JP2021107307A - Manganese oxide and method for producing the same, and electrode using the manganese oxide - Google Patents

Manganese oxide and method for producing the same, and electrode using the manganese oxide Download PDF

Info

Publication number
JP2021107307A
JP2021107307A JP2019239403A JP2019239403A JP2021107307A JP 2021107307 A JP2021107307 A JP 2021107307A JP 2019239403 A JP2019239403 A JP 2019239403A JP 2019239403 A JP2019239403 A JP 2019239403A JP 2021107307 A JP2021107307 A JP 2021107307A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
manganese oxide
manganese
electrode
ion
layered
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2019239403A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7479027B2 (en
Inventor
雅晴 中山
Masaharu Nakayama
雅晴 中山
拓弥 岡田
Takuya Okada
拓弥 岡田
光 阿部
Hikari Abe
光 阿部
若林 徹
Toru Wakabayashi
徹 若林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nakabohtec Corrosion Protecting Co Ltd
Yamaguchi University NUC
Original Assignee
Nakabohtec Corrosion Protecting Co Ltd
Yamaguchi University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nakabohtec Corrosion Protecting Co Ltd, Yamaguchi University NUC filed Critical Nakabohtec Corrosion Protecting Co Ltd
Priority to JP2019239403A priority Critical patent/JP7479027B2/en
Publication of JP2021107307A publication Critical patent/JP2021107307A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7479027B2 publication Critical patent/JP7479027B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

To provide a manganese oxide useful as an electrode active material, and to provide a method for producing the same.SOLUTION: A manganese oxide is formed by heating a manganese oxide laminate, the manganese oxide laminate being configured such that: a plurality of layers of manganese oxide are laminated; and water molecules and cations other than manganese ion exist among the layers of manganese oxide. In the manganese oxide, water molecules are removed. Preferably, the cations exist in a use environment of the manganese oxide and, for example, may be sodium ion. A method of the present invention for producing the manganese oxide includes: a first step of electrochemically oxidizing a divalent manganese compound or electrochemically reducing permanganate ion, in the presence of cations other than the manganese ion, to obtain the manganese oxide laminate; and a second step of heating the manganese oxide laminate at 300°C or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、新規なマンガン酸化物に関する。 The present invention relates to novel manganese oxides.

二酸化マンガン(MnO)をはじめとするマンガン酸化物は様々な結晶構造を有し、電子・カチオンの注入によって複数の酸化状態を取り得るため、アルカリ乾電池やリチウムイオン二次電池の正極材料をはじめ、種々の用途に利用されている。 Manganese oxides such as manganese dioxide (MnO 2 ) have various crystal structures and can take multiple oxidation states by injecting electrons and cations. Therefore, they are used as positive electrode materials for alkaline batteries and lithium ion secondary batteries. , Used for various purposes.

また近年、マンガン酸化物を電解用金属陽極の触媒として使用する試みがなされている。例えば、海水に代表される塩素イオン含有水溶液の電解用電極や電気防食用の不溶性電極としては従来、チタンなどの耐食性に優れた導電性基材の表面を貴金属又はその酸化物からなる触媒層で被覆したものが汎用されているが、該触媒層の材料(電極活物質)として、貴金属よりも安価なマンガン酸化物を使用することが提案されている(特許文献1〜3)。 In recent years, attempts have been made to use manganese oxide as a catalyst for a metal anode for electrolysis. For example, as an electrode for electrolysis of a chlorine ion-containing aqueous solution typified by seawater or an insoluble electrode for electrocorrosion protection, the surface of a conductive base material having excellent corrosion resistance such as titanium has conventionally been formed with a catalyst layer made of a noble metal or an oxide thereof. Although the coated material is widely used, it has been proposed to use manganese oxide, which is cheaper than the noble metal, as the material (electrode active material) of the catalyst layer (Patent Documents 1 to 3).

貴金属を含む従来の電解用電極を用いた海水電解では、陰極で水素及び水酸化ナトリウムが発生し、陽極で塩素が発生するところ、水素の製造のみを目的とし、塩素(塩素及び水酸化ナトリウムから生成される次亜塩素酸ナトリウム)の製造を目的としていない場合は、塩素の発生が問題となり得る。塩素は毒性を有するため、海水電解が実施され塩素が発生する環境によっては、生態系への悪影響、当該電極を含む設備への悪影響が懸念されるためである。また同様の悪影響は外部電源方式の電気防食においても懸念される。この点、特許文献1〜3に記載のマンガン酸化物電極は、海水電解において塩素が発生せずに酸素が発生する酸素発生型電極であり、斯かる懸念を払拭し得るものである。特許文献1〜3に記載のマンガン酸化物電極は、電極活物質としてトンネル構造のγ(ガンマ)型二酸化マンガン(γ−MnO)を含むもので、典型的には、チタン製基材、白金族を含む中間層、γ型二酸化マンガンを含む触媒層を順次積層してなる構成を有する。 In seawater electrolysis using conventional electrolysis electrodes containing noble metals, where hydrogen and sodium hydroxide are generated at the cathode and chlorine is generated at the anode, chlorine (from chlorine and sodium hydroxide) is used only for the purpose of producing hydrogen. If the purpose is not to produce the sodium hypochlorite produced), the generation of chlorine can be a problem. Since chlorine is toxic, there is a concern that it may have an adverse effect on the ecosystem or equipment including the electrode depending on the environment in which seawater electrolysis is performed and chlorine is generated. In addition, the same adverse effect is also a concern in the electric corrosion protection of the external power supply system. In this regard, the manganese oxide electrodes described in Patent Documents 1 to 3 are oxygen-evolving electrodes that generate oxygen without generating chlorine in seawater electrolysis, and such concerns can be dispelled. The manganese oxide electrodes described in Patent Documents 1 to 3 contain γ (gamma) type manganese dioxide (γ-MnO 2 ) having a tunnel structure as an electrode active material, and are typically a titanium substrate or platinum. It has a structure in which an intermediate layer containing a group and a catalyst layer containing γ-type manganese dioxide are sequentially laminated.

マンガン酸化物電極の製造方法としては従来、チタン等の導電性基材を陽極とし、マンガンイオンを含む電解液(酸性水溶液)を電解することにより、該陽極の表面に二酸化マンガンを析出させる「電析法」(電着法)と、チタン等の導電性基材上で硝酸マンガン水溶液を加熱分解することにより二酸化マンガンの薄層を形成する「熱分解法」とが知られている。電析法で得られる二酸化マンガンの結晶構造はγ型、熱分解法で得られるそれはβ(ベータ)型である。特許文献1〜3に記載のマンガン酸化物電極は電析法によって製造されるところ、この従来の電析法は、導電性基材が浸漬される電解液を強酸性且つ90℃以上の高温に保つ必要があるため、作業の安全性、設備の保全性等の点で問題があった。また従来の電析法には、二酸化マンガンの析出時に酸素発生を伴うことに起因して、電流効率が低いという問題があり、電流効率が10%未満という報告もある。そのため従来の電析法では、基材の表面に形成される二酸化マンガンの層の厚みを制御することが困難であった。 Conventionally, as a method for producing a manganese oxide electrode, a conductive base material such as titanium is used as an anode, and an electrolytic solution (acidic aqueous solution) containing manganese ions is electrolyzed to precipitate manganese dioxide on the surface of the anode. There are known "analysis method" (electrolysis method) and "thermal decomposition method" in which a thin layer of manganese dioxide is formed by heat-decomposing an aqueous solution of manganese nitrate on a conductive substrate such as titanium. The crystal structure of manganese dioxide obtained by the electrodeposition method is γ type, and that obtained by the thermal decomposition method is β (beta) type. The manganese oxide electrodes described in Patent Documents 1 to 3 are manufactured by an electrolysis method. In this conventional electrolysis method, the electrolytic solution in which the conductive base material is immersed is strongly acidic and has a high temperature of 90 ° C. or higher. Since it is necessary to keep it, there are problems in terms of work safety, equipment maintainability, and so on. Further, the conventional electrodeposition method has a problem that the current efficiency is low due to the generation of oxygen at the time of precipitation of manganese dioxide, and there is a report that the current efficiency is less than 10%. Therefore, it is difficult to control the thickness of the manganese dioxide layer formed on the surface of the base material by the conventional electrodeposition method.

