施例14と同様の方法で、電極基材上にNiOと、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Example 16)
Except that the solution C was adjusted so that Ni / Fe (molar ratio) was 1: 1, NiO and a layered double hydroxide of Ni and Fe were formed on the electrode substrate in the same manner as in Example 14. Thus, an electrode for electrolysis of water was formed.

(実施例17)
実施例14で得られた電極を、30℃のホルムアミド20mLに浸漬し、5分間、超音波を照射した。これにより、超音波処理後、電極を純水で洗浄し、室温で24時間乾燥することで電極を得た。
(Example 17)
The electrode obtained in Example 14 was immersed in 20 mL of formamide at 30 ° C., and irradiated with ultrasonic waves for 5 minutes. Thus, after the ultrasonic treatment, the electrode was washed with pure water and dried at room temperature for 24 hours to obtain an electrode.

(比較例1)
実施例1において工程1の焼成処理前に得たNi(OH)で修飾されたCFPを電極とした。
(Comparative Example 1)
In Example 1, the electrode was CFP modified with Ni (OH) 2 obtained before the firing treatment in Step 1.

(比較例2)
実施例1において工程1の焼成処理前に得たNi(OH)修飾CFPを、Ni(NO・6HO、Fe(NO・9HO及び水2を含む溶液B(Ni:Fe(モル比)が1:1)に浸漬し、実施例1と同様の条件でパルス電着処理を行った。このパルス電着処理により、Ni及びFeの層状複水酸化物が電析され、電極基材上にNi(OH)と、Ni及びFeの層状複水酸化物とが形成された水の電気分解用の電極を得た。
(Comparative Example 2)
In Example 1, the Ni (OH) 2 -modified CFP obtained before the firing treatment in Step 1 was used as a solution B containing Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O and water 2. (Ni: Fe (molar ratio: 1: 1)) and subjected to pulse electrodeposition under the same conditions as in Example 1. By this pulse electrodeposition treatment, layered double hydroxides of Ni and Fe are electrodeposited, and electricity of water in which Ni (OH) 2 and layered double hydroxides of Ni and Fe are formed on the electrode substrate. An electrode for decomposition was obtained.

(比較例3)
実施例1において、工程2のパルス電着処理を行わず、工程1で焼成されたNiO修飾CFPを水の電気分解用の電極として得た。
(Comparative Example 3)
In Example 1, the NiO-modified CFP calcined in Step 1 was obtained as an electrode for water electrolysis without performing the pulse electrodeposition treatment in Step 2.

(比較例4)
焼成温度を350℃に変更したこと以外は、比較例3と同様の方法で、NiO修飾CFPを得た。
(Comparative Example 4)
A NiO-modified CFP was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that the firing temperature was changed to 350 ° C.

(比較例5)
焼成温度を400℃に変更したこと以外は、比較例3と同様の方法で、NiO修飾CFPを得た
(Comparative Example 5)
A NiO-modified CFP was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that the firing temperature was changed to 400 ° C.

(比較例6)
焼成温度を550℃に変更したこと以外は、比較例3と同様の方法で、NiO修飾CFPを得た
(Comparative Example 6)
A NiO-modified CFP was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that the firing temperature was changed to 550 ° C.

(比較例7)
Ni/Fe(モル比)が0:1となるように溶液Bを調整したこと以外は、実施例1と同様の方法で電極を得た。
(Comparative Example 7)
An electrode was obtained in the same manner as in Example 1, except that Solution B was adjusted so that Ni / Fe (molar ratio) was 0: 1.

(比較例8)
実施例1において、電極基材をNFに変更すると共に、工程2のパルス電着処理を行わず、工程1で焼成されたNiO修飾NFを水の電気分解用の電極として得た。
(Comparative Example 8)
In Example 1, the electrode substrate was changed to NF, and the NiO-modified NF calcined in Step 1 was obtained as an electrode for water electrolysis without performing the pulse electrodeposition treatment in Step 2.

