JP2021110007A - 水素化電極触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
R1−C≡C−R2 (1)
[式(1)中、R1及びR2はそれぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基、ニトロ基又はハロゲン原子を示す。アルキル基およびアリール基は、官能基を有してもよい。]
基質としてのアルキンは、1種類が単独で用いられてもよいし、複数種類が組み合わせて用いられてもよい。
<アノード130での電極反応>
H2O→2H++1/2O2+2e−:E0=1.23V
<カソード120での電極反応>
ジフェニルアセチレン+2H++2e−→1,2−ジフェニルエテン:E0=+0.05V
<全反応>
ジフェニルアセチレン+H2O→1,2−ジフェニルエテン+1/2O2
実施の形態に係るカソード触媒を用いるシス−アルケンの製造方法では、固体高分子形電解ユニット100を用いてアルキンを電解還元し、シス−アルケンを製造することを含む。より具体的には、アノード130のアノード触媒層132に水が供給される。また、カソード120のカソード触媒層122にアルキンが供給される。そして、電力制御部20によって、固体高分子形電解ユニット100のアノード130とカソード120との間に所定の電圧が印加される。
<アノードの作製>
以下の手順によりアノードを作製した。まず、アノードの基材として、所定の網目形状を有するエキスパンドメッシュを用意した。この基材の表面に乾式ブラスト処理を施し、続いて20%硫酸水溶液中で洗浄処理を施した。その後、Ti−Ta合金ターゲットを用いたアークイオンプレーティング装置に基材をセットした。そして、基材温度150℃、真空度1.0×10−2Torrで、基材の表面にTi−Ta合金の皮膜を形成した。膜厚は2μmとした。その後、コーティング処理を施した基材に対して、四塩化イリジウム/五酸化タンタルの混合水溶液を塗布し、電気炉にて550℃の熱処理を施した。この操作を複数回繰り返して、酸化イリジウムと酸化タンタルを等モル含むアノードを得た。アノードの触媒量は、Ir金属量換算で電極面積当たり12g/m2とした。
Ptで0.03g分のPt(NH3)2(NO2)2およびPdで1.47g分のPd(NO3)2を純水300mlに溶解させ、この水溶液に3.5gのカーボン担体(KetjenBlackEC300J、KB、比表面積800m2/g、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製)を超音波分散させた後、ホットスタラーで水分を蒸発させて乾固物を得た。次に、この乾固物を窒素ガス雰囲気下、400℃で1時間熱還元してPt1Pd99/KBを得た。ここで、Pt1Pd99/KBとは、モル比でPt/Pd=1/99の意味である。以下も同じとする。
作製したPt1Pd99/KBのX線回折パターンをリガク社製のSmartLabを用いて取得し、(220)面の回折ピークにシェラー式を適用して算出したPtPd粒径は4.2nmであった。さらに、このPt1Pd99/KBの金属担持率を高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES、SPS3500DD、日立ハイテクサイエンス社製)で調べた結果、Ptの担持率は0.6wt.%、Pdの担持率は28.8wt.%であった。
以下の手順によりカソードを作製した。先に調製したカソード触媒にナフィオン(登録商標)分散液DE2020(デュポン社製)を添加し、イソプロパノール溶媒を用いてカソード触媒層用の触媒インクを調製した。ナフィオン(登録商標)分散液の添加量は、乾燥後のナフィオン(登録商標)と触媒中のカーボンとの質量比が0.8:1となる量とした。カソード基材として、カーボンからなる多孔質導電材であるクロス、ペーパー等の繊維焼結体等を用いることができる。多孔性導電基材はガスおよび液の供給や除去のため、適度の多孔性を有しかつ十分な電導性を保つことが好ましい。特に、厚さ0.01〜5mm、空隙率が30〜95%、代表的孔径が0.001〜1mmであるものが好ましい。拡散層の主表面上に、触媒インクを塗布し、乾燥によってカソード触媒粒子を拡散層に固着させた。触媒インクは、カソード電極面積が10cm2、触媒金属の質量が電極面積あたり0.5mg/cm2となるように塗布した。