特許文献4には、特許文献1〜3に記載の電析法に比べて穏やかな条件で二酸化マンガンを析出し得る電析法が記載されている。特許文献4に記載の電析法は、具体的には、電解液として、2価のマンガン塩水溶液に有機第4アンモニウムイオンを共存させたものを用い、所定の電圧により陽極の表面に二酸化マンガンを析出させるというものであり、これによって得られる二酸化マンガンは、マンガン酸化物の薄層間に有機第4アンモニウムイオンをインターカレートさせた構成を有するδ(デルタ)型二酸化マンガン(δ−MnO)である。δ型二酸化マンガンは層状構造を有し、電子移行のための連続的な酸化物層とイオン移動のための連続的な空間とを併せ持ち、斯かる特有の層状構造に起因する特異的なイオン交換特性や電気化学特性を有するため、様々な分野で注目されている。 Patent Document 4 describes an electrodeposition method capable of precipitating manganese dioxide under milder conditions than the electrodeposition methods described in Patent Documents 1 to 3. Specifically, the electrodeposition method described in Patent Document 4 uses a divalent manganese salt aqueous solution in which organic fourth ammonium ions coexist as an electrolytic solution, and manganese dioxide is applied to the surface of the anode by a predetermined voltage. The manganese dioxide obtained by this is a δ (delta) type manganese dioxide (δ-MnO 2 ) having a structure in which an organic fourth ammonium ion is intercalated between thin layers of a manganese oxide. ). δ-type manganese dioxide has a layered structure, has a continuous oxide layer for electron transfer and a continuous space for ion transfer, and has specific ion exchange due to such a unique layered structure. Since it has properties and electrochemical properties, it is attracting attention in various fields.

特開平9−256181号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-256181 特開2003−129267号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-129267 特開2010−59524号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-59524 特開2006−76865号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-76865

特許文献4に記載の電析法は、陽極としての導電性基材が浸漬される電解液が中性で室温と同程度の温度であればよく、しかも電流効率が比較的高いため、δ型二酸化マンガンの工業的な製造方法として有用である。しかしながら、この電析法で得られたδ型二酸化マンガンは、電極活物質としての性能の点で改善の余地があった。 The electrodeposition method described in Patent Document 4 requires that the electrolytic solution in which the conductive base material as the anode is immersed is neutral and has a temperature similar to room temperature, and the current efficiency is relatively high. Therefore, it is a δ type. It is useful as an industrial method for producing manganese dioxide. However, the δ-type manganese dioxide obtained by this electrodeposition method has room for improvement in terms of performance as an electrode active material.

本発明の課題は、前述した従来技術が有する欠点を解消し得る技術を提供することであり、詳細には、電極活物質として有用なマンガン酸化物を提供することである。 An object of the present invention is to provide a technique capable of eliminating the above-mentioned drawbacks of the prior art, and more specifically, to provide a manganese oxide useful as an electrode active material.

本発明は、マンガン酸化物の層が複数積層され、該マンガン酸化物の層どうしの間に、マンガンイオン以外のカチオン及び水分子が存在する層状マンガン酸化物を加熱してなり、該水分子が除去された、マンガン酸化物である。 In the present invention, a plurality of layers of manganese oxide are laminated, and a layered manganese oxide in which cations other than manganese ions and water molecules are present between the layers of the manganese oxide is heated, and the water molecules are formed. The removed manganese oxide.

また本発明は、導電性基材の表面に、前記の本発明のマンガン酸化物を含む層が固着した電極である。 Further, the present invention is an electrode in which the above-mentioned layer containing the manganese oxide of the present invention is fixed on the surface of a conductive base material.

また本発明は、マンガンイオン以外のカチオンの存在下で2価のマンガン化合物を電気化学的に酸化するか、又はマンガンイオン以外のカチオンの存在下で過マンガン酸イオンを電気化学的に還元し、層状マンガン酸化物を得る第1の工程と、前記層状マンガン酸化物を300℃以上で加熱する第2の工程とを有する、マンガン酸化物の製造方法である。 Further, in the present invention, a divalent manganese compound is electrochemically oxidized in the presence of a cation other than manganese ion, or a permanganate ion is electrochemically reduced in the presence of a cation other than manganese ion. A method for producing manganese oxide, which comprises a first step of obtaining a layered manganese oxide and a second step of heating the layered manganese oxide at 300 ° C. or higher.

本発明によれば、電極活物質として有用なマンガン酸化物、及び該マンガン酸化物を製造し得る方法が提供される。本発明のマンガン酸化物を用いた本発明の電極は、酸素発生型電極として機能するため、従来の塩素発生型電極に比べて環境に対する負荷が低減されており、塩素発生型電極を使用できない環境でも使用可能であり、電気防食用電極をはじめとする広範な用途に用いることができる。 According to the present invention, a manganese oxide useful as an electrode active material and a method capable of producing the manganese oxide are provided. Since the electrode of the present invention using the manganese oxide of the present invention functions as an oxygen-evolving electrode, the load on the environment is reduced as compared with the conventional chlorine-evolving electrode, and an environment in which the chlorine-generating electrode cannot be used. However, it can be used in a wide range of applications such as electrodes for anticorrosion.

図1(a)〜図1(f)は、それぞれ、製造例で製造した析出層付き電極における該析出層のX線回折(XRD)による解析パターンである。1 (a) to 1 (f) are analysis patterns by X-ray diffraction (XRD) of the precipitate layer in the electrode with the precipitate layer produced in each of the production examples. 図2(a)〜図2(f)は、それぞれ、製造例で製造した析出層付き電極における該析出層のX線光電子分光法(XPS)によるNa 1sスペクトルである。2 (a) to 2 (f) are Na 1s spectra obtained by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the precipitated layer in the electrode with a precipitated layer produced in each of the production examples. 図3(a)〜図3(f)は、それぞれ、製造例で製造した析出層付き電極における該析出層のX線光電子分光法(XPS)によるO 1sスペクトルである。3 (a) to 3 (f) are O 1s spectra of the electrode with a precipitation layer produced in the production example by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). 図4(a)〜図4(f)は、それぞれ、製造例で製造した析出層付き電極における該析出層の表面の走査型電子顕微鏡画像である。4 (a) to 4 (f) are scanning electron microscope images of the surface of the precipitate layer in the electrode with the precipitate layer produced in the production example, respectively. 図5(a)〜図5(f)は、それぞれ、製造例で製造した析出層付き電極の塩化ナトリウム水溶液又は過塩素酸ナトリウム水溶液中でのアノード分極曲線である。5 (a) to 5 (f) are anodic polarization curves of the electrode with a precipitation layer produced in the production example in an aqueous solution of sodium chloride or an aqueous solution of sodium perchlorate, respectively.

本発明のマンガン酸化物は、層状マンガン酸化物を加熱してなるものであり、層状マンガン酸化物の加熱物である。以下ではまず、本発明のマンガン酸化物の前駆体とも言うべき、本発明に係る層状マンガン酸化物について説明する。 The manganese oxide of the present invention is obtained by heating a layered manganese oxide, and is a heated product of the layered manganese oxide. Hereinafter, the layered manganese oxide according to the present invention, which should be said to be a precursor of the manganese oxide of the present invention, will be described first.

層状マンガン酸化物は、マンガン酸化物の層が複数積層された層状構造を有する。層状マンガン酸化物は、基本構造として、マンガン酸化物の層どうしの間に間隙が存在する層状構造、すなわち固相(マンガン酸化物)と空間(間隙)とが交互に配置された構造を有するものであればよく、例えば、バーネサイト型層状マンガン酸化物を例示できる。なお、後述するように、層状マンガン酸化物の層状構造における空間(層と層との間隙)には、マンガンイオン以外のカチオンが存在する。バーネサイト型層状マンガン酸化物は、マンガンを中心とし頂点に6つの酸素を配置したMnOで示される八面体構造が、互いに頂点と稜を共有して広がったマンガン酸化物の層(MnOシート)を複数有し、その複数のマンガン酸化物の層が積み重なって層状構造を形成したもので、Mn3+/Mn4+の混合原子価をもつマンガン酸化物(MnO)である。 The layered manganese oxide has a layered structure in which a plurality of layers of manganese oxide are laminated. The layered manganese oxide has, as a basic structure, a layered structure in which gaps exist between layers of manganese oxide, that is, a structure in which solid phase (manganese oxide) and spaces (gap) are alternately arranged. However, for example, a burnesite-type layered manganese oxide can be exemplified. As will be described later, cations other than manganese ions are present in the space (gap between layers) in the layered structure of the layered manganese oxide. The burnesite-type layered manganese oxide is a layer of manganese oxide (MnO 2 sheet) in which an octahedral structure represented by MnO 6 in which six oxygens are arranged at the apex centered on manganese spreads while sharing the apex and ridge with each other. A manganese oxide (MnO 2 ) having a mixed valence of Mn 3+ / Mn 4+ , which is formed by stacking layers of the plurality of manganese oxides to form a layered structure.