(評価結果)
図1は、各実施例及び比較例で得られた電極のリニアスイープボルタンメトリー曲線を示している。図1のリニアスイープボルタンメトリー曲線は、陽極として実施例又は比較例で得られた電極、陰極として白金板、参照電極としてAg/AgCl電極、電解液として1MのKOH水溶液を使用し、電極サイズを1cm×1cmとした酸素発生(OER)試験(電位掃引速度5mVs−1)により得た。リニアスイープボルタンメトリー曲線を得るための測定装置は、標準3電極セルと共に米国VersaSTAT4 ポテンションスタットガルバノスタット電気化学ワークステーションを用いて測定を行った。
(Evaluation results)
FIG. 1 shows linear sweep voltammetry curves of the electrodes obtained in each of Examples and Comparative Examples. The linear sweep voltammetry curve in FIG. 1 is obtained by using an electrode obtained in the example or the comparative example as an anode, a platinum plate as a cathode, an Ag / AgCl electrode as a reference electrode, a 1 M KOH aqueous solution as an electrolyte, and an electrode size of 1 cm It was obtained by an oxygen generation (OER) test (potential sweep rate 5 mVs -1 ) with a size of × 1 cm. The measurement apparatus for obtaining a linear sweep voltammetry curve was measured using a VersaSTAT4 potentiostat galvanostat electrochemical workstation with a standard three-electrode cell.

図1から、実施例で得られた電極はいずれも高い電流密度を有することがわかり、優れた性能を有する電極であった。特に、図1の結果から、工程1の焼成温度が450℃(実施例1)である場合に最も性能が優れることがわかった。実施例1の電極のリニアスイープボルタンメトリー曲線において、10mA/cmの電流印加時の過電圧は、175.2mVであり、特に低い値を示した。 FIG. 1 shows that all of the electrodes obtained in the examples had a high current density, and were electrodes having excellent performance. In particular, from the results of FIG. 1, it was found that the performance was most excellent when the firing temperature in step 1 was 450 ° C. (Example 1). In the linear sweep voltammetry curve of the electrode of Example 1, the overvoltage when applying a current of 10 mA / cm 2 was 175.2 mV, which was a particularly low value.

以上の結果から、特定の製造方法で得られた電極は微細構造が形成されることによりNiOとNiFeの層状複水酸化物の密接な接触が得られ、両者の協働的な触媒作用が発現するものと推測される。   From the above results, the electrode obtained by the specific manufacturing method has a fine structure, whereby intimate contact between the layered double hydroxides of NiO and NiFe can be obtained, and a cooperative catalytic action of the two appears. It is supposed to do.

また、図1の実施例と比較例との対比から、本発明の電極は、複合的な構造を持たないNi(OH)/CFP(比較例1)やNiO/CFP(比較例3等)の電極に比べて顕著に高い性能を示すことがわかった。 In addition, from the comparison between the example of FIG. 1 and the comparative example, the electrode of the present invention has a composite structure of Ni (OH) 2 / CFP (Comparative Example 1) and NiO / CFP (Comparative Example 3). It was found that the electrode showed remarkably high performance as compared with the electrode of No. 1.

図2は、各実施例及び比較例で得られた電極のXRDスペクトルを示している。該XRDのピーク線幅から求めたNiO結晶の平均粒径は、実施例3で7.72nm、実施例1で14.13nm、実施例4で20.70nmとなり、焼成温度が高くなるほど、平均粒径が増大した。よって、焼成温度が高くなることで、NiO粒子の結晶成長が促進されていることがわかる。   FIG. 2 shows XRD spectra of the electrodes obtained in each of Examples and Comparative Examples. The average particle size of the NiO crystal determined from the XRD peak line width was 7.72 nm in Example 3, 14.13 nm in Example 1, and 20.70 nm in Example 4. The higher the firing temperature, the higher the average particle size. The diameter has increased. Therefore, it is understood that the crystal growth of the NiO particles is promoted by increasing the firing temperature.