厚さ183μmの固体高分子膜(製品名:ナフィオン(登録商標)212、デュポン社製)を用意した。そして、カソードの触媒層が塗布された面と電解質膜が接するように重ね合わせ、120℃、0.25MPaの条件で3分間熱接合した。これにより、拡散層、カソード触媒層、固体高分子膜、及び拡散層からなる膜電極接合体(MEA)を得た。
MEAのカソード側にシクロヘキサンを、アノード側に1M H2SO4水溶液を、それぞれ流速10mL/分で2時間流通させ、MEAに前処理を施した。セル温度、液温共に60℃とした。前処理の後、MEAのカソード側に、基質としてジフェニルアセチレンと溶媒としてシクロヘキサンとを混合したカソード溶液を流通させた。カソード溶液の基質濃度は、1mol/Lとした。カソード溶液は、ポンプを用いて流速1mL/分で流通させた。また、アノード側には、引き続き加湿水素を流速10mL/分で流通させた。そして、所定の電圧(Pt/KB、Pd/KBおよびPtPd/KBは−0.05V、Ir/KBおよびIrPd/KBは0V)をMEAに印加し、5分間の定電位電解を実施した。
実施例2として実施例1と同様の方法でカソード触媒層にPt5Pd95/KB触媒を用いた場合の電流値、選択率、シスーアルケン生成電流値を表1に示す。表1の実施例2は、比較例1のPd/KB触媒、比較例2のPt/KB触媒と比較して、シス−アルケン生成電流値が大幅に向上していることが確認された。
実施例3として実施例1と同様の方法でカソード触媒層にPt10Pd90/KB触媒を用いた場合の電流値、選択率、シスーアルケン生成電流値を表1に示す。表1の実施例3は、比較例1のPd/KB触媒、比較例2のPt/KB触媒と比較して、シス−アルケン生成電流値が向上していることが確認された。
実施例4として実施例1と同様の方法でカソード触媒層にPt20Pd80/KB触媒を用いた場合の電流値、選択率、シスーアルケン生成電流値を表1に示す。表1の実施例4は、比較例1のPd/KB触媒、比較例2のPt/KB触媒と比較して、シス−アルケン生成電流値が向上していることが確認された。
実施例5として実施例1と同様の方法でカソード触媒層にIr50Pd50/KB触媒を用いた場合の電流値、選択率、シスーアルケン生成電流値を表1に示す。表1の実施例5は、比較例1のPd/KB触媒、比較例3のIr/KB触媒と比較して、シス−アルケン生成電流値が大幅に向上していることが確認された。
実施例6として実施例1と同様の方法でカソード触媒層にIr80Pd20/KB触媒を用いた場合の電流値、選択率、シスーアルケン生成電流値を表1に示す。表1の実施例6は、比較例1のPd/KB触媒、比較例3のIr/KB触媒と比較して、シス−アルケン生成電流値が大幅に向上していることが確認された。
実施例7として実施例1と同様の方法でカソード触媒層にIr1Pd99/KB触媒を用いた場合の電流値、選択率、シスーアルケン生成電流値を表1に示す。表1の実施例8は、比較例1のPd/KB触媒、比較例3のIr/KB触媒と比較して、シス−アルケン生成電流値が向上していることが確認された。
比較例1として実施例1と同様の方法でカソード触媒層にPd/KB触媒を用いた場合の電流値、選択率、シスーアルケン生成電流値を表1に示す。
比較例2として実施例1と同様の方法でカソード触媒層にIr/KB触媒を用いた場合の電流値、選択率、シスーアルケン生成電流値を表1に示す。
34 供給部
60 制御部
100 固体高分子形電解ユニット
110 固体高分子膜
120 カソード
122 カソード触媒層
130 アノード
132 アノード触媒層
Claims (1)
- アルキンを電解還元によって水素化してシス−アルケンを製造する装置で使用するための担体に担持させたカソード触媒であって、20〜99モル%のPdと、1〜80モル%のPt、Ir、Rh、Ru、Ni、Co、Feから選ばれる金属の少なくとも1つとからなる合金を含む、カソード触媒。
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