層状マンガン酸化物の層状構造を構成する「1つのマンガン酸化物の層の厚み」と「該1つのマンガン酸化物の層とこれに最も近接する他の1つのマンガン酸化物の層との間隔」との合計(以下、「層間距離」ともいう。)は、層状マンガン酸化物の物理化学的安定性や機械的安定性に少なからず影響を及ぼす。この点を考慮して、層状マンガン酸化物の層間距離は、好ましくは0.4〜5nm、より好ましくは0.5〜3nm、更に好ましくは0.7〜1.5nmである。層間距離は、Bragg式(2dsinθ=nλ)から001面の格子定数(d001)を求めることで測定することができる。 "Thickness of one manganese oxide layer" constituting the layered structure of layered manganese oxide and "distance between the one manganese oxide layer and the other manganese oxide layer closest thereto" (Hereinafter, also referred to as “interlayer distance”) has a considerable influence on the physicochemical stability and mechanical stability of the layered manganese oxide. In consideration of this point, the interlayer distance of the layered manganese oxide is preferably 0.4 to 5 nm, more preferably 0.5 to 3 nm, and further preferably 0.7 to 1.5 nm. The interlayer distance can be measured by obtaining the lattice constant (d 001 ) of the 001 plane from the Bragg equation (2dsin θ = nλ).

層状マンガン酸化物において、マンガン酸化物の層どうしの間には、マンガンイオン以外のカチオン(以下、「非マンガンカチオン」ともいう。)及び水分子が存在する。典型的には、層状マンガン酸化物におけるマンガン酸化物の層どうしの間には、マンガン酸化物の層間に水和した非マンガンカチオンがインターカレートされている。 In the layered manganese oxide, cations other than manganese ions (hereinafter, also referred to as “non-manganese cations”) and water molecules are present between the layers of the manganese oxide. Typically, hydrated non-manganese cations are intercalated between the layers of manganese oxide in the layered manganese oxide.

層状マンガン酸化物は、マンガンイオン以外のカチオンの存在下で2価のマンガン化合物を電気化学的に酸化して得られたものであり得る。また、層状マンガン酸化物は、マンガンイオン以外のカチオンの存在下で過マンガン酸イオンを電気化学的に還元して得られたものであり得る。 The layered manganese oxide may be obtained by electrochemically oxidizing a divalent manganese compound in the presence of a cation other than the manganese ion. Further, the layered manganese oxide may be obtained by electrochemically reducing permanganate ions in the presence of cations other than manganese ions.

本発明のマンガン酸化物は、該マンガン酸化物の前駆体である層状マンガン酸化物から、水分子が除去されている点で特徴付けられる。本発明者らは、特許文献4に記載の方法で製造された層状マンガン酸化物について種々検討した結果、該層状マンガン酸化物におけるマンガン酸化物の層どうしの間には水分子が存在すること、この層間に存在する水分子を、層状マンガン酸化物の加熱により除去することで、該マンガン酸化物の触媒活性が大幅に向上することを知見した。本発明のマンガン酸化物は斯かる知見に基づきなされたものであり、特許文献4に記載の方法で製造された層状マンガン酸化物に比べて触媒活性が高く、電極材料として高性能である。マンガン酸化物におけるマンガン酸化物の層どうしの間に水分子が存在しないことは、X線光電子分光法(XPS)を用い、水分子(HO)に由来するピークが得られるか否かによって確認することができる。 The manganese oxide of the present invention is characterized in that water molecules are removed from the layered manganese oxide which is a precursor of the manganese oxide. As a result of various studies on the layered manganese oxide produced by the method described in Patent Document 4, the present inventors have found that water molecules are present between the layers of the manganese oxide in the layered manganese oxide. It has been found that the catalytic activity of the manganese oxide is significantly improved by removing the water molecules existing between the layers by heating the layered manganese oxide. The manganese oxide of the present invention has been made based on such findings, has higher catalytic activity than the layered manganese oxide produced by the method described in Patent Document 4, and has high performance as an electrode material. The absence of water molecules between the layers each other manganese oxide in manganese oxide, using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), depending on whether a peak derived from a water molecule (H 2 O) is obtained You can check.

本発明のマンガン酸化物は、前駆体である層状マンガン酸化物と比較して、水分子が除去されているだけでなく、典型的には、分子構造が変化している。すなわち本発明のマンガン酸化物の一実施形態として、水分子を有さず且つ非晶質構造を有するものが挙げられる。ここでいう「非晶質構造」には、1)結晶構造を完全に持たないもの、2)光学的には結晶構造が見られないが、X線解析では弱い回折を示す潜晶質、3)結晶層の積層に規則性の無い乱層構造、などが含まれる。非晶質構造を有するマンガン酸化物は、層状マンガン酸化物の如き結晶構造を有するものと比べて、比表面積が増大しており、そのため、電極材料として高性能である。 Compared to the precursor layered manganese oxide, the manganese oxide of the present invention not only has water molecules removed, but also typically has a changed molecular structure. That is, as one embodiment of the manganese oxide of the present invention, one having no water molecule and having an amorphous structure can be mentioned. The "amorphous structure" referred to here is 1) a crystal structure that does not have a complete crystal structure, 2) a cryptocrystalline substance that does not have a crystal structure optically but shows weak diffraction in X-ray analysis, 3 ) The layering of crystal layers includes irregular layered structures. A manganese oxide having an amorphous structure has an increased specific surface area as compared with a manganese oxide having a crystal structure such as a layered manganese oxide, and therefore has high performance as an electrode material.

本発明のマンガン酸化物は、典型的には、非マンガンカチオンを含有する。この非マンガンカチオンは、少なくともマンガン酸化物の製造直後、通常は該マンガン酸化物を電極触媒として使用する前までは、該マンガン酸化物の前駆体である層状マンガン酸化物に存在していたものと同じであり結晶化していないが、該マンガン酸化物を電極触媒として使用した場合には、該マンガン酸化物の周辺に存在する他のカチオンとイオン交換することにより、該マンガン酸化物から脱離し得る。本発明者らの知見によれば、このようにイオン交換によって非マンガンカチオンが脱離すると、マンガン酸化物の構造(非晶質構造)が変化し、マンガン酸化物の性能低下に繋がるおそれがある。 The manganese oxides of the present invention typically contain non-manganese cations. This non-manganese cation was present in the layered manganese oxide which is the precursor of the manganese oxide at least immediately after the production of the manganese oxide and usually before the manganese oxide was used as an electrode catalyst. Although it is the same and not crystallized, when the manganese oxide is used as an electrode catalyst, it can be desorbed from the manganese oxide by ion exchange with other cations existing around the manganese oxide. .. According to the findings of the present inventors, the desorption of non-manganese cations by ion exchange in this way may change the structure (amorphous structure) of manganese oxide, leading to deterioration of manganese oxide performance. ..

そこで、非マンガンカチオンとしては、マンガン酸化物の使用環境中に存在するカチオンを用いることが好ましい。そうすることにより、例えばマンガン酸化物を電極触媒として使用した場合に、マンガン酸化物中の非マンガンカチオンがイオン交換によって脱離しても、該マンガン酸化物の周辺に存在する、脱離した非マンガンカチオンと同種のカチオンが、脱離した非マンガンカチオンと入れ替わってマンガン酸化物中に存在するため、実質的に該マンガン酸化物中に非マンガンカチオンが常時存在することとなる。その結果、マンガン酸化物における構造(非晶質構造)の安定性が向上し、該マンガン酸化物の所定の性能が長期にわたって安定的に発揮され得る。 Therefore, as the non-manganese cation, it is preferable to use a cation that exists in the environment in which the manganese oxide is used. By doing so, for example, when manganese oxide is used as an electrode catalyst, even if the non-manganese cation in the manganese oxide is desorbed by ion exchange, the desorbed non-manganese present around the manganese oxide is present. Since a cation of the same type as the cation is present in the manganese oxide in place of the desorbed non-manganese cation, the non-manganese cation is substantially always present in the manganese oxide. As a result, the stability of the structure (amorphous structure) of the manganese oxide is improved, and the predetermined performance of the manganese oxide can be stably exhibited for a long period of time.