図3(a)、(b)及び(c)は、実施例1で得られた電極のSEM画像を示している(a,b,cの順に撮影倍率が高い)。これらのSEM像から、得られた電極は、CFP上に析出したNiOが花びら状の構造を有し、さらにそのNiOの表面をNiおよび鉄の層状複水酸化物が被覆していることがわかった。   3A, 3B, and 3C show SEM images of the electrodes obtained in Example 1 (the imaging magnification is higher in the order of a, b, and c). From these SEM images, it was found that in the obtained electrode, NiO deposited on CFP had a petal-like structure, and the surface of the NiO was covered with a layered double hydroxide of Ni and iron. Was.

図4は、実施例1で得られた電極の元素マッピングの結果を示している。具体的に図4(a)は電極表面のSEM画像の元素マッピングをし、(b)は元素マッピングスペクトル、(c)はNiの分布の様子、(d)はFeの分布の様子を示している。SEM画像の元素マッピングは、Horiba Scientific社の「エネルギー分散分光計(EDS)を備えた走査型電子顕微鏡(SEM、Hitachi SU8010)システムを用いて測定した。その測定において、測定電圧10kVとした。   FIG. 4 shows the results of element mapping of the electrode obtained in Example 1. Specifically, FIG. 4A shows the element mapping of the SEM image of the electrode surface, FIG. 4B shows the element mapping spectrum, FIG. 4C shows the distribution of Ni, and FIG. 4D shows the distribution of Fe. I have. The element mapping of the SEM image was measured using a scanning electron microscope (SEM, Hitachi SU8010) system equipped with an energy dispersive spectrometer (EDS) manufactured by Horiba Scientific, Inc. The measurement voltage was 10 kV.

図4の結果から、ニッケル及び鉄共に、材料表面上に均一に分布していることがわかった。   From the results of FIG. 4, it was found that both nickel and iron were uniformly distributed on the material surface.

図5は、実施例1及び5〜8で得られた電極のリニアスイープボルタンメトリー曲線を示している。図5のリニアスイープボルタンメトリー曲線は、陽極として実施例で得られた電極、陰極として白金板、参照電極としてAg/AgCl電極、電解液として1MのKOH水溶液を使用し、電極サイズを1cm×1cmとした酸素発生(OER)試験により得た。   FIG. 5 shows linear sweep voltammetry curves of the electrodes obtained in Examples 1 and 5 to 8. The linear sweep voltammetry curve in FIG. 5 is obtained by using the electrode obtained in the example as an anode, a platinum plate as a cathode, an Ag / AgCl electrode as a reference electrode, a 1 M KOH aqueous solution as an electrolyte, and an electrode size of 1 cm × 1 cm. Obtained by an oxygen evolution (OER) test.

図5から、パルス印加回数にかかわらずいずれの実施例で得られた電極も高い電流密度を有することがわかり、優れた性能を有する電極であった。特に、図5の結果から、パルス印加回数600回(実施例1)である場合に最も性能が優れることがわかった。従って、パルス印加回数の増加とともに、活性な層状複水酸化物の析出量が増加するためと考えられる。パルス印加回数が800回及び1000回(実施例7,8)よりも、パルス印加回数600回(実施例1)の方が良い性能であった。このことから、パルス印加回数が増加すると層状複水酸化物がより厚く、密度も高くなるが(図6参照)、層状複水酸化物が厚くなり過ぎても、密度が高くなり過ぎても良い訳ではなく、適した厚み及び密度が存在するといえる。   From FIG. 5, it was found that the electrodes obtained in any of the examples had a high current density regardless of the number of times of pulse application, and were electrodes having excellent performance. In particular, from the results of FIG. 5, it was found that the performance was most excellent when the number of times of pulse application was 600 (Example 1). Therefore, it is considered that the precipitation amount of the active layered double hydroxide increases as the number of pulse applications increases. The performance was better when the pulse application frequency was 600 times (Example 1) than when the pulse application frequency was 800 times and 1000 times (Examples 7 and 8). From this, although the layered double hydroxide becomes thicker and the density increases as the number of pulse applications increases (see FIG. 6), the layered double hydroxide may become too thick or the density may become too high. Rather, it can be said that a suitable thickness and density exist.

