JP2022009583A - Oxygen excess type metal oxide, manufacturing method and recycling method therefor, oxygen condensation device and oxygen adsorption and desorption device - Google Patents

Oxygen excess type metal oxide, manufacturing method and recycling method therefor, oxygen condensation device and oxygen adsorption and desorption device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel oxygen excess type metal oxide excellent in oxygen adsorption and desorption speed and a manufacturing method therefor, and a method for recycling oxygen adsorption and desorption performance of the oxygen excess type metal oxide or the like.
SOLUTION: There is provided oxygen excess type metal oxide having stoichiometry represented by the following general formula (1) and total of desorption amount of carbon dioxide at from room temperature to 1000°C by a temperature rising desorption method at temperature rising rate of 40°C/min of less than 450 μmol/g. AjDkEmGnO7+δ (1), where A is one or more kind selected from a group consisting of trivalent rare earth element and Ca, D is one or more kind selected from an alkali earth metal element, E and G are each independently one or more kind selected from oxygen tetrahedrally coordinated element and at least one of them is a transition metal element, j>0, k>0 and each independently m≥0, n≥0 and j+k+m+n=6, 0<δ≤1.5.
SELECTED DRAWING: Figure 1
COPYRIGHT: (C)2022,JPO&INPIT

Description

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

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

このような金属酸化物として、YBaCo4 7+δ等の一般式A7+δで表される酸素過剰型金属酸化物が、500℃以下の低温域、特に200~400℃で多量の酸素を急速に吸収し、温度が上がると酸素を放出するという、顕著な熱重量変化特性を備え、これが高性能酸素貯蔵用又は酸素選択膜用のセラミックスとして適した性能を有することが報告されている(特許文献1参照。)。また、この酸素過剰型金属酸化物は、酸素の吸脱着時に相変化を生じさせていることが報告されている(非特許文献1参照。)。 As such a metal oxide, an oxygen-excessive metal oxide represented by the general formula AjBkCmDnO7 + δ such as YBaCo 4 O 7 + δ is used in a low temperature range of 500 ° C. or lower, particularly 200 to 200. It has a remarkable thermal weight change characteristic of rapidly absorbing a large amount of oxygen at 400 ° C and releasing oxygen when the temperature rises, which has the performance suitable as ceramics for high-performance oxygen storage or oxygen selective film. It has been reported (see Patent Document 1). Further, it has been reported that this oxygen-rich metal oxide causes a phase change during the absorption and desorption of oxygen (see Non-Patent Document 1).

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

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

本発明者らは、さらなる検討を進め、上記の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着能力に影響を与える因子を模索した。そして、CO吸着量が多い場合に、酸素吸脱着能力のうち酸素吸脱着速度が大きく低減する課題が有ることを見出した。 The present inventors have further studied and searched for factors that affect the oxygen absorption / desorption ability of the above-mentioned oxygen-excessive metal oxide. Then, they have found that when the amount of CO 2 adsorbed is large, there is a problem that the oxygen adsorption / desorption rate is greatly reduced in the oxygen adsorption / desorption ability.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。すなわち本発明は、酸素吸脱着速度に優れる新規な酸素過剰型金属酸化物及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、上記の酸素過剰型金属酸化物を用いた、新規な酸素濃縮装置及び酸素吸脱着装置等を提供することにある。さらに、本発明の別の目的は、酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着能力を再生する方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a novel oxygen-excessive metal oxide having an excellent oxygen absorption / desorption rate and a method for producing the same. Another object of the present invention is to provide a novel oxygen concentrator, an oxygen absorption / desorption device, and the like using the above-mentioned oxygen-excessive metal oxide. Furthermore, another object of the present invention is to provide a method for regenerating the oxygen adsorption / desorption ability of an oxygen-rich metal oxide.

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討した。その結果、上述した一般式A7+δで表される従来の酸素過剰型金属酸化物と同様のストイキオメトリ及び結晶構造を有しながらも、酸素脱吸着の裕度(Tolerance)に優劣を与える要因を見出し、二酸化炭素の吸着量の少ない酸素過剰型金属酸化物を用いることで上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。 The present inventors have diligently studied to solve the above problems. As a result, although it has the same stoichiometry and crystal structure as the conventional oxygen-rich metal oxide represented by the above -mentioned general formula AjBkCmDnO7 + δ , it has a high degree of oxygen desorption. We have found a factor that gives superiority or inferiority to (Tolerance), and have found that the above-mentioned problems can be solved by using an oxygen-excessive metal oxide having a small amount of carbon dioxide adsorbed, and have reached the present invention.

すなわち、本発明は、以下(1)~(20)に示す具体的態様を提供する。
(1)下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを有し、昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、酸素過剰型金属酸化物。
That is, the present invention provides the specific embodiments shown in the following (1) to (20).
(1) The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ・ ・ ・ (1)
(During the ceremony,
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca.
D is one or more selected from alkaline earth metal elements, and is
E and G are each independently selected from one or more of the oxygen 4-coordinating elements, and at least one is a transition metal element.
j> 0 and k> 0, respectively, and m ≧ 0 and n ≧ 0, respectively, where j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )
It has a stoichiometry represented by, and the total amount of carbon dioxide desorbed from room temperature to 1000 ° C. in the temperature desorption method at a heating rate of 40 ° C./min is less than 450 μmol / g. Type metal oxide.

(2)前記一般式(1)中のAがYを含む、上記(1)に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(3)前記一般式(1)中のDがBaを含む、上記(1)又は(2)に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(4)前記一般式(1)中のEがCoを含む、上記(1)~(3)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。
(2) The oxygen-rich metal oxide according to (1) above, wherein A in the general formula (1) contains Y.
(3) The oxygen-rich metal oxide according to (1) or (2) above, wherein D in the general formula (1) contains Ba.
(4) The oxygen-rich metal oxide according to any one of (1) to (3) above, wherein E in the general formula (1) contains Co.

(5)粉末X線回折測定において、下記(a)~(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、酸素過剰型金属酸化物。
なお、上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物は、前記酸素過剰型金属酸化物の前駆体を酸素分圧10kPa以下で、700℃以上、950℃未満、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満で加熱処理して得られることが好ましい。
(5) In powder X-ray diffraction measurement, it has a LuBa (Zn, Al) 4O7 type crystal structure characterized by a diffraction pattern having all of the following (a) to (d).
(A) 110 peaks (b) 103 peaks (c) 112 peaks (d) 201 peaks Desorption amount of carbon dioxide from room temperature to 1000 ° C. in the temperature rise desorption method at a heating rate of 40 ° C./min. Oxygen excess type metal oxide having a total of less than 450 μmol / g.
The oxygen-rich metal oxide according to any one of (1) to (5) above is a precursor of the oxygen-rich metal oxide having an oxygen partial pressure of 10 kPa or less, 700 ° C. or higher, and 950 ° C. It is preferably obtained by heat treatment with a carbon dioxide concentration of less than 0.01 vol% in the atmosphere gas in the furnace immediately before the start of temperature lowering.

(6)上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用いた、酸素吸脱着装置。
(7)350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる、上記(6)に記載の酸素吸脱着装置。
(8)200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる、
上記(6)に記載の酸素吸脱着装置。
(9)上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する、酸素濃縮装置。
(10)上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する、酸素濃縮装置。
(6) An oxygen absorption / desorption device using the oxygen-excessive metal oxide according to any one of (1) to (5) above.
(7) The oxygen absorption / desorption device according to (6) above, wherein oxygen is adsorbed on the oxygen-excessive metal oxide at a temperature lower than 350 ° C. and oxygen is released from the oxygen-excessive metal oxide at 350 ° C. or higher.
(8) At 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, oxygen is adsorbed on the oxygen-rich metal oxide in the presence of oxygen, and oxygen is discharged from the oxygen-rich metal oxide under a pressure at which the oxygen partial pressure is lower than that at the time of oxygen adsorption. Release,
The oxygen absorption / desorption device according to (6) above.
(9) Using the oxygen-excessive metal oxide according to any one of (1) to (5) above, oxygen is adsorbed on the oxygen-excessive metal oxide at less than 350 ° C., and the oxygen-excessive metal oxide is adsorbed at 350 ° C. or higher. An oxygen concentrator that concentrates oxygen by releasing oxygen from an oxygen-rich metal oxide.
(10) Using the oxygen-rich metal oxide according to any one of (1) to (5) above, oxygen is added to the oxygen-rich metal oxide in the presence of oxygen at 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. An oxygen concentrator that concentrates oxygen by adsorbing and releasing oxygen from the oxygen-excessive metal oxide under a pressure whose oxygen partial pressure is lower than that at the time of oxygen adsorption.

(11)上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素を貯蔵、分離及び/又は濃縮することを特徴とする、酸素貯蔵・分離・濃縮装置。
(12)上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、貯蔵した酸素を用いて酸化反応を行うことを特徴とする、酸化反応装置。
(13)上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する温熱を用いて加熱を行うことを特徴とする、加熱装置。
(14)上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する冷熱を用いて冷却を行うことを特徴とする、冷却装置。
(15)上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を備え、酸素の貯蔵、分離及び/又は濃縮によって発生する温熱及び/又は冷熱を用いて熱交換を行うことを特徴とする、熱交換装置。
(11) Oxygen storage / separation / concentration, which comprises the oxygen-rich metal oxide according to any one of (1) to (5) above, and is characterized by storing, separating and / or concentrating oxygen. Device.
(12) An oxidation reaction apparatus comprising the oxygen-rich metal oxide according to any one of (1) to (5) above, wherein an oxidation reaction is carried out using stored oxygen.
(13) The oxygen-excessive metal oxide according to any one of (1) to (5) above is provided, and heating is performed using the heat generated by storage, separation and / or concentration of oxygen. A heating device.
(14) The oxygen-excessive metal oxide according to any one of (1) to (5) above is provided, and cooling is performed using cold heat generated by storage, separation and / or concentration of oxygen. A cooling device.
(15) The oxygen-excessive metal oxide according to any one of (1) to (5) above is provided, and heat exchange is performed using hot and / or cold heat generated by storage, separation and / or concentration of oxygen. A heat exchanger, characterized in that it does.

(16)前記一般式(1)で表されるストイキオメトリを有する酸素過剰型金属酸化物を10kPa以下に真空引き下、700℃以上、950℃未満、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満で加熱処理することを特徴とする、酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
(17)昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g以上である酸素過剰型金属酸化物を得ることを特徴とする、上記(16)記載の酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
(16) The oxygen-excessive metal oxide having stoichiometry represented by the general formula (1) is evacuated to 10 kPa or less, 700 ° C. or higher, less than 950 ° C., in the atmosphere gas in the furnace immediately before the start of temperature lowering. A method for producing an oxygen-rich metal oxide, which comprises heat-treating with a carbon dioxide concentration of less than 0.01 vol%.
(17) A feature of obtaining an oxygen-excessive metal oxide in which the total amount of carbon dioxide desorbed from room temperature to 1000 ° C. in the temperature rise desorption method at a heating rate of 40 ° C./min is 450 μmol / g or more. The method for producing an oxygen-rich metal oxide according to (16) above.