このように、非マンガンカチオンとしては、マンガン酸化物の使用環境中に存在するカチオンが好ましく、マンガン酸化物が使用される環境を考慮して適宜選択すればよい。非マンガンカチオンの好ましい具体例として、ナトリウムイオン(Na)を例示できる。本発明のマンガン酸化物の主な用途として、「鉄筋コンクリート構造物における鉄筋の電気防食」、「海水の如き塩素イオン含有水溶液の電解」が挙げられるところ、これらの用途でマンガン酸化物を使用した場合には通常、該マンガン酸化物の周辺にはナトリウムイオンが豊富に存在する。ナトリウムイオン以外には、例えば、K、Mg2+、Ca2+、Al3+、Fe2+、Cr2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Sn2+が挙げられ、本発明では非マンガンカチオンとして、これらの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。 As described above, as the non-manganese cation, a cation existing in the environment in which the manganese oxide is used is preferable, and it may be appropriately selected in consideration of the environment in which the manganese oxide is used. As a preferable specific example of the non-manganese cation, sodium ion (Na + ) can be exemplified. The main uses of the manganese oxide of the present invention include "electrolysis of reinforcing bars in reinforced concrete structures" and "electrolysis of chloride-containing aqueous solution such as seawater". When manganese oxide is used in these applications. Is usually rich in sodium ions around the manganese oxide. Other than sodium ions, for example, K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Al 3+ , Fe 2+ , Cr 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Sn 2+ are mentioned, and in the present invention, non-manganese cations are mentioned. As a result, one of these types can be used alone or in combination of two or more types.

本発明のマンガン酸化物は、層状マンガン酸化物を加熱することで得られる。加熱条件(層状マンガン酸化物の加熱温度、加熱時間)は、層状マンガン酸化物中に存在する水分子が除去され得る条件であればよく、特に制限されない。本発明のマンガン酸化物の製造方法の好ましい一例として、後述する本発明のマンガン酸化物の製造方法が挙げられる。 The manganese oxide of the present invention can be obtained by heating a layered manganese oxide. The heating conditions (heating temperature and heating time of the layered manganese oxide) are not particularly limited as long as the water molecules existing in the layered manganese oxide can be removed. A preferred example of the method for producing a manganese oxide of the present invention is the method for producing a manganese oxide of the present invention, which will be described later.

本発明には、導電性基材の表面に、前述の本発明のマンガン酸化物を含む層(以下、「無水MnO層」ともいう。)が固着した電極が包含される。無水MnO層は、典型的には、本発明のマンガン酸化物からなり、非晶質構造であり得る。 The present invention includes an electrode in which the above-mentioned layer containing the manganese oxide of the present invention (hereinafter, also referred to as “anhydrous MnO 2 layer”) is adhered to the surface of a conductive base material. The anhydrous MnO 2 layer is typically composed of the manganese oxide of the present invention and may have an amorphous structure.

導電性基材としては、導電性を有し且つマンガン酸化物を含む層が固着可能な物であればよく、導電性基材の形状及び材質は、電極の用途等に応じて適宜選択することができる。導電性基材の形状は、平板状、曲板状、棒状、ラス状等である。導電性基材の材質としては、例えば、チタン、ジルコニウム、タングステン等のバルブ金属;導電性ガラス(FTOガラス);炭素繊維、グラファイト、人造黒鉛等の炭素系電極を例示できる。 The conductive base material may be any as long as it has conductivity and a layer containing a manganese oxide can be fixed, and the shape and material of the conductive base material should be appropriately selected according to the use of the electrode and the like. Can be done. The shape of the conductive base material is a flat plate shape, a curved plate shape, a rod shape, a lath shape, or the like. Examples of the material of the conductive base material include valve metals such as titanium, zirconium, and tungsten; conductive glass (FTO glass); and carbon-based electrodes such as carbon fiber, graphite, and artificial graphite.

本発明の電極において、無水MnO層は導電性基材の表面の全体又は一部に固着している。無水MnO層の固着パターン及び坪量(単位面積当たりの質量)は特に制限されず、電極の用途等に応じて適宜設定し得る。例えば電気防食用電極として使用する場合、無水MnO層の坪量は、好ましくは0.1〜1000mg/cm、より好ましくは0.1〜10mg/cmである。 In the electrode of the present invention, the anhydrous MnO 2 layer is fixed to the whole or a part of the surface of the conductive base material. The fixation pattern and basis weight (mass per unit area) of the anhydrous MnO 2 layer are not particularly limited and can be appropriately set according to the application of the electrode and the like. For example, when used as a sacrificial electrode, the basis weight of anhydrous MnO 2 layer is preferably 0.1 to 1000 mg / cm 2, more preferably at 0.1 to 10 mg / cm 2.

本発明の電極は、種々の用途に適用することができ、具体的な用途として、電気防食用電極(電気防食システムの陽極)、塩素イオン含有水溶液の電解用電極(水素生成を目的とした電解システムの陽極)を例示できる。本発明の電極は、電気防食システムや電解システムにおいて酸素発生型電極として機能し、塩素を発生させないので、塩素発生が原因で従来の塩素発生型電極を使用できなかった環境でも使用することができ、環境にやさしい電気防食システム、電解システムを提供し得る。 The electrode of the present invention can be applied to various uses, and specific uses include an electrode for electrocorrosion protection (anode of an electrocorrosion protection system) and an electrode for electrolysis of a chlorine ion-containing aqueous solution (electrolysis for the purpose of hydrogen generation). The anode of the system) can be exemplified. Since the electrode of the present invention functions as an oxygen generating electrode in an electrocorrosion protection system or an electrolytic system and does not generate chlorine, it can be used even in an environment where a conventional chlorine generating electrode cannot be used due to chlorine generation. , Environmentally friendly electro-corrosion system, electrolysis system can be provided.

本発明の電極は、例えば、外部電源方式の電気防食における電気防食用電極として好適である。外部電源方式は、コンクリート構造物の表面などに電気防食用電極を設置し、コンクリート構造物中の鋼材(鉄筋など)を陰極として、直流電源装置を用いて該電気防食用電極から該陰極に直流電流を供給することにより、該陰極の電位を卑方向に変化させて該鋼材(陰極)を防食する方式である。 The electrode of the present invention is suitable as, for example, an electrode for electrocorrosion protection in an external power supply type electrocorrosion protection. In the external power supply system, an electrolytic anticorrosion electrode is installed on the surface of a concrete structure, and a steel material (reinforcing bar, etc.) in the concrete structure is used as a cathode, and a DC power supply device is used to direct current from the electrocorrosion electrode to the cathode. By supplying a current, the potential of the cathode is changed in the base direction to prevent corrosion of the steel material (cathode).

次に、本発明のマンガン酸化物の製造方法について説明する。本発明のマンガン酸化物の製造方法は、非マンガンカチオンの存在下で2価のマンガン化合物を電気化学的に酸化するか、又は非マンガンカチオンの存在下で過マンガン酸イオンを電気化学的に還元し、マンガン酸化物を得る第1の工程と、該マンガン酸化物を300℃以上で加熱する第2の工程とを有する。
なお、本発明のマンガン酸化物の製造方法について特に説明しない点は、前述した本発明のマンガン酸化物及び電極についての説明が適宜適用される。
Next, the method for producing a manganese oxide of the present invention will be described. In the method for producing a manganese oxide of the present invention, a divalent manganese compound is electrochemically oxidized in the presence of a non-manganese cation, or a permanganate ion is electrochemically reduced in the presence of a non-manganese cation. It has a first step of obtaining the manganese oxide and a second step of heating the manganese oxide at 300 ° C. or higher.
It should be noted that the above-mentioned description of the manganese oxide and the electrode of the present invention is appropriately applied to the point that the method for producing the manganese oxide of the present invention is not particularly described.

第1の工程は、典型的には、2価のマンガンイオン又は過マンガン酸イオンと非マンガンカチオンとを含む電解液中に導電性基材を浸漬し、該導電性基材へ通電することにより、該導電性基材の表面にマンガン酸化物を含む析出層(δ−MnO層)を形成する電析工程である。導電性基材(析出層が形成される基材)については前述したとおりである。対極は特に限定されず、例えば、鉄、銅、ニッケル、白金等からなる電極を用いることができる。電解液が収容される電解槽は、バッチ式でも流通式でもよいが、連続運転が可能であり、しかも電解酸化・還元反応中、液濃度を一定に保つ観点から、循環式電解槽が好ましい。 The first step is typically by immersing the conductive substrate in an electrolytic solution containing divalent manganese ions or permanganate ions and a non-manganese cation, and energizing the conductive substrate. This is an electrolysis step of forming a precipitation layer (δ-MnO 2 layer) containing a manganese oxide on the surface of the conductive substrate. The conductive base material (the base material on which the precipitation layer is formed) is as described above. The counter electrode is not particularly limited, and for example, an electrode made of iron, copper, nickel, platinum or the like can be used. The electrolytic cell in which the electrolytic cell is housed may be a batch type or a circulation type, but a circulating electrolytic cell is preferable from the viewpoint of continuous operation and keeping the liquid concentration constant during the electrolytic oxidation / reduction reaction.