図6(a)〜(e)はそれぞれ、実施例5、実施例6、実施例1、実施例7及び実施例8で得られた電極のSEM画像を示している。これらのSEM像から、得られた電極はいずれも、CFP上に析出したNiOが花びら状の構造を有し、さらにそのNiOの表面をNiおよび鉄の層状複水酸化物が被覆していることがわかった。特に、パルス印加回数が増加すると層状複水酸化物がより厚く、密度も高くなる傾向にあった。   6A to 6E show SEM images of the electrodes obtained in Example 5, Example 6, Example 1, Example 7, and Example 8, respectively. From these SEM images, all of the obtained electrodes show that NiO deposited on CFP has a petal-like structure, and that the surface of the NiO is coated with a layered double hydroxide of Ni and iron. I understood. In particular, as the number of pulse applications increases, the layered double hydroxide tends to be thicker and have a higher density.

図7は、各実施例及び比較例で得られた電極のリニアスイープボルタンメトリー曲線を示している。図7のリニアスイープボルタンメトリー曲線は、陽極として実施例で得られた電極、陰極として白金板、参照電極としてAg/AgCl電極、電解液として1MのKOH水溶液を使用し、電極サイズを1cm×1cmとした酸素発生(OER)試験(電位掃引速度5mVs−1)により得た。 FIG. 7 shows linear sweep voltammetry curves of the electrodes obtained in each of Examples and Comparative Examples. The linear sweep voltammetry curve in FIG. 7 is obtained by using the electrode obtained in the example as an anode, a platinum plate as a cathode, an Ag / AgCl electrode as a reference electrode, and a 1 M KOH aqueous solution as an electrolyte. Oxygen generation (OER) test (potential sweep rate 5 mVs -1 ).

図7から、実施例で得られた電極はいずれも高い電流密度を有することがわかり、優れた性能を有する電極であった。特に、図7の結果から、工程2の溶液Cにおいて、最適なNi/Feモル比は4/1(実施例1)であることが明らかとなった。この結果、Feは少量の添加であっても電極特性を大幅に向上させることができることが示された。Feの添加量が特定範囲であれば、材料中でFe−O−Fe結合の生成が起こりにくく、これによりNiとFeの協働的な作用が損なわれにくいと推察される。   FIG. 7 shows that all of the electrodes obtained in the examples had a high current density, and were electrodes having excellent performance. In particular, the results in FIG. 7 revealed that the optimal Ni / Fe molar ratio in the solution C of the step 2 was 4/1 (Example 1). As a result, it was shown that even if a small amount of Fe was added, the electrode characteristics could be significantly improved. If the amount of Fe added is in the specific range, it is presumed that the formation of Fe—O—Fe bonds in the material is unlikely to occur, and the cooperative action of Ni and Fe is unlikely to be impaired.

図8は、実施例1で得られた電極を用いて水の電気分解を行った場合のクロノポテンシオメトリーの結果(電流密度を10mA/cm及び50mA/cmの2種類とした)を示している。該クロノポテンシオメトリーは、実施例1で得られた電極をカソードとして使用した場合の結果である。測定条件はそれぞれリニアスイープボルタンメトリー曲線を得るための試験と同様の条件とし、測定装置は、2電極セルと共に米国VersaSTAT4 ポテンションスタットガルバノスタット電気化学ワークステーションを用いて測定を行った。 FIG. 8 shows the results of chronopotentiometry (current density was set to 10 mA / cm 2 and 50 mA / cm 2 ) in the case where water electrolysis was performed using the electrode obtained in Example 1. Is shown. The chronopotentiometry is the result when the electrode obtained in Example 1 was used as a cathode. The measurement conditions were the same as in the test for obtaining a linear sweep voltammetry curve, and the measurement was performed using a VersaSTAT4 potentiostat galvanostat electrochemical workstation in the United States together with a two-electrode cell.