また本発明の一態様では、酸素過剰型金属酸化物を触媒として使用し続けることに起因する性能劣化を防ぐこともできる。その場合の本発明の一態様は、触媒の再生方法として定義される。具体的には以下に示す(18)のとおりである。
(18) 下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを有する酸素過剰型金属酸化物を、酸素分圧10kPa以下で、400℃以上、950℃未満で加熱することを特徴とする、酸素過剰型金属酸化物の再生方法。
Further, in one aspect of the present invention, it is possible to prevent performance deterioration due to continued use of the oxygen-rich metal oxide as a catalyst. In that case, one aspect of the present invention is defined as a method for regenerating the catalyst. Specifically, it is as shown in (18) below.
(18) The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ・ ・ ・ (1)
(In the formula, A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca.
D is one or more selected from alkaline earth metal elements, and is
E and G are each independently selected from one or more of the oxygen 4-coordinating elements, and at least one is a transition metal element.
j> 0 and k> 0, respectively, and m ≧ 0 and n ≧ 0, respectively, where j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )
A method for regenerating an oxygen-rich metal oxide, which comprises heating an oxygen-rich metal oxide having stoichiometry represented by (1) at an oxygen partial pressure of 10 kPa or less, 400 ° C. or higher, and lower than 950 ° C.

また、本発明は、以下(19)、(20)に示す態様としても定義可能である。
(19)Y、Ba及びCoを少なくとも0.8~1.2:0.8~1.2:3.2~4.8の化学量論比で含有し、
粉末X線回折測定において、下記(a)~(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、酸素過剰型金属酸化物。
(20)下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)で表されるストイキオメトリを有し、上記(16)に記載の方法により製造された酸素過剰型金属酸化物。
The present invention can also be defined as the embodiments shown in (19) and (20) below.
(19) Y, Ba and Co are contained at least in a stoichiometric ratio of 0.8 to 1.2: 0.8 to 1.2: 3.2 to 4.8.
In powder X-ray diffraction measurement, it has a LuBa (Zn, Al) 4O7 type crystal structure characterized by a diffraction pattern having all of the following (a) to (d).
(A) 110 peaks (b) 103 peaks (c) 112 peaks (d) 201 peaks Desorption amount of carbon dioxide from room temperature to 1000 ° C. in the temperature rise desorption method at a heating rate of 40 ° C./min. Oxygen excess type metal oxide having a total of less than 450 μmol / g.
(20) The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ・ ・ ・ (1)
(During the ceremony,
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca.
D is one or more selected from alkaline earth metal elements, and is
E and G are each independently selected from one or more of the oxygen 4-coordinating elements, and at least one is a transition metal element.
j> 0 and k> 0, respectively, and m ≧ 0 and n ≧ 0, respectively, where j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. ), And the oxygen-rich metal oxide produced by the method according to (16) above.

本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物は、500℃以下の温度範囲で温度または酸素分圧を上下動させると、低温度領域で異常な熱重量変化を示す。本発明者らの知見によれば、その異常な熱重量変化は、上述した酸素不定比性(不定比量:δ)の変化によるものであることが解明された。すなわち、本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物は、典型的には、350℃未満で急速に多量の酸素を吸着し、350~400℃程度の高温度領域で急速に多量の酸素を放出する。また、200℃以上400℃以下において、酸素分圧0kPa以上酸素存在下で多量の酸素を吸着し、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下では急速に多量の酸素を放出する。 The oxygen-rich metal oxide of each of the above aspects of the present invention exhibits an abnormal thermal weight change in a low temperature region when the temperature or oxygen partial pressure is moved up and down in a temperature range of 500 ° C. or lower. According to the findings of the present inventors, it has been clarified that the abnormal change in thermogravimetric analysis is due to the above-mentioned change in oxygen indefinite ratio (indefinite ratio amount: δ). That is, the oxygen-rich metal oxide of each of the above embodiments of the present invention typically rapidly adsorbs a large amount of oxygen below 350 ° C., and rapidly adsorbs a large amount of oxygen in a high temperature region of about 350 to 400 ° C. Is released. Further, at 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, a large amount of oxygen is adsorbed in the presence of oxygen with an oxygen partial pressure of 0 kPa or more, and a large amount of oxygen is rapidly released under a pressure whose oxygen partial pressure is lower than that at the time of oxygen adsorption.

しかも驚くべきことに、本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物は、CO吸着量の多い酸素過剰型金属酸化物と比較して、酸素吸脱着速度が非常に高いという優れた特性を有していることが見出された。 Moreover, surprisingly, the oxygen-rich metal oxide of each of the above-mentioned embodiments of the present invention has an excellent property that the oxygen absorption / desorption rate is very high as compared with the oxygen-rich metal oxide having a large amount of CO 2 adsorption. Was found to have.

すなわち、本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物は、従来知られている上記一般式A7+δで表される酸素過剰型金属酸化物と同様に上記一般式(1)で表されるストイキオメトリを有することに加えて、昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満であることに一つの特徴がある。 That is, the oxygen-rich metal oxide of each of the above-mentioned aspects of the present invention is the same as the above -mentioned general oxygen-rich metal oxide represented by the conventionally known general formula AjBkCmDnO7 + δ . In addition to having the stoichiometry represented by the formula (1), the total amount of carbon dioxide desorbed from room temperature to 1000 ° C. in the temperature desorption method at a heating rate of 40 ° C./min is 450 μmol / min. One characteristic is that it is less than g.

二酸化炭素の脱離量の合計が450μmol/g以上のものと比べて、本発明の上記各態様の酸素過剰型金属酸化物は、酸素の最大吸着能力にはほぼ差がみられないが、酸素吸脱着速度が速く、繰り返し吸脱着を短時間で繰り返すことによる単位時間内での最大酸素吸着能力の低下も見られず、実用上重要となる単位時間内での酸素の取出し能力に優れることが、本発明者らの知見により見出された。アルカリ土類金属酸化物の表面は塩基性であり、酸化性ガスであるCOが吸着しやすいことが知られており、アルカリ土類金属元素を含有する酸化物表面においても同様な現象がおこっていると推察される。表面に吸着したCOは、炭酸塩を形成する場合も多く、酸素の吸収放出を阻害しているものと推察される。但し、作用は、これらに限定されない。 Compared with the one in which the total amount of desorbed carbon dioxide is 450 μmol / g or more, the oxygen-rich metal oxide of each of the above-mentioned embodiments of the present invention shows almost no difference in the maximum adsorption capacity of oxygen, but oxygen. The absorption / desorption speed is high, and there is no decrease in the maximum oxygen adsorption capacity within a unit time due to repeated absorption / desorption in a short time, and the oxygen extraction capacity within a unit time, which is important for practical use, is excellent. , Found by the findings of the present inventors. It is known that the surface of an alkaline earth metal oxide is basic and CO 2 which is an oxidizing gas is easily adsorbed, and the same phenomenon occurs on the surface of an oxide containing an alkaline earth metal element. It is presumed that it is. CO 2 adsorbed on the surface often forms carbonate, and it is presumed that it inhibits the absorption and release of oxygen. However, the action is not limited to these.

このような二酸化炭素の脱離量を有する本発明の酸素過剰型金属酸化物は、各種原料から一般式(I)で表されるストイキオメトリを有する酸素過剰型金属酸化物の前駆体を酸素分圧10kPa以下で、700℃以上、950℃未満、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満で加熱処理することにより容易に得ることができる。また、一般式(I)で表されるストイキオメトリを有する酸素過剰型金属酸化物、特に二酸化炭素の脱離量の合計が450μmol/g以上の一般式(I)で表されるストイキオメトリを有する酸素過剰型金属酸化物を、酸素分圧10kPa以下で、400℃以上、950℃未満で加熱処理することにより、容易に再生することができる。このとき、昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g以上である場合に特に有効であるが、それ以下であっても、より二酸化炭素の吸着による影響を低下させることができる。したがって、酸素過剰型金属酸化物の製造方法や再生方法においては、この二酸化炭素脱離量は限定的な要素とはならない。但し、得られる酸素過剰型金属酸化物による効果が大きくなる観点からは、酸素過剰型金属酸化物の二酸化炭素の脱離量が450μmol/g以上であることが好ましい態様である。 The oxygen-rich metal oxide of the present invention having such an amount of carbon dioxide desorption is a precursor of an oxygen-rich metal oxide having a stoichiometry represented by the general formula (I) from various raw materials. It can be easily obtained by heat treatment at a partial pressure of 10 kPa or less, 700 ° C. or higher, less than 950 ° C., and a carbon dioxide concentration in the atmosphere gas in the furnace immediately before the start of temperature reduction of less than 0.01 vol%. Further, an oxygen-rich metal oxide having a stoichiometry represented by the general formula (I), particularly a stoichiometry represented by the general formula (I) having a total desorption amount of carbon dioxide of 450 μmol / g or more. The oxygen-rich metal oxide having an oxygen excess can be easily regenerated by heat-treating it at an oxygen partial pressure of 10 kPa or less and at 400 ° C. or higher and lower than 950 ° C. At this time, it is particularly effective when the total amount of carbon dioxide desorbed from room temperature to 1000 ° C. in the temperature raising desorption method at a heating rate of 40 ° C./min is 450 μmol / g or more, but less than that. Even if there is, the influence of carbon dioxide adsorption can be further reduced. Therefore, the amount of carbon dioxide desorbed is not a limiting factor in the method for producing or regenerating an oxygen-rich metal oxide. However, from the viewpoint of increasing the effect of the obtained oxygen-rich metal oxide, it is preferable that the amount of carbon dioxide desorbed from the oxygen-rich metal oxide is 450 μmol / g or more.

本発明によれば、酸素吸脱着速度に優れる新規な酸素過剰型金属酸化物及びその製造方法を提供することができる。より具体的には、酸素吸脱着速度が高い酸素過剰型金属酸化物を提供することができるので、酸素貯蔵用又は酸素選択用の実用的なセラミックス材料が実現される。しかも、本発明によれば、酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着能力を容易に再生することができるため、酸素過剰型金属酸化物のロングライフ化が図られ、経済性が殊に高められる。また、本発明によれば、酸素吸脱着速度の低い酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着速度を高くすることのできる実用的な製造方法を提供することができる。そして、本発明の酸素過剰型金属酸化物を用いることで、実用性能に優れる酸素濃縮装置及び酸素吸脱着装置等を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a novel oxygen-excessive metal oxide having an excellent oxygen absorption / desorption rate and a method for producing the same. More specifically, since it is possible to provide an oxygen-excessive metal oxide having a high oxygen absorption / desorption rate, a practical ceramic material for oxygen storage or oxygen selection is realized. Moreover, according to the present invention, since the oxygen absorption / desorption ability of the oxygen-excessive metal oxide can be easily regenerated, the oxygen-excessive metal oxide can be extended in life and economically improved in particular. .. Further, according to the present invention, it is possible to provide a practical manufacturing method capable of increasing the oxygen adsorption / desorption rate of an oxygen-excessive metal oxide having a low oxygen adsorption / desorption rate. Then, by using the oxygen-rich metal oxide of the present invention, it is possible to provide an oxygen concentrator, an oxygen absorption / desorption device, and the like having excellent practical performance.