電解液は、典型的には、2価のマンガンイオン又は過マンガン酸イオンと、非マンガンカチオンと、水とを含む、弱酸性〜中性〜弱アルカリ性の水性液である。電解液の液温25℃におけるpHは、好ましくは3〜10、より好ましくは4〜7である。電解液は、2価のマンガンイオン又は過マンガン酸イオンの供給源と非マンガンカチオンの供給源とを水に溶解させることで調製できる。 The electrolytic solution is typically a weakly acidic to neutral to weakly alkaline aqueous solution containing divalent manganese ions or permanganate ions, non-manganese cations, and water. The pH of the electrolytic solution at a liquid temperature of 25 ° C. is preferably 3 to 10, more preferably 4 to 7. The electrolytic solution can be prepared by dissolving a source of divalent manganese ions or permanganate ions and a source of non-manganese cations in water.

2価のマンガンイオンの供給源となるマンガン化合物としては、水に可溶な2価のマンガン化合物であれば特に限定されず、例えば、硫酸マンガン、塩化マンガン、硝酸マンガン、炭酸マンガン等の無機酸の塩;シュウ酸マンガンアンモニウム、シュウ酸マンガンカリウム等の有機マンガン化合物等が挙げられる。これらの中でも電気分解による層状マンガン酸化物の析出のしやすさ、入手の容易性等の観点から、硫酸マンガン(MnSO)が好ましい。 The manganese compound that is a source of divalent manganese ions is not particularly limited as long as it is a divalent manganese compound that is soluble in water, and for example, inorganic acids such as manganese sulfate, manganese chloride, manganese nitrate, and manganese carbonate. Salts; Examples thereof include organic manganese compounds such as ammonium manganese oxalate and potassium manganese oxalate. Among these, manganese sulfate (MnSO 4 ) is preferable from the viewpoint of easy precipitation of layered manganese oxide by electrolysis, easy availability, and the like.

過マンガン酸イオンの供給源となるマンガン化合物としては、水に可溶な過マンガン酸化合物であれば特に限定されず、例えば、過マンガン酸塩を挙げることができ、該過マンガン酸塩としては、例えば、過マンガン酸のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等を挙げることができる。これらの中でも電気分解による層状マンガン酸化物の析出のしやすさ、入手の容易性等の観点から、ナトリウム塩又はカリウム塩が好ましい。 The manganese compound serving as a source of permanganate ions is not particularly limited as long as it is a water-soluble permanganate compound, and examples thereof include permanganate salts. For example, alkali metal salts of permanganate, alkaline earth metal salts and the like can be mentioned. Among these, sodium salt or potassium salt is preferable from the viewpoint of easy precipitation of layered manganese oxide by electrolysis, easy availability, and the like.

非マンガンカチオンとしてナトリウムイオンを用いる場合は、ナトリウムイオンの供給源となるナトリウム化合物であれば特に限定されず、例えば、塩化ナトリウム、硝酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、過塩素酸ナトリウム等を用いることができる。 When sodium ion is used as the non-manganese cation, it is not particularly limited as long as it is a sodium compound that is a source of sodium ion, and for example, sodium chloride, sodium nitrate, sodium sulfate, sodium perchlorate and the like can be used.

電解液における2価のマンガンイオンの濃度は、マンガン酸化物の用途等に応じて適宜設定すればよく特に制限されないが、好ましくは0.1〜1000mM、より好ましくは1〜500mMである。電解液における過マンガン酸イオンの濃度は、2価のマンガンイオンの濃度と同程度に設定することができる。斯かるイオン濃度が低すぎると、電解液の電気抵抗が増大し、他の成分、例えば水の電解を生ずるなど、好ましくない現象が発生するおそれがあり、逆に高すぎると、導電性基材の表面でのマンガン酸化物の析出が均一性を欠くおそれがある。同様の観点から、電解液におけるナトリウムイオン等の非マンガンカチオンの濃度は、好ましくは1〜1000mM、より好ましくは1〜100mMである。 The concentration of divalent manganese ions in the electrolytic solution may be appropriately set depending on the use of the manganese oxide and the like, and is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 1000 mM, more preferably 1 to 500 mM. The concentration of permanganate ion in the electrolytic solution can be set to be about the same as the concentration of divalent manganese ion. If the ion concentration is too low, the electrical resistance of the electrolytic solution increases, which may cause an unfavorable phenomenon such as electrolysis of other components such as water. On the contrary, if the ion concentration is too high, the conductive substrate may occur. There is a risk that the precipitation of manganese oxide on the surface of the surface will lack uniformity. From the same viewpoint, the concentration of non-manganese cations such as sodium ion in the electrolytic solution is preferably 1 to 1000 mM, more preferably 1 to 100 mM.

電解液の液温は90℃近い高温、例えば60〜80℃程度に設定することもできるが、より低い温度、例えば室温程度に設定することもできる。前述したように、特許文献1〜3に記載の如き従来の電析法は、電解液が強酸性且つ90℃以上の高温であることを要するため、作業の安全性、設備の保全性等の点で問題があったが、本発明に係る電析工程では、電解液は中性であり且つその液温は室温程度でよいため、安全且つ効率的に層状マンガン酸化物を製造することができる。電解液の液温は、好ましくは20〜40℃、より好ましくは25〜40℃である。電解液の液温が高すぎると、析出速度が大きくなる反面、析出するマンガン酸化物の析出面が粗化する傾向があり、作業の安全性の点だけでなく、層状マンガン酸化物の品質の点でも好ましくない。 The temperature of the electrolytic solution can be set to a high temperature close to 90 ° C., for example, about 60 to 80 ° C., but can also be set to a lower temperature, for example, about room temperature. As described above, the conventional electrolysis method as described in Patent Documents 1 to 3 requires that the electrolytic solution is strongly acidic and has a high temperature of 90 ° C. or higher. However, in the electrodeposition step according to the present invention, the electrolytic solution is neutral and the temperature of the electrolytic solution may be about room temperature, so that the layered manganese oxide can be produced safely and efficiently. .. The temperature of the electrolytic solution is preferably 20 to 40 ° C, more preferably 25 to 40 ° C. If the temperature of the electrolytic solution is too high, the precipitation rate will increase, but the precipitation surface of the precipitated manganese oxide will tend to become rough, which is not only in terms of work safety, but also in terms of the quality of the layered manganese oxide. It is also not preferable in terms of points.

電析工程(第1の工程)において、電解時の電圧は、均一なマンガン酸化物の析出を得る観点から、銀/塩化銀参照電極に対して、好ましくは0.8〜1.2ボルト、より好ましくは0.8〜1.05ボルトの電圧を保つよう定電圧制御を行うことが好ましい。 In the electrodeposition step (first step), the voltage during electrolysis is preferably 0.8 to 1.2 volts with respect to the silver / silver chloride reference electrode from the viewpoint of obtaining uniform manganese oxide precipitation. More preferably, constant voltage control is performed so as to maintain a voltage of 0.8 to 1.05 volts.

電析工程(第1の工程)における電解時間(通電時間)に関し、一般に、導電性基材に析出するマンガン酸化物の層数は電解時間に比例するので、電解時間を長くとることで該層数を多くすることが可能であるが、電解時間が長すぎると、析出するマンガン酸化物の厚みが大きくなりすぎてしまい、しかも層状構造が乱れる傾向がある。これらの点を考慮すると、電析工程における電解時間は、好ましくは10〜300分、より好ましくは20〜120分である。 Regarding the electrolysis time (energization time) in the electrodeposition step (first step), in general, the number of layers of manganese oxide precipitated on the conductive substrate is proportional to the electrolysis time. Although it is possible to increase the number, if the electrolysis time is too long, the thickness of the precipitated manganese oxide becomes too large, and the layered structure tends to be disturbed. Considering these points, the electrolysis time in the electrodeposition step is preferably 10 to 300 minutes, more preferably 20 to 120 minutes.