図8から、30時間経過しても、電極の性能の低下は見られなかった。この結果は、実施例1で得られた電極が優れた耐久性を有することを示す。   From FIG. 8, no deterioration in electrode performance was observed even after 30 hours. This result indicates that the electrode obtained in Example 1 has excellent durability.

図9(a)及び(b)は、図8のクロノポテンシオメトリー試験を30時間続けた後の電極を用いて、リニアスイープボルタンメトリー試験を行った結果を示している(図9中、「試験後」と表記)。また、比較として、図9(a)及び(b)には、クロノポテンシオメトリー試験前の電極のリニアスイープボルタンメトリー試験の結果も示している((図9中、「試験前」と表記)。このリニアスイープボルタンメトリー試験は、図7の試験条件と同様とした((a)は電流密度が10mA/cm、(b)は電流密度が50mA/cmである)。 9 (a) and 9 (b) show the results of performing a linear sweep voltammetry test using the electrode after the chronopotentiometry test of FIG. 8 was continued for 30 hours (FIG. 9, “Test”). After "). As a comparison, FIGS. 9A and 9B also show the results of a linear sweep voltammetry test of the electrode before the chronopotentiometry test (shown as “before test” in FIG. 9). The linear sweep voltammetry test was performed under the same conditions as the test conditions in FIG. 7 ((a) current density was 10 mA / cm 2 , (b) current density was 50 mA / cm 2 ).

図9(a)及び(b)から、実施例1の電極は30時間使用された後であっても、過電圧は抑制されており、むしろ使用前よりも使用後の方が過電圧の低下が確認された。これは、活性の高いNiOOH種が層状複水酸化物表面に形成されたためと推測される   9 (a) and 9 (b), the overvoltage is suppressed even after the electrode of Example 1 has been used for 30 hours, and it is confirmed that the overvoltage is lower after use than before use. Was done. This is presumably because highly active NiOOH species were formed on the surface of the layered double hydroxide.

図10(a)及び(b)は、図8のクロノポテンシオメトリー試験前の電極表面のSEM画像、図10(c)及び(d)は、図8のクロノポテンシオメトリー試験(ただし、電流密度が50mA/cm)を30時間続けた後の電極表面のSEM画像である。 10A and 10B are SEM images of the electrode surface before the chronopotentiometry test in FIG. 8, and FIGS. 10C and 10D are chronopotentiometry tests in FIG. It is a SEM image of the electrode surface after continuing density (50 mA / cm < 2 >) for 30 hours.

クロノポテンシオメトリー試験後(耐久試験後)であっても、層状複水酸化物で被覆されたNiO粒子は、花弁状の構造が部分的に崩壊しているのみに留まるものであり、実施例で得られた電極は優れた耐久性を有していることが示された。   Even after the chronopotentiometry test (after the endurance test), the NiO particles coated with the layered double hydroxide are those in which the petal-like structure is only partially collapsed. It was shown that the electrode obtained in Example 1 had excellent durability.

図11は、実施例13〜17及び比較例8で得られた電極のリニアスイープボルタンメトリー曲線を示している。図11のリニアスイープボルタンメトリー曲線は、陽極として実施例又は比較例で得られた電極、陰極として白金板、参照電極としてAg/AgCl電極、電解液として1MのKOH水溶液を使用し、電極サイズを1cm×1cmとした酸素発生(OER)試験により得た。   FIG. 11 shows the linear sweep voltammetry curves of the electrodes obtained in Examples 13 to 17 and Comparative Example 8. The linear sweep voltammetry curve in FIG. 11 is obtained by using the electrode obtained in the example or the comparative example as an anode, a platinum plate as a cathode, an Ag / AgCl electrode as a reference electrode, a 1M KOH aqueous solution as an electrolyte, and an electrode size of 1 cm. It was obtained by an oxygen evolution (OER) test with a size of × 1 cm.