比較例1及び実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物の粉末X線回折測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the powder X-ray-diffraction measurement of the oxygen excess type metal oxide of Comparative Example 1, and Examples 1, 2 and 3. 比較例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着量及び酸素吸脱着速度を示す図である。It is a figure which shows the oxygen adsorption amount and the oxygen desorption rate of the oxygen excess type metal oxide of the comparative example 1. FIG. 実施例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸着量及び酸素吸脱着速度を示す図である。It is a figure which shows the oxygen adsorption amount and the oxygen desorption rate of the oxygen excess type metal oxide of Example 1. FIG. 実施例2の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着量及び酸素吸脱着速度を示す図である。It is a figure which shows the oxygen desorption amount and the oxygen desorption rate of the oxygen excess type metal oxide of Example 2. FIG. 実施例3の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着量及び酸素吸脱着速度を示す図である。It is a figure which shows the oxygen desorption amount and the oxygen desorption rate of the oxygen excess type metal oxide of Example 3. FIG. 比較例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着のサイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the cycle characteristic of oxygen absorption / desorption of the oxygen excess type metal oxide of the comparative example 1. FIG. 実施例1の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着のサイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the cycle characteristic of oxygen absorption / desorption of the oxygen excess type metal oxide of Example 1. FIG. 実施例2の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着のサイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the cycle characteristic of oxygen absorption desorption of the oxygen excess type metal oxide of Example 2. 実施例3の酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着のサイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the cycle characteristic of the oxygen absorption and desorption of the oxygen excess type metal oxide of Example 3. FIG.

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

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、下記一般式(1)で表されるストイキオメトリを有するものであって、昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満であることを特徴とする。
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
The oxygen-rich metal oxide of the present embodiment has a stoichiometry represented by the following general formula (1), and has a temperature rise rate of 40 ° C./min to 1000 ° C. from room temperature in the temperature rise desorption method. The total amount of carbon dioxide desorbed in the water is less than 450 μmol / g.
A j D k E m G n O 7 + δ・ ・ ・ (1)
(During the ceremony,
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca.
D is one or more selected from alkaline earth metal elements, and is
E and G are each independently selected from one or more of the oxygen 4-coordinating elements, and at least one is a transition metal element.
j> 0 and k> 0, respectively, and m ≧ 0 and n ≧ 0, respectively, where j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )

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

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

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

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

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

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

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物の具体例としては、特に限定されないが、YBaCo7.0+δ、ScBaCo7.0+δ、YSrCo7.0+δ、ScSrCo7.0+δ等が挙げられる。さらに、M. Valldor, Solid State Sciences 6,251(2004) の第254頁の表2及び表3に記載されている化合物、例えばLuBaCo7.0+δ、YbBaCo7.0+δ、TmBaCo7.0+δ、ErBaCo7.0+δ、HoBaCo7.0+δ、DyBaCo7.0+δや、上記例示の化合物において、BaをSrに代えたものが挙げられる。また、具体的な元素の組み合わせとして、YBaCoZnO7.0+δ、YBaCoZn7.0+δ、YBaCoZn7.0+δ、YBaCoFeO7.0+δ、YBaZnFeO7.0+δ等が挙げられる。さらに、これらの化合物において、YをScに代えたもの、BaをSrに代えたもの、又は、YをScに代え、かつ、BaをSrに代えたものも挙げられる。具体的な元素の組み合わせの他の例としては、CaBaZnFe7.0+δ、CaBaZnFeAlO7.0+δ、CaBaCoZnAlO7.0+δ、CaBaCoZnAlO7.0+δ、CaBaCoAlO7.0+δ、CaBaCoFeO7.0+δ、CaBaCoZnFeO7.0+δ、CaBaCoZnFeO7.0+δ、CaBaCoFe7.0+δ、CaBaCoZnFe7.0+δ、CaBaCoZnO7.0+δ、及び、CaBaCoZn7.0+δ等が挙げられる。さらに、これらの化合物において、BaをSrに代えたものも挙げられる。 Specific examples of the oxygen-rich metal oxide of the present embodiment are not particularly limited, but include YBaCo 4 O 7.0 + δ , ScBaCo 4 O 7.0 + δ , YSrCo 4 O 7.0 + δ , ScSrCo 4 O 7.0 + δ , and the like. Can be mentioned. In addition, the compounds listed in Tables 2 and 3 of page 254 of M. Valldor, Solid State Sciences 6,251 (2004), such as LuBaCo 4 O 7.0 + δ , YbBaCo 4 O 7.0 + δ , TmBaCo 4 O 7. Examples thereof include 0 + δ , ErBaCo 4 O 7.0 + δ , HoBaCo 4 O 7.0 + δ , DyBaCo 4 O 7.0 + δ , and the above-exemplified compounds in which Ba is replaced with Sr. Specific element combinations include YBaCo 3 ZnO 7.0 + δ , YBaCo 2 Zn 2 O 7.0 + δ , YBaCo Zn 3 O 7.0 + δ , YBaCo 3 FeO 7.0 + δ , YBaZn 3 FeO 7.0 + δ , and the like. .. Further, among these compounds, Y is replaced with Sc, Ba is replaced with Sr, or Y is replaced with Sc and Ba is replaced with Sr. Other examples of specific element combinations include CaBaZn 2 Fe 2 O 7.0 + δ , CaBaZn 2 FeAlO 7.0 + δ , CaBaCo 2 ZnAlO 7.0 + δ , CaBaCoZn 2 AlO 7.0 + δ , CaBaCo 3 AlO 7.0 + δ . CaBaCo 3 FeO 7.0 + δ , CaBaCo 2 ZnFeO 7.0 + δ , CaBaCoZn 2 FeO 7.0 + δ , CaBaCo 2 Fe 2 O 7.0 + δ , CaBaCoZnFe 2 O 7.0 + δ, CaBaCo ZnFe 2 O 7.0 + δ , CaBaCo 3 ZnO 7.2 O 7.0 + δ and the like can be mentioned. Further, among these compounds, those in which Ba is replaced with Sr can also be mentioned.

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

本実施形態の特徴は、酸素過剰型金属酸化物それ自身の、二酸化炭素の吸着量が小さいことにある。二酸化炭素の吸着量は、昇温脱離法で二酸化炭素の脱離量を測定することにより同定することができる。この二酸化炭素の吸着量(脱離量)が小さい酸素過剰型金属酸化物は、酸素の吸脱着速度が高く、単位時間あたりの酸素供給能力に優れる。
昇温脱離法における二酸化炭素の脱離量の定量方法は、特に限定されないが、シュウ酸カルシウム1水和物を同一条件で昇温した際に得られる発生ガスのパルス面積との比較から算出することが好ましい。昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g以上であると、酸素放出速度、酸素吸着速度がともに遅くなるため、450μmol/g未満であることが好ましく、より好ましくは300μmol/g以下、さらに好ましくは150μmol/g以下である。
The feature of this embodiment is that the amount of carbon dioxide adsorbed by the oxygen-rich metal oxide itself is small. The amount of carbon dioxide adsorbed can be identified by measuring the amount of carbon dioxide desorbed by the thermal desorption method. This oxygen-excessive metal oxide having a small amount of carbon dioxide adsorbed (desorbed) has a high oxygen absorption / desorption rate and an excellent oxygen supply capacity per unit time.
The method for quantifying the amount of carbon dioxide desorbed in the heated desorption method is not particularly limited, but is calculated from a comparison with the pulse area of the generated gas obtained when the temperature of calcium oxalate monohydrate is raised under the same conditions. It is preferable to do so. If the total amount of carbon dioxide desorbed from room temperature to 1000 ° C. in the temperature rise desorption method at a temperature rise rate of 40 ° C./min is 450 μmol / g or more, both the oxygen release rate and the oxygen adsorption rate will be slow. , 450 μmol / g, more preferably 300 μmol / g or less, still more preferably 150 μmol / g or less.

酸素過剰型金属酸化物それ自身の二酸化炭素の昇温脱離量を低下させる方法としては以下の通りの方法が好ましく使用できる。すなわち酸素分圧が10kPa以下となるように真空引きまたはガス置換下、400℃以上、950℃未満で加熱処理することにより、酸素過剰型金属酸化物に吸着している二酸化炭素量を減少させることができる。これは、後述する再生処理と同様にして、二酸化炭素の吸着量が大きい酸素過剰型金属酸化物を、本発明の酸素過剰型金属酸化物として製造するための方法の一つである。
処理時間は、処理温度及び酸素分圧等に依存するが、設備負荷や生産性等を考慮すると、通常1~5時間が好ましい。同様に、真空度は、10kPa以下が好ましく、より好ましくは100Pa以下、さらに好ましくは10Pa以下である。真空度の下限値は、酸素過剰型金属酸化物が還元分解されない真空度であれば特に限定されないが、通常0.01Pa以上が好ましい。置換に使用するガスは、酸素分圧が10kPa以下であれば特に限定されないが、不活性ガス、例えばNガス、Arガス等が好ましい。また同様に、処理温度は、400℃以上、950℃未満が好ましく、より好ましくは600℃以上、850℃以下、さらに好ましくは650℃以上、800℃以下である。上述の下限値以上の温度で処理することにより、二酸化炭素が速やかに脱離するため好ましい。一方上限値以下とすることにより、粒子の成長が促進され、表面積が減少して吸着速度の低下が抑制されるため好ましい。
The following methods can be preferably used as a method for reducing the amount of carbon dioxide desorbed by increasing the temperature of the oxygen-excessive metal oxide itself. That is, the amount of carbon dioxide adsorbed on the oxygen-rich metal oxide is reduced by heat-treating at 400 ° C. or higher and lower than 950 ° C. under vacuuming or gas replacement so that the oxygen partial pressure is 10 kPa or less. Can be done. This is one of the methods for producing an oxygen-rich metal oxide having a large amount of carbon dioxide adsorbed as the oxygen-rich metal oxide of the present invention in the same manner as the regeneration treatment described later.
The treatment time depends on the treatment temperature, oxygen partial pressure, etc., but is usually preferably 1 to 5 hours in consideration of equipment load, productivity, and the like. Similarly, the degree of vacuum is preferably 10 kPa or less, more preferably 100 Pa or less, still more preferably 10 Pa or less. The lower limit of the degree of vacuum is not particularly limited as long as the degree of vacuum is such that the oxygen-excessive metal oxide is not reduced and decomposed, but is usually preferably 0.01 Pa or more. The gas used for the substitution is not particularly limited as long as the oxygen partial pressure is 10 kPa or less, but an inert gas such as N2 gas or Ar gas is preferable. Similarly, the treatment temperature is preferably 400 ° C. or higher and lower than 950 ° C., more preferably 600 ° C. or higher and 850 ° C. or lower, and further preferably 650 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. Treatment at a temperature equal to or higher than the above-mentioned lower limit is preferable because carbon dioxide is rapidly desorbed. On the other hand, when the value is not more than the upper limit, the growth of particles is promoted, the surface area is reduced, and the decrease in the adsorption rate is suppressed, which is preferable.