本発明のマンガン酸化物の製造方法においては、第1の工程(電析工程)の後、第2の工程の前に、第1の工程で得られた層状マンガン酸化物(導電性基材の表面に析出したマンガン酸化物を含む析出層)を乾燥してもよい。斯かる乾燥処理は、主として、マンガン酸化物の表面に付着した電解液を蒸発させることを目的とするものであり、その目的が達成される範囲でマンガン酸化物を乾燥すればよい。乾燥方法は特に限定されず、真空乾燥、熱風乾燥、空気乾燥等の公知の乾燥方法を採用できる。 In the method for producing a manganese oxide of the present invention, after the first step (electrodeposition step) and before the second step, the layered manganese oxide (conductive substrate) obtained in the first step is used. The precipitation layer containing the manganese oxide precipitated on the surface) may be dried. The purpose of such a drying treatment is mainly to evaporate the electrolytic solution adhering to the surface of the manganese oxide, and the manganese oxide may be dried within the range in which the purpose is achieved. The drying method is not particularly limited, and known drying methods such as vacuum drying, hot air drying, and air drying can be adopted.

第2の工程では、第1の工程で得られた層状マンガン酸化物を300℃以上で加熱する。すなわち層状マンガン酸化物の温度が300℃以上となる条件で該層状マンガン酸化物を加熱する。第1の工程が前述の電析工程である場合、導電性基材の表面に析出した層状マンガン酸化物を含む析出層を、該導電性基材ごと加熱する。斯かる加熱処理により、マンガン酸化物が有する層状構造における層間に存在する水分子が除去され、製造目的物である本発明のマンガン酸化物が得られる。こうして得られたマンガン酸化物は、前述したとおり、水分子を有さず且つ非マンガンカチオンを有し、更に典型的には、非晶質構造を有する。 In the second step, the layered manganese oxide obtained in the first step is heated at 300 ° C. or higher. That is, the layered manganese oxide is heated under the condition that the temperature of the layered manganese oxide is 300 ° C. or higher. When the first step is the above-mentioned electrodeposition step, the precipitated layer containing the layered manganese oxide precipitated on the surface of the conductive substrate is heated together with the conductive substrate. By such heat treatment, water molecules existing between layers in the layered structure of the manganese oxide are removed, and the manganese oxide of the present invention, which is a production target, is obtained. As described above, the manganese oxide thus obtained has no water molecule, has a non-manganese cation, and more typically has an amorphous structure.

第2の工程におけるマンガン酸化物の加熱温度は、好ましくは300〜600℃、より好ましくは300〜400℃である。また、加熱時間(マンガン酸化物の温度300℃以上が維持される時間)は、好ましくは1〜5時間、より好ましくは1〜2時間である。マンガン酸化物の加熱温度が高すぎる、あるいは加熱時間が長すぎると、マンガン酸化物と導電性基材との密着性が低下するおそれがある。マンガン酸化物の加熱処理は、電気炉等の公知の加熱手段を用いて常法に従って行うことができる。 The heating temperature of the manganese oxide in the second step is preferably 300 to 600 ° C, more preferably 300 to 400 ° C. The heating time (time for maintaining the temperature of the manganese oxide at 300 ° C. or higher) is preferably 1 to 5 hours, more preferably 1 to 2 hours. If the heating temperature of the manganese oxide is too high or the heating time is too long, the adhesion between the manganese oxide and the conductive base material may decrease. The heat treatment of the manganese oxide can be carried out according to a conventional method using a known heating means such as an electric furnace.

〔製造例〕
塩化ナトリウム(NaCl)50mMと硫酸マンガン(MnSO)2mMとを溶解した水溶液50mLをビーカー型電解セルに入れて電解液とした。電解液は窒素ガスをバブリングすることによって窒素雰囲気とした。電解液は液温が25℃、pHが6であった。平面視長方形形状のFTOガラス電極(長手方向長さ40mm、幅方向長さ10mm、厚み2mm)と、該ガラスと同形状同寸法の白金めっきチタン対極と飽和KCl銀−塩化銀照合電極(SSE)とを電解液中に浸漬した。これらの電極は、電解液中に浸漬する前に脱脂処理した。電解液中に電極を浸漬した状態で10分間静置した後、ガラス電極に+1.0V(SSEに対する電位)の電位を印加し、該ガラス電極の表面にマンガン酸化物を含む析出層が形成された析出層付き電極を得た(第1の工程:電析工程)。電位の印加は、積算電気量が200mC/cmに達するまで行った。次に、こうして得られた複数の析出層付き電極をデシケータ内で30分以上真空乾燥させた後、その複数のうちの一部を、炉内温度が所定温度(100℃、200℃、300℃、400℃又は500℃)に設定された電気炉に該ガラス電極を入れ、2時間加熱処理した(第2の工程)。こうして、加熱処理無しの析出層付き電極と、所定温度で加熱処理が施された5種類の析出層付き電極とを製造した。
[Manufacturing example]
50 mL of an aqueous solution prepared by dissolving 50 mM of sodium chloride (NaCl) and 2 mM of manganese sulfate (MnSO 4 ) was placed in a beaker type electrolytic cell to prepare an electrolytic solution. The electrolytic solution was made into a nitrogen atmosphere by bubbling nitrogen gas. The electrolytic solution had a liquid temperature of 25 ° C. and a pH of 6. A rectangular FTO glass electrode (length 40 mm in the longitudinal direction, length 10 mm in the width direction, thickness 2 mm), a platinum-plated titanium counter electrode having the same shape and dimensions as the glass, and a saturated KCl silver-silver chloride matching electrode (SSE). And was immersed in the electrolytic solution. These electrodes were degreased before being immersed in the electrolyte. After allowing the electrode to stand in the electrolytic solution for 10 minutes, a potential of +1.0 V (potential with respect to SSE) is applied to the glass electrode to form a precipitation layer containing manganese oxide on the surface of the glass electrode. An electrode with a precipitated layer was obtained (first step: electrodeposition step). The potential was applied until the integrated electric energy reached 200 mC / cm 2. Next, after vacuum-drying the plurality of electrodes with a precipitation layer thus obtained in a desiccator for 30 minutes or more, the temperature in the furnace of some of the plurality of electrodes is set to a predetermined temperature (100 ° C., 200 ° C., 300 ° C.). , 400 ° C. or 500 ° C.), and the glass electrode was placed in an electric furnace and heat-treated for 2 hours (second step). In this way, an electrode with a precipitation layer without heat treatment and five types of electrodes with a precipitation layer that were heat-treated at a predetermined temperature were manufactured.

前記〔製造例〕で製造した6種類の析出層付き電極における該析出層(マンガン酸化物)について、X線回折(XRD)及びX線光電子分光法(XPS)による解析を行うとともに、該析出層を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。図1は析出層のXRDパターン、図2は析出層のXPSによるNa 1sスペクトル、図3は析出層のXPSによるO 1sスペクトル、図4は析出層の表面のSEM画像である。図1〜図4において、(a)は加熱処理無し、(b)は加熱温度100℃、(c)は加熱温度200℃、(d)は加熱温度300℃、(e)は加熱温度400℃、(f)は加熱温度500℃のものである。 The precipitation layer (manganese oxide) in the six types of electrodes with a precipitation layer produced in the above [Production Example] is analyzed by X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the precipitation layer is analyzed. Was observed with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 1 is an XRD pattern of the precipitation layer, FIG. 2 is an Na 1s spectrum by XPS of the precipitation layer, FIG. 3 is an O 1s spectrum by XPS of the precipitation layer, and FIG. 4 is an SEM image of the surface of the precipitation layer. In FIGS. 1 to 4, (a) is no heat treatment, (b) is a heating temperature of 100 ° C., (c) is a heating temperature of 200 ° C., (d) is a heating temperature of 300 ° C., and (e) is a heating temperature of 400 ° C. , (F) have a heating temperature of 500 ° C.

図1(a)を参照して、12.1°及び24.4°に、層状マンガン酸化物に特有な回折ピーク(等間隔なピーク)が観察される。Braggの式より、層間距離は0.73nmと計算された。また、図2(a)から、層状マンガン酸化物におけるマンガン酸化物の層(MnOシート)間にナトリウムイオンが存在することが確認され、図3(a)から、該層間に水分子が存在することが確認される。以上より、前記〔製造例〕における第1の工程(電析工程)によって、ナトリウムイオン(非マンガンカチオン)及び水分子を層間に取り込んだ層状マンガン酸化物が、析出層として導電性基材(FTOガラス電極)の表面に形成されたことが明白である。また、層間距離の特徴から、析出層をなす層状マンガン酸化物は、バーネサイト型層状マンガン酸化物であると推定される。 With reference to FIG. 1 (a), diffraction peaks (equally spaced peaks) peculiar to the layered manganese oxide are observed at 12.1 ° and 24.4 °. From Bragg's equation, the interlayer distance was calculated to be 0.73 nm. Further, from FIG. 2 (a), it was confirmed that sodium ions were present between the manganese oxide layers (MnO 2 sheet) in the layered manganese oxide, and from FIG. 3 (a), water molecules were present between the layers. It is confirmed that it will be done. From the above, the layered manganese oxide in which sodium ions (non-manganese cations) and water molecules are incorporated between layers by the first step (electrodeposition step) in the above [Production Example] is used as a precipitation layer on a conductive substrate (FTO). It is clear that it was formed on the surface of the glass electrode). Further, from the characteristics of the interlayer distance, it is presumed that the layered manganese oxide forming the precipitation layer is a burnesite type layered manganese oxide.

