JP2022113162A5 - - Google Patents

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JP2022113162A5
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本発明は、水を分解して分子状の酸素と水素を製造する電極及び装置に関する。より具体的には、芳香族アミン高分子を水から酸素を発生する酸化触媒(以下、「水酸化・酸素発生触媒」と記載)として、該芳香族アミン高分子備えた導電薄板や導電不織布からなる電極を水酸化物イオン含有水に浸漬し、電圧を印加及び/又は光照射することにより酸素を製造する装置、並びに、ポリアリーレンビニレンを水から水素を発生する還元触媒(以下、「水還元・水素発生触媒」と記載)として、該ポリアリーレンビニレンを備えた導電薄板や導電不織布からなる電極を水素イオン含有水に浸漬し、電圧印加により水素を製造する装置、並びに、上記水酸化・酸素発生触媒を備えた電極と、水還元・水素発生触媒を備えた電極を組み合せ、電解質水溶液に浸漬し、電圧印加及び/又は水酸化・酸素発生触媒に光照射により、酸素と水素を製造する装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode and apparatus for splitting water to produce molecular oxygen and hydrogen. More specifically, a conductive thin plate or a conductive non-woven fabric comprising an aromatic amine polymer as an oxidation catalyst for generating oxygen from water (hereinafter referred to as "hydroxylation/oxygen generating catalyst"). A device for producing oxygen by immersing an electrode consisting of an electrode in hydroxide ion-containing water, applying a voltage and / or irradiating with light, and a reduction catalyst for generating hydrogen from water with polyarylene vinylene (hereinafter referred to as "water As a reduction/hydrogen generation catalyst"), an electrode made of a conductive thin plate or conductive nonwoven fabric containing the polyarylene vinylene is immersed in hydrogen ion-containing water, and a device for producing hydrogen by applying voltage, and the above hydroxylation / An electrode equipped with an oxygen generation catalyst and an electrode equipped with a water reduction/hydrogen generation catalyst are combined, immersed in an aqueous electrolyte solution, and oxygen and hydrogen are produced by applying voltage and/or irradiating the hydroxylation/oxygen generation catalyst with light. Regarding the device .

分子状の酸素は、エポキシ化など石油化学品の酸化製造工程、燃焼効率の向上、好気微生物による廃水処理、養魚など水産業、また呼吸不全の医療など、幅広く利用され、不可欠かつ、最も生産・使用量の多い汎用化学品である。分子状酸素は、大規模には空気の深冷蒸留法、中・小規模には空気の圧力スウィング分離法や膜分離法により、製造されている。一方、分子状の水素はアンモニア合成、石油精製、製鉄などにおいて幅広く工業利用されるばかりでなく、燃焼しても水しか排出しないことから、クリーンなエネルギー源や燃料電池の燃料としても実用されている。分子状水素は現在主にメタンの水蒸気改質、石炭ガス化など大規模設備で製造されているが、近い将来には化石資源に依存しない、二酸化炭素排出無い水素製造法が求められている。すなわち環境適合し、かつ使用現場オン・サイトでの製造法として、水の分解による効率高い酸素及び水素の製造法に強い要望がある。 Molecular oxygen is widely used in the oxidative manufacturing process of petrochemicals such as epoxidation, improving combustion efficiency, wastewater treatment with aerobic microorganisms, fisheries such as fish farming, and medical care for respiratory failure.・It is a general-purpose chemical that is used in large amounts. Molecular oxygen is produced by the cryogenic distillation method of air on a large scale, and by the pressure swing separation method and membrane separation method of air on a medium and small scale. On the other hand, molecular hydrogen is not only widely used industrially in ammonia synthesis, petroleum refining, steelmaking, etc., but it is also practically used as a clean energy source and fuel for fuel cells because it emits only water when burned. there is Molecular hydrogen is currently produced mainly in large-scale facilities such as steam reforming of methane and coal gasification, but in the near future , hydrogen production methods that do not rely on fossil resources and do not emit carbon dioxide will be required. . That is, there is a strong demand for a highly efficient method for producing oxygen and hydrogen by splitting water as an environmentally friendly and on - site production method.