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、粉末X線回折測定においては、各ピークの解析は、六方晶LuBa(Zn,Al)型構造であるとして指数付けして行う。なお、粉末X線回折測定において使用する線源は、特に限定されないが、一般的に用いられているCuKαで測定することができる。また、本発明の酸素過剰型金属酸化物において、Mn、FeやCo等を多く含む場合には、蛍光X線が発生し、バックグラウンド強度が高くなってしまうことが有る。このような場合には、モノクロメータを用いたり、あるいはエネルギーフィルタ機能を持つ検出器を使用することにより、低エネルギーのX線をカットすることができる。また、XRD測定装置に蛍光X線低減モードが搭載されている場合には、それを使用することが好ましい。
また、X線の検出器としては、半導体検出器を用いることが、高感度である点から好ましい。また半導体検出器を用いることは、検出精度の点で、CuKβ線のカットに比較的シンプルなNiフィルターを使用しても検出精度が確保できる点からも好ましい。
そして、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、粉末X線回折測定において、下記(a)~(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有し、昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、酸素過剰型金属酸化物としても定義可能である。
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
このとき、Y、Ba及びCoを少なくとも0.8~1.2:0.8~1.2:3.2~4.8の化学量論比で含有することが好ましい。このY、Ba及びCoの比の意味するところは、化学量論組成から、20%程度の範囲で欠損や他の元素での置換などによる変動を許容しうるということである。
In the powder X-ray diffraction measurement, the oxygen-rich metal oxide of the present embodiment is indexed as having a hexagonal LuBa (Zn, Al) 4O7 type structure for analysis of each peak. The radioactive source used in the powder X-ray diffraction measurement is not particularly limited, but the measurement can be performed with the generally used CuKα. Further, when the oxygen-rich metal oxide of the present invention contains a large amount of Mn, Fe, Co and the like, fluorescent X-rays may be generated and the background intensity may increase. In such a case, low-energy X-rays can be cut by using a monochromator or a detector having an energy filter function. Further, when the XRD measuring device is equipped with a fluorescent X-ray reduction mode, it is preferable to use it.
Further, it is preferable to use a semiconductor detector as the X-ray detector because of its high sensitivity. Further, using a semiconductor detector is preferable in terms of detection accuracy, because detection accuracy can be ensured even if a relatively simple Ni filter is used to cut CuKβ rays.
The oxygen-rich metal oxide of the present embodiment is a LuBa (Zn, Al) 4O7 type characterized by a diffraction pattern having all of the following (a) to (d) in powder X-ray diffraction measurement. As an oxygen-excessive metal oxide having a crystal structure and having a total desorption amount of carbon dioxide from room temperature to 1000 ° C. in the temperature temperature desorption method at a temperature rise rate of 40 ° C./min, which is less than 450 μmol / g. Can also be defined.
(A) 110 peak (b) 103 peak (c) 112 peak (d) 201 peak At this time, Y, Ba and Co are at least 0.8 to 1.2: 0.8 to 1.2: It is preferably contained in a stoichiometric ratio of 3.2 to 4.8. The meaning of this ratio of Y, Ba and Co is that fluctuations due to defects or substitution with other elements can be tolerated within a range of about 20% from the stoichiometric composition.

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、粉末X線回折測定において、従来知られた典型的な六方晶LuBa(Zn,Al)型の結晶構造と類似の回折ピークを有するが、六方晶構造の103のピーク強度が110のピーク強度より小さく、且つ、103のピークの半値幅が0.3°以上である点に一つの特徴がある。103のピークの半値幅は、0.4°以上が好ましく、より好ましくは0.5°以上、最も好ましくは0.7°以上である。 The oxygen-rich metal oxide of the present embodiment has a diffraction peak similar to that of a conventionally known typical hexagonal LuBa (Zn, Al) 4O7 type crystal structure in powder X-ray diffraction measurement. One feature is that the peak intensity of 103 in the hexagonal structure is smaller than the peak intensity of 110, and the half-value width of the peak of 103 is 0.3 ° or more. The half width of the peak of 103 is preferably 0.4 ° or more, more preferably 0.5 ° or more, and most preferably 0.7 ° or more.

ここで、103のピークの半値幅は、線源としてCuKαを用いた場合の値を意味する。したがって、CuKα以外の線源を用いた場合には、当該半値幅は、使用した線源の波長に応じて読み替えた値、すなわちCuKα換算した値とする。なお、粉末X線回折測定の2θの測定間隔は、特に限定されないが、測定精度の観点から0.02°以下が好ましい。なお、他のピーク(110、112、201等)についても同様である。 Here, the half width of the peak of 103 means a value when CuKα is used as a radioactive source. Therefore, when a radiation source other than CuKα is used, the half width is a value read according to the wavelength of the radiation source used, that is, a value converted to CuKα. The measurement interval of 2θ in the powder X-ray diffraction measurement is not particularly limited, but is preferably 0.02 ° or less from the viewpoint of measurement accuracy. The same applies to other peaks (110, 112, 201, etc.).

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

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

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

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

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

なお、上記の粉末X線回折測定において、六方晶LuBa(Zn,Al)型の結晶構造と類似の回折ピークを有するとは、下記(a)~(d)の明確なピークをすべて有することを意味する。
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
In the above powder X-ray diffraction measurement, having a diffraction peak similar to the crystal structure of hexagonal LuBa (Zn, Al) 4O7 type means that all the clear peaks (a) to (d) below are defined. Means to have.
(A) 110 peak (b) 103 peak (c) 112 peak (d) 201 peak

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

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

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

また、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、酸素放出速度が0.5wt%/分以上であることが好ましい。本明細書において酸素放出速度とは、350℃1気圧の窒素中に静置し重量変化を生じなくなった時点の重量を基準重量とし、次いで350℃1気圧の酸素中に静置し重量変化が起こらなくなるまで酸素吸収させた後、雰囲気ガスを350℃1気圧の窒素に切り替えたとき、前記基準重量より1.5wt%重い状態から前記基準重量より0.5wt%重い状態まで減少するまでの、単位時間あたりの重量変化(wt%/分)を意味する。 Further, the oxygen-rich metal oxide of the present embodiment preferably has an oxygen release rate of 0.5 wt% / min or more. In the present specification, the oxygen release rate is based on the weight at the time when the weight is allowed to stand in nitrogen at 350 ° C. and 1 atm so that the weight does not change, and then the weight is changed by standing in oxygen at 350 ° C. and 1 atm. After absorbing oxygen until it does not occur, when the atmospheric gas is switched to nitrogen at 350 ° C. and 1 atm, the weight decreases from 1.5 wt% heavier than the reference weight to 0.5 wt% heavier than the reference weight. It means the weight change (wt% / min) per unit time.

さらに、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、酸素吸着速度が0.5wt%/分以上であることが好ましい。本明細書において酸素吸着速度とは、後述する実施例におけるサイクル特性評価を行った際の単位時間あたりの重量変化(wt%/分)で表されるものであって、3サイクル目の酸素吸着速度を意味する。 Further, the oxygen-rich metal oxide of the present embodiment preferably has an oxygen adsorption rate of 0.5 wt% / min or more. In the present specification, the oxygen adsorption rate is expressed by the weight change (wt% / min) per unit time when the cycle characteristics are evaluated in the examples described later, and the oxygen adsorption rate in the third cycle is expressed. Means speed.

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

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

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

本発明の酸素過剰型金属酸化物を用いて製造される高濃度酸素は種々の産業分野で利用可能である。特に限定はされないが、例えば、高濃度酸素を用いると、反応性の高い高濃度の酸素中で燃料を燃焼させることになり、燃焼温度が上昇しボイラー等の効率が向上できる、使用する燃料が低減できる、それに伴い排ガス量が削減されるために装置全体が小型化、軽量化され、効率向上やコスト削減につながる、同伴窒素ガス含量が抑えられる為に有害な窒素酸化物を削減できる、等の利点がある。 The high-concentration oxygen produced by using the oxygen-rich metal oxide of the present invention can be used in various industrial fields. Although not particularly limited, for example, when high-concentration oxygen is used, the fuel is burned in highly reactive high-concentration oxygen, the combustion temperature rises, and the efficiency of the boiler and the like can be improved. It can be reduced, and the exhaust gas amount is reduced accordingly, so the entire device can be made smaller and lighter, leading to efficiency improvement and cost reduction, and harmful nitrogen oxides can be reduced because the accompanying nitrogen gas content is suppressed. There are advantages of.

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

本実施形態の酸素過剰型金属酸化物の製造方法は、上述したストイキオメトリを有し、昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が450μmol/g未満である酸素過剰型金属酸化物が得られる限り、特に限定されない。そして特に原料に炭酸塩が含まれている場合は、焼成後の表面への二酸化炭素の吸着量が多くなりやすいため、効果が大きい。上述した二酸化炭素脱離量及び/又は粉末X線回折パターンを再現性よく簡易且つ低コストで得る観点からは、低温焼成プロセスを用いた製法が好ましい。以下、詳述する。 The method for producing an oxygen-rich metal oxide of the present embodiment has the above-mentioned stoichiometry, and the amount of carbon dioxide desorbed from room temperature to 1000 ° C. in the temperature rise desorption method at a temperature rise rate of 40 ° C./min. As long as an oxygen-excessive metal oxide having a total of less than 450 μmol / g can be obtained, it is not particularly limited. In particular, when the raw material contains carbonic acid, the amount of carbon dioxide adsorbed on the surface after firing tends to be large, so that the effect is great. From the viewpoint of obtaining the above-mentioned carbon dioxide desorption amount and / or powder X-ray diffraction pattern with good reproducibility, easily and at low cost, a production method using a low-temperature firing process is preferable. The details will be described below.

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

上記の低温焼成プロセスにおける処理温度は、従来行われていた1050℃より低ければ特に限定されない。酸素吸脱着性能に優れ、繰り返し使用による酸素吸着量の低減が抑制された酸素過剰型金属酸化物を効率よく得る観点から、700℃以上、950℃未満であることが好ましく、より好ましくは720℃以上、930℃以下、さらに好ましくは750℃以上、850℃以下である。ここで、950℃未満の焼成温度とは、焼成時に保持される設定温度であり、焼成炉の設定温度である。このため焼成中の温度コントロールの際に、一時的に950℃を短時間超えてしまっても、それが極端に過度でない限り、例えば50K程度の温度上昇で、ごく短時間であれば、本発明において意図する「950℃未満の焼成温度」に包含されるものとする。なお、焼成時の昇温速度は、使用する焼成炉の特性や生産性等を考慮して適宜設定すればよく、特に限定されない。一般的には、0.5℃/分~10℃/分程度が目安とされる。
また、処理時間も特に限定されない。一般的には、5~24時間程度が目安とされる。なお、一定の処理温度で保持している間の時間を、上記の低温焼成プロセスにおける処理時間(焼成時間)とする。
The treatment temperature in the above-mentioned low-temperature firing process is not particularly limited as long as it is lower than the conventionally performed 1050 ° C. From the viewpoint of efficiently obtaining an oxygen-excessive metal oxide having excellent oxygen absorption / desorption performance and suppressed reduction of oxygen adsorption amount due to repeated use, the temperature is preferably 700 ° C. or higher and lower than 950 ° C., more preferably 720 ° C. As mentioned above, it is 930 ° C. or lower, more preferably 750 ° C. or higher and 850 ° C. or lower. Here, the firing temperature of less than 950 ° C. is a set temperature held at the time of firing, and is a set temperature of the firing furnace. Therefore, even if the temperature temporarily exceeds 950 ° C for a short time during temperature control during firing, the present invention is used as long as the temperature rises by, for example, about 50 K and the temperature is very short, unless it is extremely excessive. It shall be included in the intended "firing temperature of less than 950 ° C." The rate of temperature rise during firing may be appropriately set in consideration of the characteristics and productivity of the firing furnace to be used, and is not particularly limited. Generally, the standard is about 0.5 ° C./min to 10 ° C./min.
Further, the processing time is not particularly limited. Generally, about 5 to 24 hours is a guide. The time while holding at a constant processing temperature is defined as the processing time (calcination time) in the above-mentioned low-temperature firing process.