図1を参照して、析出層(バーネサイト型層状マンガン酸化物)を200℃で加熱処理すると、ピークが高角度側にシフトし、層間距離が加熱処理前の0.73nmから0.67nmに減少した(図1(c)参照)。これは層間の水分子が除去されたためと推察される。このピークは、300℃の加熱処理で著しく減少し(図1(d)参照)、400℃以上の加熱処理で完全に消失した(図1(e)及び図1(f)参照)。一方で、マンガン酸化物の他の結晶相による回折ピークが現れていないことから、少なくとも300℃以上の加熱処理によって、マンガン酸化物の層状構造が、非晶質構造に変化したと推察される。 When the precipitated layer (burnesite type layered manganese oxide) is heat-treated at 200 ° C. with reference to FIG. 1, the peak shifts to the high angle side and the interlayer distance decreases from 0.73 nm before the heat treatment to 0.67 nm. (See FIG. 1 (c)). It is presumed that this is because the water molecules between the layers have been removed. This peak was significantly reduced by heat treatment at 300 ° C. (see FIG. 1 (d)) and completely disappeared by heat treatment at 400 ° C. or higher (see FIGS. 1 (e) and 1 (f)). On the other hand, since the diffraction peak due to the other crystal phase of the manganese oxide does not appear, it is presumed that the layered structure of the manganese oxide was changed to the amorphous structure by the heat treatment at least 300 ° C. or higher.

図2を参照して、図2(a)〜図2(f)の全てにNa 1sのピークが観察されたことから、前記〔製造例〕における第2の工程(析出層の加熱処理)を経ても、マンガン酸化物にはナトリウムイオン(非マンガンカチオン)が存在することが確認される。 With reference to FIG. 2, since the peak of Na 1s was observed in all of FIGS. 2 (a) to 2 (f), the second step (heat treatment of the precipitated layer) in the above [Production Example] was performed. Even after that, it is confirmed that sodium ions (non-manganese cations) are present in the manganese oxide.

図3を参照して、加熱処理前(図3(a))及び100℃での加熱処理後(図3(b))には、水分子由来のピークが観察されたが、200℃以上での加熱処理後(図3(c)〜図3(f))には、水分子由来のピークが完全に消失したことから、少なくとも300℃以上の加熱処理によって、層状マンガン酸化物における層間から水分子が除去されたことが確認される。また、200℃以上での加熱処理において、水分子由来のピークの減少・消失と並行して、金属−水酸化物結合(M−OH)に由来するピークが新たに出現していることから、斯かる加熱処理によってMnOOHが形成されたことが示唆される。 With reference to FIG. 3, peaks derived from water molecules were observed before the heat treatment (FIG. 3 (a)) and after the heat treatment at 100 ° C. (FIG. 3 (b)), but at 200 ° C. or higher. After the heat treatment of (FIGS. 3 (c) to 3 (f)), the peaks derived from water molecules disappeared completely. It is confirmed that the molecule has been removed. In addition, in the heat treatment at 200 ° C. or higher, a new peak derived from the metal-hydroxide bond (M-OH) appears in parallel with the decrease / disappearance of the peak derived from water molecules. It is suggested that MnOOH was formed by such heat treatment.

図4を参照して、加熱処理前の析出層の表面状態(図4(a))は、加熱処理後も基本的に変化が見られない(図4(b)〜図4(f))ことから、少なくとも500℃までの加熱処理によっては、マンガン酸化物の非晶質構造は実質的に変化せず、維持されると考えられる。 With reference to FIG. 4, the surface state of the precipitated layer before the heat treatment (FIG. 4 (a)) is basically unchanged after the heat treatment (FIGS. 4 (b) to 4 (f)). Therefore, it is considered that the amorphous structure of the manganese oxide is substantially unchanged and maintained by the heat treatment up to at least 500 ° C.

前記〔製造例〕で製造した6種類の析出層付き電極について、アノード分極曲線の測定を行った。アノード分極曲線の測定は1mV/sの自動分極法にて実施した。また、300℃以上での加熱処理が施された析出層付き電極について、酸素発生効率を測定した。具体的には、ヨウ素滴定法による塩素発生量の定量を実施し、その定量値から電気量に占める塩素発生量を定量し、酸素発生効率を算出した。 The anodic polarization curve was measured for the six types of electrodes with a precipitation layer manufactured in the above [Production Example]. The anodic polarization curve was measured by an automatic polarization method of 1 mV / s. In addition, the oxygen evolution efficiency of the electrode with a precipitation layer that had been heat-treated at 300 ° C. or higher was measured. Specifically, the amount of chlorine generated was quantified by the iodine titration method, the amount of chlorine generated in the amount of electricity was quantified from the quantified value, and the oxygen generation efficiency was calculated.

図5には、6種類の析出層付き電極の塩化ナトリウム(NaCl)水溶液又は過塩素酸ナトリウム(NaClO)水溶液中でのアノード分極曲線が示されている。ここで使用した塩化ナトリウム水溶液における塩化ナトリウム濃度、過塩素酸ナトリウム水溶液における過塩素酸ナトリウム濃度は、それぞれ0.5Mであった。過塩素酸ナトリウム水溶液中では酸素発生電流のみが観測され、過塩素酸ナトリウム水溶液中では酸素発生電流及び塩素発生電流の双方が観測される。したがって、両電解液中のアノード分極曲線を比較することで、酸素発生型電極としての特性を定性的に評価できる。 FIG. 5 shows the anodic polarization curves of the six types of electrodes with a precipitation layer in an aqueous solution of sodium chloride (NaCl) or an aqueous solution of sodium perchlorate (NaClO 4). The sodium chloride concentration in the sodium chloride aqueous solution used here and the sodium perchlorate concentration in the sodium perchlorate aqueous solution were 0.5 M, respectively. Only the oxygen evolution current is observed in the sodium perchlorate aqueous solution, and both the oxygen evolution current and the chlorine generation current are observed in the sodium perchlorate aqueous solution. Therefore, by comparing the anodic polarization curves in both electrolytes, the characteristics as an oxygen-evolving electrode can be qualitatively evaluated.

加熱処理前では、酸素発生(2HO→O+4H+4e)及び塩素発生(2Cl→Cl+2e)に対して不活性であり、電流が全く流れなかった(図5(a))。これに対し、100℃又は200℃での加熱処理後は、Clイオン存在下での電流がわずかに増大した(図5(b)及び図5(c))。300℃以上の加熱処理後は、Clイオン存在下及び非存在下での電流の双方が著しく増大し、且つ両電解液中での電流の差異がほとんど見られなかった(図5(d)〜図5(f))。このことから、少なくとも300℃以上の加熱処理によって、酸素発生型電極として機能し得るマンガン酸化物が得られると解される。 Before the heat treatment, it was inactive against oxygen evolution (2H 2 O → O 2 + 4H + 4e ) and chlorine evolution (2Cl → Cl 2 + 2e ), and no current flowed (Fig. 5 (a)). .. On the other hand, after the heat treatment at 100 ° C. or 200 ° C., the current in the presence of Cl − ions increased slightly (FIGS. 5 (b) and 5 (c)). After 300 ° C. or more heat treatment, Cl - and both significantly increase the current in the ion presence and absence, and the difference in current in both electrolytic solution was hardly observed (Fig. 5 (d) ~ FIG. 5 (f)). From this, it is understood that a manganese oxide capable of functioning as an oxygen-evolving electrode can be obtained by heat treatment at least at 300 ° C. or higher.