図11から、実施例で得られた電極はいずれも高い電流密度を有することがわかり、優れた性能を有する電極であった。実施例13のようにUPED法でNiFe層状複水酸化物を析出させることで調製した電極(NF使用)の過電圧は、10mA/cmで276.5mV、50mA/cmで464mVであった。一方、同じUPED法でCFPを基材とした場合は、10mA/cmで153.7mVであり、NFを電極基材とする場合よりも大幅に小さい値を示した。なお、CFPを基材とする電極系では、1.35〜1.5Vの領域に電極表面上のNi2+種のNi3+種への酸化電流が観測されるが、この影響がない50mA/cmの条件で比較した場合の過電圧は330mVであった。 FIG. 11 shows that all of the electrodes obtained in the examples had a high current density, and were electrodes having excellent performance. The overvoltage of the electrode (using NF) prepared by depositing the NiFe layered double hydroxide by the UPED method as in Example 13 was 276.5 mV at 10 mA / cm 2 and 464 mV at 50 mA / cm 2 . On the other hand, when CFP was used as the base material by the same UPED method, the value was 153.7 mV at 10 mA / cm 2 , which was much smaller than that when NF was used as the electrode base material. In addition, in the electrode system using CFP as a base material, an oxidation current of Ni 2+ species on the electrode surface to Ni 3+ species is observed in the region of 1.35 to 1.5 V, but there is no influence of 50 mA / cm. The overvoltage when compared under the conditions of No. 2 was 330 mV.

一方、実施例14のように、溶液Cの水熱合成によってNF上にNiFe層状複水酸化物を析出させた電極は、50mA/cmで384mVの過電圧を示した。さらに、実施例17のように溶液Cの水熱合成後に超音波処理を行った場合は、50mA/cmで340mVの過電圧を示し、超音波処理を行わない場合に比べて低い過電圧を示した。 On the other hand, the electrode obtained by depositing the NiFe layered double hydroxide on the NF by hydrothermal synthesis of the solution C as in Example 14 exhibited an overvoltage of 384 mV at 50 mA / cm 2 . Furthermore, when the ultrasonic treatment was performed after the hydrothermal synthesis of the solution C as in Example 17, the overvoltage was 340 mV at 50 mA / cm 2 , which was lower than that without the ultrasonic treatment. .

図12は、図11に示すリニアスイープボルタンメトリー曲線から算出したターフェル勾配を示している。図12(b)は、実施例17で得られた電極のクロノポテンシオメトリーの結果を示している。このクロノポテンシオメトリーは、図1のクロノポテンシオメトリーと同様の条件で行った。   FIG. 12 shows the Tafel slope calculated from the linear sweep voltammetry curve shown in FIG. FIG. 12B shows the result of chronopotentiometry of the electrode obtained in Example 17. This chronopotentiometry was performed under the same conditions as the chronopotentiometry in FIG.

図12(a)から、実施例17で得られた電極(水熱合成法と超音波処理の組み合わせ)は、最も低いターフェル勾配を示し、最も低い過電圧を示すことがわかった。この電極のクロノポテンシオメトリー(図12(b))では、当初192mVの過電圧が観測され、1000秒の通電後の過電圧は210mVとわずかに上昇するのみであった。   FIG. 12A shows that the electrode (combination of hydrothermal synthesis and ultrasonic treatment) obtained in Example 17 exhibited the lowest Tafel slope and the lowest overvoltage. In the chronopotentiometry of this electrode (FIG. 12 (b)), an overvoltage of 192 mV was initially observed, and the overvoltage after current supply for 1000 seconds increased only slightly to 210 mV.

表1は、図11及び12から求めた各電極の過電圧(電流密度が10mA/cm及び50mA/cmの2種類)の結果を示している。 Table 1 shows the results of the overvoltage (two types of current densities of 10 mA / cm 2 and 50 mA / cm 2 ) of each electrode obtained from FIGS. 11 and 12.