上記の低温焼成プロセスは、酸素含有量が大気中より低い低酸素雰囲気下、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満であれば、特に限定されない。ここで、酸素含有量が大気中より低い低酸素雰囲気とは、酸素含有量が20体積%以下であることを意味し、実質的に酸素を含有しない無酸素雰囲気(酸素含有量が0体積%)を含む概念である。酸素吸脱着性能に優れ、繰り返し使用による酸素吸着量の低減が抑制された酸素過剰型金属酸化物を効率よく得る観点から、低温焼成プロセス工程において、酸素含有量は5体積%以下が好ましく、より好ましくは3体積%以下、さらに好ましくは1体積%以下であり、特に好ましくは20ppm以下である。また、焼成温度、すなわち焼成工程の最高温度になる時点では、酸素濃度が5体積%以下であることがより好ましい。なお、酸素含有量の下限は、特に限定されず、0体積%以上であればよい。具体的には、酸素含有量が上記の好ましい範囲内にある不活性ガス雰囲気で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、Nガス、Arガス等が例示される。また、処理圧力は、特に限定されない。一般的には常圧下で行えばよいが、加圧下や減圧下で行うこともできる。特に炉外からの酸素の流入を防ぐ点からは、加圧下で焼成することが好ましい。
さらに焼成温度で処理中の炉内雰囲気ガス中に二酸化炭素が存在すると、酸素過剰型金属酸化物に吸着し、酸素の吸脱着能力が低下するため、降温開始直前には炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度は0.01vol%未満が好ましく、0vol%がより好ましい。前駆体から二酸化炭素が発生する場合、特に原料に炭酸塩が含まれている場合には、その吸着を防ぐ点からは減圧下で焼成することが好ましい。
通常、酸素過剰型金属酸化物に吸着する二酸化炭素としては、炉外からの流入によるもの、または前駆体が反応して酸素過剰型金属酸化物となる過程で発生するものが挙げられる。なかでも前駆体から発生する二酸化炭素濃度の調整は困難であるが、本発明者らの検討により、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度を低く保つことができれば、本実施形態の酸素過剰型金属酸化物を得られることが明らかとなった。よって、低温焼成プロセスの昇温中、及び/又は焼成時間中に、二酸化炭素濃度が高くなったとしても、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満とすることで本発明の効果を得ることができる。降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度を0.01vol%未満とするためには、具体的には、処理時間、処理温度、前駆体の量、供給する雰囲気ガスの流量、減圧時の真空度等を適宜調整して、降温開始直前までに発生した二酸化炭素を十分に炉外へ排気すればよい。
The above-mentioned low-temperature firing process is not particularly limited as long as the carbon dioxide concentration in the atmosphere gas in the furnace immediately before the start of temperature lowering is less than 0.01 vol% under a low oxygen atmosphere in which the oxygen content is lower than in the atmosphere. Here, a low oxygen atmosphere having an oxygen content lower than that in the atmosphere means that the oxygen content is 20% by volume or less, and an oxygen-free atmosphere containing substantially no oxygen (oxygen content is 0% by volume). ) Is a concept. From the viewpoint of efficiently obtaining an oxygen-excessive metal oxide having excellent oxygen absorption / desorption performance and suppressed reduction of oxygen adsorption amount due to repeated use, the oxygen content is preferably 5% by volume or less in the low-temperature firing process step. It is preferably 3% by volume or less, more preferably 1% by volume or less, and particularly preferably 20 ppm or less. Further, it is more preferable that the oxygen concentration is 5% by volume or less at the firing temperature, that is, at the time when the maximum temperature of the firing step is reached. The lower limit of the oxygen content is not particularly limited and may be 0% by volume or more. Specifically, it is preferable to carry out the operation in an inert gas atmosphere in which the oxygen content is within the above-mentioned preferable range. Examples of the inert gas include N2 gas and Ar gas. Further, the processing pressure is not particularly limited. Generally, it may be performed under normal pressure, but it can also be performed under pressure or reduced pressure. In particular, from the viewpoint of preventing the inflow of oxygen from outside the furnace, firing under pressure is preferable.
Furthermore, if carbon dioxide is present in the atmosphere gas in the furnace during treatment at the firing temperature, it will be adsorbed on the oxygen-excessive metal oxide and the oxygen absorption / desorption ability will decrease. The carbon dioxide concentration is preferably less than 0.01 vol%, more preferably 0 vol%. When carbon dioxide is generated from the precursor, particularly when the raw material contains a carbonate, it is preferable to bake under reduced pressure from the viewpoint of preventing its adsorption.
Usually, carbon dioxide adsorbed on an oxygen-rich metal oxide includes carbon dioxide generated by inflow from outside the furnace or generated in the process of reacting a precursor to form an oxygen-rich metal oxide. In particular, it is difficult to adjust the concentration of carbon dioxide generated from the precursor, but if the concentration of carbon dioxide in the atmosphere gas in the furnace immediately before the start of temperature reduction can be kept low by the study of the present inventors, the present embodiment It was clarified that an oxygen-rich metal oxide can be obtained. Therefore, even if the carbon dioxide concentration increases during the temperature rise and / or the firing time of the low-temperature firing process, the carbon dioxide concentration in the atmosphere gas in the furnace immediately before the start of temperature reduction should be less than 0.01 vol%. The effect of the present invention can be obtained. In order to reduce the carbon dioxide concentration in the atmosphere gas in the furnace immediately before the start of temperature reduction to less than 0.01 vol%, specifically, the treatment time, the treatment temperature, the amount of the precursor, the flow rate of the atmosphere gas to be supplied, and the time of decompression The degree of vacuum and the like may be adjusted as appropriate to sufficiently exhaust the carbon dioxide generated just before the start of temperature reduction to the outside of the furnace.

上記の低温焼成プロセスを行った後、大気中で冷却等することで本実施形態の酸素過剰型金属酸化物が得られる。本実施形態の酸素過剰型金属酸化物は、好ましくは酸素を脱着させたときにLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有する。 After performing the above low-temperature firing process, the oxygen-rich metal oxide of the present embodiment can be obtained by cooling in the atmosphere or the like. The oxygen-rich metal oxide of the present embodiment preferably has a LuBa (Zn, Al) 4O7 type crystal structure when oxygen is desorbed.

なお、得られる酸素過剰型金属酸化物の化学組成は、常法にしたがって求めることができ、例えばヨウ素滴定法やICP発光分析法等によって求めることができる。具体的には、一般式A7+δで表される酸素過剰型金属酸化物(例えばYBaCo4 7+δ)の化学組成は、次の手順で求めることができる。
(1)ヨウ素滴定法でCoの平均価数を求める。
(2)ICP発光分析法により、Y、Ba及びCoのモル比を求める。
(3)前記モル比から、前記(1)式におけるj、k、m、nの値を、j+k+m+n=6を満たすように規格化する。
(4)Coの平均価数及び(3)で規格化したj、k、m、nの値から、電荷バランスを考慮して、酸素原子の数を求める。
(5)以上の計算結果から、化学組成を決定する。
The chemical composition of the obtained oxygen-rich metal oxide can be determined according to a conventional method, for example, by an iodine titration method, an ICP emission spectrometry method, or the like. Specifically, the chemical composition of the oxygen-rich metal oxide (for example, YBaCo 4 O 7 + δ ) represented by the general formula AjBkCmDnO7 + δ can be obtained by the following procedure.
(1) Obtain the average valence of Co by the iodine titration method.
(2) The molar ratios of Y, Ba and Co are determined by ICP emission spectrometry.
(3) From the molar ratio, the values of j, k, m, and n in the above equation (1) are standardized so as to satisfy j + k + m + n = 6.
(4) From the average valence of Co and the values of j, k, m, and n normalized in (3), the number of oxygen atoms is obtained in consideration of the charge balance.
(5) The chemical composition is determined from the above calculation results.

上述した本発明の知見は、使用環境により、酸素過剰型金属酸化物の能力が低下したときにも適用することができる。例えば本発明の酸素過剰型金属酸化物を大気中で温度を上下させることにより酸素を吸脱着させ、酸素の濃縮等に使用した場合、使用条件によっては大気中の二酸化炭素の吸着が生じ、酸素の吸脱着能力が低下してくることが考えられる。その際に、酸素分圧10kPa以下で、400℃以上、950℃未満で加熱することにより、酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着能力を再生することができる。
このような再生処理は、例えば酸素濃縮装置の単位時間当たりの酸素の濃縮量が、予め決めておいた量以下になった時、或いは濃縮回数がある一定の回数以上に達したときに行うことができ、酸素吸脱着能力を元のレベルに戻すことができるため好ましい。この再生処理時の好ましい条件は、製造方法の欄で説明した条件と同じである。
The above-mentioned findings of the present invention can be applied even when the ability of the oxygen-rich metal oxide is reduced due to the usage environment. For example, when the oxygen-excessive metal oxide of the present invention is used for oxygen concentration by absorbing and desorbing oxygen by raising and lowering the temperature in the atmosphere, carbon dioxide in the atmosphere is adsorbed depending on the usage conditions, and oxygen It is conceivable that the ability to attach and detach the oxygen will decrease. At that time, by heating at an oxygen partial pressure of 10 kPa or less and at 400 ° C. or higher and lower than 950 ° C., the oxygen absorption / desorption ability of the oxygen-excessive metal oxide can be regenerated.
Such a regeneration process is performed, for example, when the amount of oxygen enriched per unit time of the oxygen concentrator becomes less than or equal to a predetermined amount, or when the number of times of enrichment reaches a certain number or more. It is preferable because the oxygen absorption / desorption ability can be returned to the original level. The preferable conditions at the time of this regeneration treatment are the same as the conditions described in the column of the manufacturing method.