下記表1には、300℃以上で加熱処理された析出層(無水MnO層)付き電極の塩素発生効率及び酸素発生効率が示されている。下記表1には、比較として、塩素発生型電極である金属酸化物被覆チタン(MMO)電極の塩素発生効率及び酸素発生効率も示されている。MMO電極の酸素発生効率は17%であるのに対し、300℃以上で加熱処理された析出層付き電極、すなわち本発明のマンガン酸化物を用いた電極の酸素発生効率は80%以上であり、MMO電極とは全く逆の特性を有することが確認された。このことから、本発明のマンガン酸化物を用いた電極は、酸素発生型電極として機能することが明白である。 Table 1 below shows the chlorine generation efficiency and oxygen generation efficiency of the electrode with a precipitation layer (anhydrous MnO 2 layer) heat-treated at 300 ° C. or higher. Table 1 below also shows the chlorine generation efficiency and oxygen generation efficiency of the metal oxide-coated titanium (MMO) electrode, which is a chlorine generation type electrode, for comparison. The oxygen evolution efficiency of the MMO electrode is 17%, whereas the oxygen evolution efficiency of the electrode with a precipitation layer heat-treated at 300 ° C. or higher, that is, the electrode using the manganese oxide of the present invention is 80% or higher. It was confirmed that the properties were completely opposite to those of the MMO electrode. From this, it is clear that the electrode using the manganese oxide of the present invention functions as an oxygen-evolving electrode.

Figure 2021107307
Figure 2021107307

Claims (9)

マンガン酸化物の層が複数積層され、該マンガン酸化物の層どうしの間に、マンガンイオン以外のカチオン及び水分子が存在する層状マンガン酸化物を加熱してなり、該水分子が除去された、マンガン酸化物。 A plurality of layers of manganese oxide were laminated, and layered manganese oxide in which cations other than manganese ions and water molecules were present between the layers of manganese oxide was heated to remove the water molecules. Manganese oxide. 前記層状マンガン酸化物が、マンガンイオン以外のカチオンの存在下で2価のマンガン化合物を電気化学的に酸化して得られたものであるか、又はマンガンイオン以外のカチオンの存在下で過マンガン酸イオンを電気化学的に還元して得られたものである、請求項1に記載のマンガン酸化物。 The layered manganese oxide is obtained by electrochemically oxidizing a divalent manganese compound in the presence of a cation other than manganese ion, or permanganic acid in the presence of a cation other than manganese ion. The manganese oxide according to claim 1, which is obtained by electrochemically reducing ions. 前記カチオンが、前記マンガン酸化物の使用環境中に存在するカチオンである、請求項1又は2に記載のマンガン酸化物。 The manganese oxide according to claim 1 or 2, wherein the cation is a cation present in the environment in which the manganese oxide is used. 前記カチオンがナトリウムイオンである、請求項1〜3の何れか1項に記載のマンガン酸化物。 The manganese oxide according to any one of claims 1 to 3, wherein the cation is a sodium ion. 導電性基材の表面に、請求項1〜4の何れか1項に記載のマンガン酸化物を含む層が固着した電極。 An electrode in which a layer containing the manganese oxide according to any one of claims 1 to 4 is adhered to the surface of a conductive base material. 電気防食用である請求項5に記載の電極。 The electrode according to claim 5, which is for anticorrosion. マンガンイオン以外のカチオンの存在下で2価のマンガン化合物を電気化学的に酸化するか、又はマンガンイオン以外のカチオンの存在下で過マンガン酸イオンを電気化学的に還元し、層状マンガン酸化物を得る第1の工程と、
前記層状マンガン酸化物を300℃以上で加熱する第2の工程とを有する、マンガン酸化物の製造方法。
A divalent manganese compound is electrochemically oxidized in the presence of a cation other than manganese ion, or a permanganate ion is electrochemically reduced in the presence of a cation other than manganese ion to obtain a layered manganese oxide. The first step to obtain and
A method for producing a manganese oxide, which comprises a second step of heating the layered manganese oxide at 300 ° C. or higher.
前記第1の工程が、2価のマンガンイオン又は過マンガン酸イオンと前記カチオンとを含む電解液中に導電性基材を浸漬し、該導電性基材へ通電することにより、該導電性基材の表面に前記層状マンガン酸化物を含む析出層を形成する電析工程である、請求項7に記載のマンガン酸化物の製造方法。 In the first step, the conductive base material is immersed in an electrolytic solution containing divalent manganese ion or permanganate ion and the cation, and the conductive base material is energized to carry the conductive base material. The method for producing manganese oxide according to claim 7, which is an electrolysis step of forming a precipitation layer containing the layered manganese oxide on the surface of the material. 前記カチオンがナトリウムイオンである、請求項7又は8に記載のマンガン酸化物の製造方法。
The method for producing a manganese oxide according to claim 7 or 8, wherein the cation is a sodium ion.
JP2019239403A 2019-12-27 2019-12-27 Electrode for cathodic protection, manganese oxide and its manufacturing method Active JP7479027B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019239403A JP7479027B2 (en) 2019-12-27 2019-12-27 Electrode for cathodic protection, manganese oxide and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019239403A JP7479027B2 (en) 2019-12-27 2019-12-27 Electrode for cathodic protection, manganese oxide and its manufacturing method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021107307A true JP2021107307A (en) 2021-07-29
JP7479027B2 JP7479027B2 (en) 2024-05-08

Family

ID=76967648

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019239403A Active JP7479027B2 (en) 2019-12-27 2019-12-27 Electrode for cathodic protection, manganese oxide and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7479027B2 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011207725A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Yamaguchi Univ Method for producing manganese oxide
JP2016162805A (en) * 2015-02-27 2016-09-05 国立大学法人山口大学 Carbon fiber aggregate with layered manganese oxide carried thereon and production method thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011207725A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Yamaguchi Univ Method for producing manganese oxide
JP2016162805A (en) * 2015-02-27 2016-09-05 国立大学法人山口大学 Carbon fiber aggregate with layered manganese oxide carried thereon and production method thereof

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MELDER, J. ET AL.: "Carbon fibre paper coated by a layered manganese oxide: a nano-structured ectrocatalyst for water-ox", JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A, vol. 7, JPN7023003043, 15 October 2019 (2019-10-15), pages 25333 - 25346, ISSN: 0005128377 *
NAM, K.W. ET AL.: "Critical Role of Crystal Water for a Layered Cathode Material in Sodium Ion Batteries", CHEMISTRY OF MATERIALS, vol. 27, JPN7023003042, 2015, pages 3721 - 3725, ISSN: 0005128376 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP7479027B2 (en) 2024-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2437457C (en) Electrode coating and its use in the production of chlorate
Lim et al. Influence of the Sb content in Ti/SnO2-Sb electrodes on the electrocatalytic behaviour for the degradation of organic matter
CN103797160B (en) Analyse chlorine anode
US4072586A (en) Manganese dioxide electrodes
JP6382915B2 (en) Method and apparatus for generating hydrogen using reverse electrodialysis
US4316782A (en) Electrolytic process for the production of ozone
AU2002248306A1 (en) Electrode coating and its use in the production of chlorate
EP2287364B1 (en) Method for electrolytic winning of zinc
Ji et al. Multilayered TNAs/SnO2/PPy/β-PbO2 anode achieving boosted electrocatalytic oxidation of As (III)
US4230544A (en) Method and apparatus for controlling anode pH in membrane chlor-alkali cells
KR20110106303A (en) Electrode suitable as hydrogen-evolving cathode
KR890003164B1 (en) Durable electrode for electrolysis and process for production thereof
RU2660362C1 (en) Cathode for electrolysis and the method of its manufacture and electrolytic cell for electrolysis
JP5006456B2 (en) Electrode substrate, cathode for aqueous solution electrolysis using the same, and method for producing the same
JP5105406B2 (en) Electrode for reverse electrolysis
JP4284387B2 (en) Electrode for electrolysis and method for producing the same
JPS6330996B2 (en)
Ahmed et al. Synthesis of Mn-Co-Ni Composite Electrode by Anodic and Cathodic Electrodeposition for Indirect Electro-oxidation of Phenol: Optimization of the Removal by Response Surface Methodology
JP7479027B2 (en) Electrode for cathodic protection, manganese oxide and its manufacturing method
US7803260B2 (en) Oxygen evolution electrode
JP2010209420A (en) Method of manufacturing cathode with low hydrogen overvoltage
JP3724096B2 (en) Oxygen generating electrode and manufacturing method thereof
JPS63247385A (en) Production of metallic hydroxide
JP5309813B2 (en) Oxygen generating electrode
Pavlović et al. Formation of bromates at a RuO2TiO2 titanium anode

Legal Events

Date Code Title Description
RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7426

Effective date: 20200124

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20200124

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20221031

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230720

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230815

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20231011

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231212

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240326

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240415

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7479027

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150