図13は、実施例1、実施例14、比較例8で得た電極のXRDスペクトルを示している。このXRDスペクトルから、水熱合成法で調製した実施例14の電極では、α−Ni(OH)、β−Ni(OH)、β−NiOOH、NiFeの生成が観測された。 FIG. 13 shows XRD spectra of the electrodes obtained in Example 1, Example 14, and Comparative Example 8. From the XRD spectrum, generation of α-Ni (OH) 2 , β-Ni (OH) 2 , β-NiOOH, and NiFe 2 O 4 was observed at the electrode of Example 14 prepared by the hydrothermal synthesis method.

Claims (6)

第1の金属M1の化合物(ここで、金属M1はNi、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液Aに電極基材を浸漬した状態で加熱処理した後、前記電極基材を取り出して焼成する工程1と、
前記工程1で焼成された電極基材を、第2の金属M1の化合物(金属M1は、前記第1の金属M1の化合物における金属M1と同一の金属である)及び金属M2の化合物(ここで、金属M2はFe、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液B中でパルス電着処理を行う工程2と、
を具備する、電極の製造方法。
The electrode substrate was immersed in a solution A containing a compound of the first metal M1 (where the metal M1 is at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo). After heat treatment in a state, a step 1 of taking out and firing the electrode base material;
The electrode base material fired in the step 1 is combined with a compound of the second metal M1 (the metal M1 is the same metal as the metal M1 in the compound of the first metal M1) and a compound of the metal M2 (here, A metal M2 is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo), and performing a pulse electrodeposition treatment in a solution B containing:
A method for producing an electrode, comprising:
第1の金属M1の化合物(ここで、金属M1はNi、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液Aに電極基材を浸漬した状態で加熱処理した後、前記電極基材を取り出して焼成する工程1と、
前記工程1で焼成された電極基材を、第2の金属M1の化合物(金属M1は、前記第1の金属M1の化合物における金属M1と同一の金属である)及び金属M2の化合物(ここで、金属M2はFe、Co、Cu、Cr、Zn、Mn及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種である)を含む溶液Cに浸漬した状態で加熱処理を行う工程3と、
を具備する、電極の製造方法。
The electrode substrate was immersed in a solution A containing a compound of the first metal M1 (where the metal M1 is at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo). After heat treatment in a state, a step 1 of taking out and firing the electrode base material;
The electrode base material fired in the step 1 is combined with a compound of the second metal M1 (the metal M1 is the same metal as the metal M1 in the compound of the first metal M1) and a compound of the metal M2 (here, , A metal M2 is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Mn and Mo), and a heat treatment in a state of being immersed in a solution C containing
A method for producing an electrode, comprising:
前記工程3で得られた電極を有機溶媒に浸漬して超音波を照射する工程4をさらに備える、請求項2に記載の電極の製造方法。 3. The method for manufacturing an electrode according to claim 2, further comprising a step 4 of immersing the electrode obtained in the step 3 in an organic solvent and irradiating with an ultrasonic wave. 前記電極は、電極基材上に金属M1の酸化物と、層状複水酸化物とが形成されており、
前記層状複水酸化物は、金属M1及び金属M2を含有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
The electrode has an oxide of metal M1 and a layered double hydroxide formed on an electrode substrate,
The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the layered double hydroxide contains a metal M1 and a metal M2.
電極基材上に金属M1の酸化物と、金属M1及び金属M2を含有する層状複水酸化物が形成されている、電極。 An electrode in which an oxide of metal M1 and a layered double hydroxide containing metal M1 and metal M2 are formed on an electrode substrate. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法で得られた電極又は請求項5に記載の電極を使用して、水溶液中で電解処理を行う工程を含む、水素の製造方法。 A method for producing hydrogen, comprising a step of performing an electrolytic treatment in an aqueous solution using the electrode obtained by the method according to any one of claims 1 to 4 or the electrode according to claim 5.
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