すなわち、酸素分圧が10kPa以下となるように真空引きまたはガス置換下、400℃以上、950℃未満で加熱処理することにより、酸素過剰型金属酸化物に吸着している二酸化炭素量を減少させることができる。処理時間は、処理温度及び酸素分圧等に依存するが、設備負荷や生産性等を考慮すると、通常1~5時間が好ましい。同様に、真空度は、10kPa以下が好ましく、より好ましくは100Pa以下、さらに好ましくは10Pa以下である。真空度の下限値は、酸素過剰型金属酸化物が還元分解されない真空度であれば特に限定されないが、通常0.01Pa以上が好ましい。置換に使用するガスは、酸素分圧が10kPa以下であれば特に限定されないが、不活性ガス、例えばNガス、Arガス等が好ましい。また同様に、処理温度は、400℃以上、950℃未満が好ましく、より好ましくは600℃以上、850℃以下、さらに好ましくは650℃以上、800℃以下である。上述の下限値以上の温度で処理することにより、二酸化炭素が速やかに脱離するため好ましい。一方上限値以下とすることにより、粒子の成長が促進され、表面積が減少して吸着速度の低下が抑制されるため好ましい。 That is, the amount of carbon dioxide adsorbed on the oxygen-rich metal oxide is reduced by performing heat treatment at 400 ° C. or higher and lower than 950 ° C. under vacuuming or gas replacement so that the oxygen partial pressure is 10 kPa or less. be able to. The treatment time depends on the treatment temperature, oxygen partial pressure, etc., but is usually preferably 1 to 5 hours in consideration of equipment load, productivity, and the like. Similarly, the degree of vacuum is preferably 10 kPa or less, more preferably 100 Pa or less, still more preferably 10 Pa or less. The lower limit of the degree of vacuum is not particularly limited as long as the degree of vacuum is such that the oxygen-excessive metal oxide is not reduced and decomposed, but is usually preferably 0.01 Pa or more. The gas used for the substitution is not particularly limited as long as the oxygen partial pressure is 10 kPa or less, but an inert gas such as N2 gas or Ar gas is preferable. Similarly, the treatment temperature is preferably 400 ° C. or higher and lower than 950 ° C., more preferably 600 ° C. or higher and 850 ° C. or lower, and further preferably 650 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. Treatment at a temperature equal to or higher than the above-mentioned lower limit is preferable because carbon dioxide is rapidly desorbed. On the other hand, when the value is not more than the upper limit, the growth of particles is promoted, the surface area is reduced, and the decrease in the adsorption rate is suppressed, which is preferable.

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples. The present invention can adopt various conditions as long as the gist of the present invention is not deviated and the object of the present invention is achieved.

(比較例1)
出発原料として、Y(CHCOO)・4HO、Ba(CHCOO)、Co(CHCOO)・4HOを、Y:Ba:Co=1:1:4のモル比になるように秤量した。次に、これらを純水に溶解し、酢酸塩水溶液を作製した。作製した水溶液をスプレードライし、粉末とした。得られた粉末を空気中600℃で7時間仮焼成し、前駆体を作製した。得られた前駆体を窒素気流中800℃で12時間焼成した。800℃からの降温開始時の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度は0.44vol%であった。その後、メノウ乳鉢中で粉砕及び混合し、比較例1の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 7+δ)を得た。
(Comparative Example 1)
As a starting material, Y (CH 3 COO) 3.4H 2 O, Ba (CH 3 COO) 2 , Co (CH 3 COO) 2.4H 2 O, Y: Ba: Co = 1 : 1: 4 mol Weighed to a ratio. Next, these were dissolved in pure water to prepare an aqueous acetate solution. The prepared aqueous solution was spray-dried to obtain a powder. The obtained powder was calcined in air at 600 ° C. for 7 hours to prepare a precursor. The obtained precursor was calcined at 800 ° C. for 12 hours in a nitrogen stream. The carbon dioxide concentration in the atmosphere gas in the furnace at the start of temperature lowering from 800 ° C. was 0.44 vol%. Then, it was pulverized and mixed in an agate mortar to obtain an oxygen-rich metal oxide (YBaCo 4 O 7 + δ ) of Comparative Example 1.

(実施例1)
比較例1の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 7+δ)をロータリーポンプで真空引き下(酸素分圧30Pa以下)、700℃で2時間熱処理を実施し、酸素過剰型金属酸化物の再生を行って実施例1の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 7+δ)を得た。
(Example 1)
The oxygen-rich metal oxide (YBaCo 4 O 7 + δ ) of Comparative Example 1 was vacuum-pulled (oxygen partial pressure 30 Pa or less) with a rotary pump and heat-treated at 700 ° C. for 2 hours to obtain the oxygen-rich metal oxide. Regeneration was carried out to obtain an oxygen-rich metal oxide (YBaCo 4 O 7 + δ ) of Example 1.

(実施例2)
比較例1の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 7+δ)をロータリーポンプで真空引き下(酸素分圧30Pa以下)、750℃で4時間熱処理を実施し、酸素過剰型金属酸化物の再生を行って実施例2の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 7+δ)を得た。
(Example 2)
The oxygen-rich metal oxide (YBaCo 4 O 7 + δ ) of Comparative Example 1 was vacuum-pulled (oxygen partial pressure 30 Pa or less) with a rotary pump and heat-treated at 750 ° C. for 4 hours to obtain the oxygen-rich metal oxide. Regeneration was carried out to obtain an oxygen-rich metal oxide (YBaCo 4 O 7 + δ ) of Example 2.

(実施例3)
比較例1で得られた前駆体を窒素気流中(酸素分圧0.1kPa以下)800℃で15時間焼成した。800℃からの降温開始時の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度は0vol%であった。その後、メノウ乳鉢中で粉砕及び混合し、実施例3の酸素過剰型金属酸化物(YBaCo4 7+δ)を得た。
(Example 3)
The precursor obtained in Comparative Example 1 was calcined in a nitrogen stream (oxygen partial pressure of 0.1 kPa or less) at 800 ° C. for 15 hours. The carbon dioxide concentration in the atmosphere gas in the furnace at the start of temperature lowering from 800 ° C. was 0 vol%. Then, it was pulverized and mixed in an agate mortar to obtain an oxygen-rich metal oxide (YBaCo 4 O 7 + δ ) of Example 3.

<粉末X線回折測定>
得られた比較例1及び実施例1,2,3の酸素過剰型金属酸化物の粉末X線回折測定を行った。図1に、各酸素過剰型金属酸化物の粉末X線回折パターンを示す。図1中、上から順に、比較例1(作製時、降温開始前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%以上)、実施例1(作製後に真空引き下700℃の加熱処理あり)、実施例2(作製後に真空引き下750℃の加熱処理あり)、実施例3(作製時、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満)の粉末X線回折パターンをそれぞれ示す。
測定範囲は2θが10°から65°の範囲で行った。ただし、主要なピークは60°までに存在するため、図面には60°までを示している。測定の間隔は0.02°、使用した装置と条件は、以下のとおりである。
装置:オランダ PANalytical社製X‘Pert Pro MPD
加速電圧:45kV
電流:30mA
<Powder X-ray diffraction measurement>
The powder X-ray diffraction measurement of the obtained oxygen-rich metal oxides of Comparative Example 1 and Examples 1, 2 and 3 was performed. FIG. 1 shows a powder X-ray diffraction pattern of each oxygen-rich metal oxide. In FIG. 1, in order from the top, Comparative Example 1 (at the time of production, the carbon dioxide concentration in the atmosphere gas in the furnace before the start of temperature lowering was 0.01 vol% or more), and Example 1 (heat treatment at 700 ° C. under vacuum after production). Yes), Example 2 (with heat treatment at 750 ° C under vacuum after preparation), Example 3 (at the time of preparation, the carbon dioxide concentration in the atmosphere gas in the furnace immediately before the start of temperature reduction is less than 0.01 vol%) powder X The linear diffraction patterns are shown respectively.
The measurement range was 2θ in the range of 10 ° to 65 °. However, since the main peak exists up to 60 °, the drawing shows up to 60 °. The measurement interval is 0.02 °, and the equipment and conditions used are as follows.
Equipment: X'Pert Pro MPD manufactured by PANalytical in the Netherlands
Acceleration voltage: 45kV
Current: 30mA

図1に示されるように、比較例1及び実施例1,2,3のいずれにおいても、強度の強いすべての回折線を、六方晶LuBa(Zn,Al)と同じ単位格子の回折線に指数付けすることができた。 As shown in FIG. 1, in both Comparative Example 1 and Examples 1, 2 and 3, all the diffraction lines having high intensity are diffracted by the same unit cell as the hexagonal LuBa (Zn, Al) 4O7 . I was able to index the line.

<COガス濃度測定>
比較例1及び実施例3の前駆体焼成時に、炉内の中央付近に吸気管を挿入し、理研計器株式会社製のポータブルマルチガス測定器(RX-515)にて、昇温開始からサンプル取り出しまでの間、5分間隔で二酸化炭素濃度を測定した。
<CO 2 gas concentration measurement>
At the time of firing the precursors of Comparative Examples 1 and 3, an intake pipe was inserted near the center of the furnace, and a sample was taken out from the start of temperature rise with a portable multi-gas measuring instrument (RX-515) manufactured by RIKEN KEIKI CO., LTD. Until then, the carbon dioxide concentration was measured at 5-minute intervals.

<昇温時発生ガス測定1>
得られた比較例1及び実施例1の酸素過剰型金属酸化物を、直ちに測定装置にセットし、室温から1000℃まで昇温時発生ガス種及びその量の測定を行った。表1に発生ガス種とその量を示す。表1より、CO発生量は、比較例1では460μmol/gであるのに対し、実施例1では94μmol/gとなっている。すなわち、実施例1では、CO発生量が、約1/5まで大きく減少していることがわかる。
測定手法及び使用装置は以下のとおりである。試料を白金ボートに入れ、石英加熱管にセット後、He 80ccmフロー下、40℃/分で1000℃まで昇温した。その間の出口ガスを質量分析計に導入してガス成分を測定した。定量はOについては空気中のOの検量線から、HOについては空気中のNの検量線及び、Nとの相対感度係数を用いて計算した。CO,COについてはNと感度が同等と仮定してNの検量線を用いて計算した。なお、Oは2つのピークが検出されたため、低温域で発生したガス量,高温域で発生したガス量の順で表中に記した。
装置:キャノンアネルバ製:AGS-7000
<Measurement of gas generated when the temperature rises 1>
The obtained oxygen-rich metal oxides of Comparative Example 1 and Example 1 were immediately set in a measuring device, and the gas species generated at the time of temperature rise from room temperature to 1000 ° C. and the amount thereof were measured. Table 1 shows the types of gas generated and their amounts. From Table 1, the amount of CO 2 generated is 460 μmol / g in Comparative Example 1, whereas it is 94 μmol / g in Example 1. That is, in Example 1, it can be seen that the amount of CO 2 generated is greatly reduced to about 1/5.
The measurement method and the equipment used are as follows. The sample was placed in a platinum boat, set in a quartz heating tube, and then heated to 1000 ° C. at 40 ° C./min under a He 80 cm flow. The outlet gas in the meantime was introduced into a mass spectrometer to measure the gas component. The quantification was calculated using the calibration curve of O 2 in the air for O 2 and the calibration curve of N 2 in the air for H 2 O and the relative sensitivity coefficient with N 2 . CO and CO 2 were calculated using the calibration curve of N 2 assuming that the sensitivity is equivalent to that of N 2 . Since two peaks were detected in O 2 , the amount of gas generated in the low temperature region and the amount of gas generated in the high temperature region are shown in the table in this order.
Equipment: Cannon Anerva: AGS-7000

Figure 2022009583000002
Figure 2022009583000002

<昇温時発生ガス測定2>
得られた比較例1及び実施例1,2,3の酸素過剰型金属酸化物を、直ちに測定装置にセットし、室温から1000℃まで昇温時発生ガス種及びその量の測定を行った。表2に発生ガス種とその量を示す。表2より、CO発生量は、比較例1では543μmol/gであるのに対し、実施例1では69μmol/g、実施例2では10μmol/g、実施例3では73μmol/gとなっている。すなわち、実施例1、2、3では、CO発生量が、約1/5~1/50まで大きく減少していることがわかる。
測定手法及び使用装置は以下のとおりである。試料を白金ボートに入れ、石英加熱管にセット後、He 80ccmフロー下、40℃/分で1000℃まで昇温した。その間の出口ガスを質量分析計に導入してガス成分を測定した。Oについては空気中のOの検量線から、HO,CO,COについてはシュウ酸カルシウム1水和物を同一条件で昇温した際に得られる発生ガスピーク面積と比較して定量した。なお、Oは2つのピークが検出されたため、低温域で発生したガス量,高温域で発生したガス量の順で表中に記した。
装置:キャノンアネルバ製:AGS-7000
<Measurement of gas generated when the temperature rises 2>
The obtained oxygen-rich metal oxides of Comparative Examples 1 and Examples 1, 2 and 3 were immediately set in a measuring device, and the gas species generated at the time of temperature rise from room temperature to 1000 ° C. and the amount thereof were measured. Table 2 shows the types of gas generated and their amounts. From Table 2, the amount of CO 2 generated is 543 μmol / g in Comparative Example 1, 69 μmol / g in Example 1, 10 μmol / g in Example 2, and 73 μmol / g in Example 3. .. That is, in Examples 1, 2 and 3, it can be seen that the amount of CO 2 generated is greatly reduced to about 1/5 to 1/50.
The measurement method and the equipment used are as follows. The sample was placed in a platinum boat, set in a quartz heating tube, and then heated to 1000 ° C. at 40 ° C./min under a He 80 cm flow. The outlet gas in the meantime was introduced into a mass spectrometer to measure the gas component. O 2 is quantified from the calibration curve of O 2 in the air, and H 2 O, CO, and CO 2 are quantified by comparing with the peak area of the generated gas obtained when the temperature of calcium oxalate monohydrate is raised under the same conditions. did. Since two peaks were detected in O 2 , the amount of gas generated in the low temperature region and the amount of gas generated in the high temperature region are shown in the table in this order.
Equipment: Cannon Anerva: AGS-7000

Figure 2022009583000003
Figure 2022009583000003

<酸素吸着量・酸素放出速度の測定>
得られた比較例1及び実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物を、直ちに測定装置にセットし、酸素吸着量及び酸素放出速度の測定を行った。ここでは、比較例1及び実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物を、窒素気流中350℃で保持し、ガス雰囲気を酸素に切り換えた際の重量変化を計測した。図2、3、4、5は、比較例1及び実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物の熱重量変化を示すグラフである。図2、3、4、5に示すとおり、比較例1及び実施例1、2、3のいずれにおいても、ガス切換直後から酸素吸収に伴う急激な重量増加を示した。このとき、酸素吸着時の飽和重量は、比較例1及び実施例1,2,3で大きな差異は認められず2wt%程度であった。続いて、酸素から窒素にガス切り替えをしたところ、酸素放出に伴う急激な重量減少が見られた。酸素吸着量を1.5wt%から0.5wt%にする際の酸素放出速度は、比較例1では0.25wt%/分であるのに対し、実施例1、2、3ではそれぞれ0.59wt%/分、0.60wt%/分、0.87wt%/分と約2.4から3.5倍に向上していることがわかる。
以上のことから、実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物は、酸素放出速度は0.5wt%/分以上という優れた酸素吸収放出能力を有し、これらの酸素放出速度は、比較例1に対して、約2~4倍にも向上していることがわかる。
<Measurement of oxygen adsorption amount and oxygen release rate>
The obtained oxygen-excessive metal oxides of Comparative Example 1 and Examples 1, 2 and 3 were immediately set in a measuring device, and the amount of oxygen adsorbed and the oxygen release rate were measured. Here, the oxygen-rich metal oxides of Comparative Example 1 and Examples 1, 2 and 3 were held at 350 ° C. in a nitrogen stream, and the weight change when the gas atmosphere was switched to oxygen was measured. FIGS. 2, 3, 4, and 5 are graphs showing changes in thermogravimetric analysis of the oxygen-rich metal oxides of Comparative Example 1 and Examples 1, 2, and 3. As shown in FIGS. 2, 3, 4, and 5, in each of Comparative Example 1 and Examples 1, 2, and 3, a rapid increase in weight due to oxygen absorption was shown immediately after gas switching. At this time, the saturated weight at the time of oxygen adsorption was about 2 wt% without any significant difference between Comparative Example 1 and Examples 1, 2 and 3. Subsequently, when the gas was switched from oxygen to nitrogen, a rapid weight loss was observed with the release of oxygen. The oxygen release rate when the oxygen adsorption amount is changed from 1.5 wt% to 0.5 wt% is 0.25 wt% / min in Comparative Example 1, whereas it is 0.59 wt in Examples 1, 2 and 3, respectively. It can be seen that% / min, 0.60 wt% / min, and 0.87 wt% / min are improved from about 2.4 to 3.5 times.
From the above, the oxygen excess type metal oxides of Examples 1, 2 and 3 have an excellent oxygen absorption / release capacity of 0.5 wt% / min or more, and these oxygen release rates are high. It can be seen that the improvement is about 2 to 4 times that of Comparative Example 1.

<サイクル特性の評価>
次いで、得られた比較例1及び実施例1、2,3の酸素過剰型金属酸化物のサイクル特性をTG熱重量測定で評価した。その結果を、図6、7、8,9に示す。ここでは、空気中(酸素濃度21%)、9分間470-480℃に保って酸素を放出させた後、470℃→230℃を7分で降温させ、230℃→470℃を5分で昇温させることを3回繰り返した。温度と重量の測定間隔は1秒おきに行った。その際の酸素吸着脱着に伴う重量変化を測定した。図6、7、8、9中、温度変化は点線で示し、重量変化は実線で示す。
<Evaluation of cycle characteristics>
Next, the cycle characteristics of the obtained oxygen-rich metal oxides of Comparative Example 1 and Examples 1, 2 and 3 were evaluated by TG thermogravimetric analysis. The results are shown in FIGS. 6, 7, 8 and 9. Here, in the air (oxygen concentration 21%), the temperature is kept at 470-480 ° C for 9 minutes to release oxygen, then the temperature is lowered from 470 ° C to 230 ° C in 7 minutes, and the temperature is raised from 230 ° C to 470 ° C in 5 minutes. The warming was repeated 3 times. The temperature and weight measurements were taken every second. The change in weight due to oxygen adsorption and desorption at that time was measured. In FIGS. 6, 7, 8 and 9, the temperature change is shown by a dotted line, and the weight change is shown by a solid line.

図6に示すとおり、比較例1の酸素過剰型金属酸化物の重量変化は、約1.0wt%と小さかったが、サイクル数の増加に伴う最大酸素吸着量の低下は観測されなかった。また、酸素吸着時の温度スイングへの追随性(応答性)が悪く、酸素吸着速度が低いことも判明した。一方、図7,8,9に示すとおり、実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物の重量変化は、約2wt%と大きく、また、サイクル数の増加に伴う最大酸素吸着量の低下は観測されなかった。さらに、酸素吸着時の温度スイングへの追随性(応答性)が良く、酸素吸着速度が高いことも判明した。以上のことから、実施例1、2、3の酸素過剰型金属酸化物は、最大酸素吸着量が大きく実用的であるのみならず、酸素吸着速度が高く、繰り返し使用の耐久性にも優れることが確認された。 As shown in FIG. 6, the weight change of the oxygen-rich metal oxide of Comparative Example 1 was as small as about 1.0 wt%, but the decrease in the maximum oxygen adsorption amount with the increase in the number of cycles was not observed. It was also found that the responsiveness to the temperature swing during oxygen adsorption was poor and the oxygen adsorption rate was low. On the other hand, as shown in FIGS. 7, 8 and 9, the weight change of the oxygen-rich metal oxides of Examples 1, 2 and 3 is as large as about 2 wt%, and the maximum oxygen adsorption amount with the increase in the number of cycles is increased. No decline was observed. Furthermore, it was also found that the responsiveness (responsiveness) to the temperature swing at the time of oxygen adsorption was good and the oxygen adsorption rate was high. From the above, the oxygen-rich metal oxides of Examples 1, 2 and 3 not only have a large maximum oxygen adsorption amount and are practical, but also have a high oxygen adsorption rate and excellent durability for repeated use. Was confirmed.

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

Figure 2022009583000004
Table 3 shows the temperature at which oxygen adsorption changes to release in Comparative Example 1 and Examples 1, 2 and 3 in the above cycle characteristic evaluation.
Figure 2022009583000004

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

また、各サイクルの酸素の最大吸着量と、3回目の吸着量維持率、そして1回目と3回目の酸素最大吸着量の差を表4に示す。

Figure 2022009583000005
Table 4 shows the difference between the maximum amount of oxygen adsorbed in each cycle, the retention rate of the amount of adsorption at the third time, and the maximum amount of oxygen adsorbed at the first time and the third time.
Figure 2022009583000005

この結果から、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、短時間での吸脱着を3回繰り返した時も吸着量がほとんど初期状態を維持しており、顕著に優れることが判明した。また、最大吸着量の絶対値を比較すると、本試験条件で酸素の吸脱着を行った場合、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、比較例1に対して、約2倍の酸素吸着量を有することがわかる。このことは、本発明の酸素過剰型金属酸化物を用いて装置を構成する際、大きさや重量を約半分に削減可能であること、酸素吸脱着させるときの温度を上げ下げする際に必要なエネルギーが半減し、かつ装置の温度コントロールも容易(温度が均一にしやすい)になること、単位時間当たりの酸素吸脱着回数を増やせることを意味し、極めて大きな効果である。 From this result, it was found that the oxygen-rich metal oxide of the present invention is remarkably excellent because the adsorption amount is almost maintained in the initial state even when the adsorption and desorption in a short time are repeated three times. Comparing the absolute values of the maximum adsorption amount, when oxygen was absorbed and desorbed under the present test conditions, the oxygen-rich metal oxide of the present invention had an oxygen adsorption amount about twice that of Comparative Example 1. It can be seen that it has. This means that when the device is configured using the oxygen-rich metal oxide of the present invention, the size and weight can be reduced by about half, and the energy required for raising and lowering the temperature for oxygen absorption and desorption is required. Is halved, the temperature of the device can be easily controlled (the temperature can be easily made uniform), and the number of times of oxygen absorption and desorption per unit time can be increased, which is an extremely large effect.

<酸素吸着速度の評価>
また、上記サイクル特性の結果から、比較例1と実施例1,2,3とで各サイクルにおける酸素吸着速度に大きな差が有ることは図から明らかであるが、特にその差が顕著に表れているデータとして、酸素吸着量を0.4wt%から0.9wt%にする際の酸素吸着速度に着目して、対比説明する。
<Evaluation of oxygen adsorption rate>
Further, from the results of the above cycle characteristics, it is clear from the figure that there is a large difference in the oxygen adsorption rate in each cycle between Comparative Example 1 and Examples 1, 2 and 3, but the difference is particularly remarkable. As the data, the oxygen adsorption rate when the oxygen adsorption amount is changed from 0.4 wt% to 0.9 wt% will be compared and explained.

3サイクル目の酸素吸着速度は、実施例1、2、3は、それぞれ0.62wt%/分、0.66wt%/分、0.99wt%/分であるのに対し、比較例1は0.14wt%/分であった。このことから、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、本試験条件で酸素吸着量を0.4wt%から0.9wt%にする際の酸素吸着速度が0.6wt%/分以上であることがわかる。それと同時に、本発明の酸素過剰型金属酸化物は、本試験条件で酸素の繰り返し吸脱着を繰り返しても、1.5wt%以上、より好ましくは1.7wt%以上の酸素吸着能力を発揮するものであることがわかる。 The oxygen adsorption rates in the third cycle were 0.62 wt% / min, 0.66 wt% / min, and 0.99 wt% / min in Examples 1, 2 and 3, respectively, whereas in Comparative Example 1, they were 0. It was .14 wt% / min. From this, the oxygen-rich metal oxide of the present invention has an oxygen adsorption rate of 0.6 wt% / min or more when the oxygen adsorption amount is changed from 0.4 wt% to 0.9 wt% under the present test conditions. I understand. At the same time, the oxygen-rich metal oxide of the present invention exhibits an oxygen adsorption capacity of 1.5 wt% or more, more preferably 1.7 wt% or more even if oxygen is repeatedly absorbed and desorbed under the present test conditions. It can be seen that it is.

本発明の酸素過剰型金属酸化物は、酸素吸脱着能力に優れ、酸素吸脱着速度が非常に高く、その上さらに繰り返し使用時の耐久性が高いため、繰り返しの使用サイクルが要求される酸素貯蔵用、酸素濃縮用、酸素分離用又は酸素選択膜用の実用化材料として、広く且つ有効に利用可能である。また、従来と比べて酸素吸脱着能力が高められているので、これらの用途における小型化及び省エネルギー化にも資する。また酸素吸着量の維持率にも優れ、かつ本発明の再生方法により、酸素過剰型金属酸化物の酸素吸脱着能力を容易に再生することができるため、酸素過剰型金属酸化物のロングライフ化が図られ、経済性が殊に高められる。さらに、比較的に低温域で作動する材料であることから、燃料電池や自動車の排ガス浄化装置の三元触媒等、寒冷地用の実用化材料としても殊に有用である。 The oxygen-rich metal oxide of the present invention has excellent oxygen absorption / desorption ability, an extremely high oxygen absorption / desorption rate, and further high durability during repeated use, so that oxygen storage that requires repeated use cycles is required. It can be widely and effectively used as a practical material for oxygen concentration, oxygen separation, or oxygen selective membrane. In addition, since the oxygen absorption / desorption ability is enhanced as compared with the conventional case, it also contributes to miniaturization and energy saving in these applications. In addition, the retention rate of the amount of oxygen adsorbed is excellent, and the regeneration method of the present invention can easily regenerate the oxygen adsorption / desorption ability of the oxygen-excessive metal oxide, so that the oxygen-excessive metal oxide has a longer life. Is achieved, and economic efficiency is particularly enhanced. Further, since it is a material that operates in a relatively low temperature range, it is particularly useful as a practical material for cold regions such as a fuel cell and a three-way catalyst for an exhaust gas purification device of an automobile.

Claims (13)

下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを有し、昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、酸素過剰型金属酸化物。
The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ・ ・ ・ (1)
(In the formula, A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca.
D is one or more selected from alkaline earth metal elements, and is
E and G are each independently selected from one or more of the oxygen 4-coordinating elements, and at least one is a transition metal element.
j> 0 and k> 0, respectively, and m ≧ 0 and n ≧ 0, respectively, where j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )
It has a stoichiometry represented by, and the total amount of carbon dioxide desorbed from room temperature to 1000 ° C. in the temperature desorption method at a heating rate of 40 ° C./min is less than 450 μmol / g. Type metal oxide.
前記一般式(1)中のAがYを含む、
請求項1に記載の酸素過剰型金属酸化物。
A in the general formula (1) includes Y.
The oxygen-rich metal oxide according to claim 1.
前記一般式(1)中のDがBaを含む、
請求項1又は2に記載の酸素過剰型金属酸化物。
D in the general formula (1) includes Ba.
The oxygen-rich metal oxide according to claim 1 or 2.
前記一般式(1)中のEがCoを含む、
請求項1~3のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。
E in the general formula (1) contains Co,
The oxygen-rich metal oxide according to any one of claims 1 to 3.
粉末X線回折測定において、下記(a)~(d)のすべてを有する回折パターンで特徴付けられるLuBa(Zn,Al)型の結晶構造を有し、
(a)110のピーク
(b)103のピーク
(c)112のピーク
(d)201のピーク
昇温速度40℃/分の昇温脱離法における室温から1000℃での二酸化炭素の脱離量の合計が、450μmol/g未満である、
酸素過剰型金属酸化物。
In powder X-ray diffraction measurement, it has a LuBa (Zn, Al) 4O7 type crystal structure characterized by a diffraction pattern having all of the following (a) to (d).
(A) 110 peaks (b) 103 peaks (c) 112 peaks (d) 201 peaks Desorption amount of carbon dioxide from room temperature to 1000 ° C. in the temperature rise desorption method at a heating rate of 40 ° C./min. Is less than 450 μmol / g,
Oxygen-rich metal oxide.
前記酸素過剰型金属酸化物の前駆体を酸素分圧10kPa以下で、700℃以上、950℃未満、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満で加熱処理して得られる、
請求項1~5のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物。
The precursor of the excess oxygen type metal oxide is heat-treated at an oxygen partial pressure of 10 kPa or less, at 700 ° C. or higher and lower than 950 ° C., and at a carbon dioxide concentration of less than 0.01 vol% in the atmosphere gas in the furnace immediately before the start of temperature reduction. can get,
The oxygen-rich metal oxide according to any one of claims 1 to 5.
請求項1~6のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用いた
酸素吸脱着装置。
The oxygen absorption / desorption device using the oxygen-excessive metal oxide according to any one of claims 1 to 6.
350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる
請求項7に記載の酸素吸脱着装置。
The oxygen absorption / desorption device according to claim 7, wherein oxygen is adsorbed on the oxygen-excessive metal oxide at a temperature lower than 350 ° C., and oxygen is released from the oxygen-excessive metal oxide at 350 ° C. or higher.
200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させる
請求項7に記載の酸素吸脱着装置。
A claim that oxygen is adsorbed on the oxygen-rich metal oxide in the presence of oxygen at 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and oxygen is released from the oxygen-rich metal oxide under a pressure at which the oxygen partial pressure is lower than that at the time of oxygen adsorption. Item 7. The oxygen suction / desorption device according to Item 7.
請求項1~6のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、
350℃未満で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、350℃以上で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する
酸素濃縮装置。
Using the oxygen-rich metal oxide according to any one of claims 1 to 6,
An oxygen concentrator that concentrates oxygen by adsorbing oxygen to the oxygen-rich metal oxide at a temperature lower than 350 ° C. and releasing oxygen from the oxygen-rich metal oxide at 350 ° C. or higher.
請求項1~6のいずれか一項に記載の酸素過剰型金属酸化物を用い、
200℃以上400℃以下において、酸素存在下で前記酸素過剰型金属酸化物に酸素を吸着させ、酸素吸着時より酸素分圧が低い圧力下で前記酸素過剰型金属酸化物から酸素を放出させることにより、酸素を濃縮する
酸素濃縮装置。
Using the oxygen-rich metal oxide according to any one of claims 1 to 6,
At 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, oxygen is adsorbed on the oxygen-rich metal oxide in the presence of oxygen, and oxygen is released from the oxygen-rich metal oxide under a pressure at which the oxygen partial pressure is lower than that at the time of oxygen adsorption. An oxygen concentrator that concentrates oxygen by means of.
下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを有する酸素過剰型金属酸化物の前駆体を酸素分圧10kPa以下で、700℃以上、950℃未満、降温開始直前の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素濃度が0.01vol%未満で加熱処理することを特徴とする
酸素過剰型金属酸化物の製造方法。
The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ・ ・ ・ (1)
(During the ceremony,
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca.
D is one or more selected from alkaline earth metal elements, and is
E and G are each independently selected from one or more of the oxygen 4-coordinating elements, and at least one is a transition metal element.
j> 0 and k> 0, respectively, and m ≧ 0 and n ≧ 0, respectively, where j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )
The precursor of the oxygen-excessive metal oxide having stoichiometry represented by is oxygen partial pressure of 10 kPa or less, 700 ° C. or higher, less than 950 ° C., and the carbon dioxide concentration in the atmosphere gas in the furnace immediately before the start of temperature lowering is 0. A method for producing an oxygen-rich metal oxide, which comprises heat-treating at less than 01 vol%.
下記一般式(1):
j k m n 7+δ ・・・(1)
(式中、
Aは、3価の希土類元素及びCaよりなる群から選択される1種又は2種以上であり、
Dは、アルカリ土類金属元素から選択される1種又は2種以上であり、
E及びGは、それぞれ独立して、酸素4配位元素から選択される1種又は2種以上であって、少なくとも1種は遷移金属元素であり、
j>0、k>0であり、それぞれ独立して、m≧0、n≧0であり、但し、j+k+m+n=6であり、0<δ≦1.5である。)
で表されるストイキオメトリを有する酸素過剰型金属酸化物を、酸素分圧10kPa以下で、400℃以上、950℃未満で加熱することを特徴とする、
酸素過剰型金属酸化物の再生方法。
The following general formula (1):
A j D k E m G n O 7 + δ・ ・ ・ (1)
(During the ceremony,
A is one or more selected from the group consisting of trivalent rare earth elements and Ca.
D is one or more selected from alkaline earth metal elements, and is
E and G are each independently selected from one or more of the oxygen 4-coordinating elements, and at least one is a transition metal element.
j> 0 and k> 0, respectively, and m ≧ 0 and n ≧ 0, respectively, where j + k + m + n = 6 and 0 <δ ≦ 1.5. )
The oxygen-excessive metal oxide having the stoichiometry represented by the above is heated at an oxygen partial pressure of 10 kPa or less, 400 ° C. or higher, and lower than 950 ° C.
A method for regenerating an oxygen-rich metal oxide.
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