このような酸素及び水素の製造法の一つとして、水の電気分解法がある。特に風力や太陽光発電による余剰電力を、水分解による水素の燃料としての貯蔵・平準化利用と、同時発生する酸素のオンサイトでの活用は要請高い技術である。水電解法にはプロトン交換高分子膜を用いた酸性での水電解とアルカリ水分解が実施されているが、いずれにおいても電解に要する過電圧が低いとはいえず、電力消費がより少なく、かつより安価で耐久性の高い電極触媒のさらなる開発が産業上強く望まれている。なお、水還元・水素発生に用いる触媒及びその電極は、白金及び白金族触媒、ニッケルや遷移金属触媒をはじめ実用・開発研究は極めて多いが、同反応を補完する水酸化・酸素発生触媒及びその電極は、最近になって開発の進展が著しい金属空気電池の電極触媒とあわせ極めて重要な開発分野である。 One method for producing such oxygen and hydrogen is the electrolysis of water. In particular, there is a high demand for the storage and leveling use of surplus power generated by wind power and solar power generation as hydrogen fuel by water decomposition and the on-site utilization of simultaneously generated oxygen. In the water electrolysis method, acid water electrolysis and alkaline water decomposition using a proton exchange polymer membrane are implemented. There is a strong industrial demand for further development of inexpensive and highly durable electrode catalysts. The catalysts and their electrodes used for water reduction and hydrogen generation include platinum and platinum group catalysts, nickel and transition metal catalysts, and there are many practical and developmental research projects. Electrodes are an extremely important development field together with electrode catalysts for metal-air batteries , which have recently been remarkably developed.

水電解に供する水酸化・酸素発生触媒として現在は、酸化ルテリウム、酸化イリジウムなど貴金族酸化物が代表例であり、さらに、酸化マンガン、酸化コバルト、鉄ニッケル酸化物などスピネル型、ペロブスカイト型や岩塩型構造の金属酸化物などが開発され(非特許文献1)ている。また天然の光合成反応における酸素発生触媒であるマンガンの多核錯体での基礎研究(非特許文献2)とあわせ、数多くの金属酸化物・錯体が開発研究されている。これらは水2分子の4電子酸化によって、酸素1分子と4プロトンが生成する反応の触媒として作用するが、水中、特に酸性又はアルカリ性の水溶液中で既知の触媒の安定性は必ずしも高くない。 Currently, noble metal oxides such as rutherium oxide and iridium oxide are typical examples of catalysts for generating hydroxide and oxygen for water electrolysis. A metal oxide having a rock salt structure has been developed (Non-Patent Document 1) . In addition to basic research on polynuclear complexes of manganese, which are catalysts for generating oxygen in natural photosynthetic reactions (Non-Patent Document 2), many metal oxides and complexes have been developed and researched. They act as catalysts for the four-electron oxidation of two water molecules to form one oxygen molecule and four protons, but the known catalysts are not always stable in water, especially in acidic or alkaline aqueous solutions.

しかも、これら触媒から成る電極に電圧を印加して水を電解するに要する過電圧は0.3ないし0.6Vと低くはなく、また酸素発生速度は電極形状の工夫により面積当たり増大が計られているものの、触媒そのものによる電流密度は0.1ないし数mA/cm 2 であり、より高い触媒性能が求められている。なお、金属を含まない同触媒としては、グラフェン、窒素ドープカーボン、窒化カーボンなどの炭素系材料が検討されているが、高い触媒活性また電極としての成形・安定性には到っていない(非特許文献3)。 Moreover, the overvoltage required to electrolyze water by applying a voltage to electrodes made of these catalysts is not low at 0.3 to 0.6 V, and the rate of oxygen generation has been increased per area by devising the shape of the electrodes. The current density of the catalyst itself is 0.1 to several mA/cm 2 , and higher catalytic performance is required. Carbon-based materials such as graphene, nitrogen-doped carbon, and carbon nitride have been investigated as catalysts that do not contain metals, but they have not yet achieved high catalytic activity and molding/stability as electrodes (non-metal-containing materials). Patent document 3).

これに対して、「有機高分子を酸化触媒として水から酸素を発生する方法」は、未知の触媒機能や成形能及び耐久性が期待されるものの、その報告は少ない。カーボン不織布に含浸し形成したポリイミドを電極として、pH13水溶液に浸漬し、1.7V(対、可逆水素電極)の印加により、電流密度数mA/cm 2 での酸素発生が報告されているのが、数少ない例である(非特許文献4)。 On the other hand, "a method of generating oxygen from water using an organic polymer as an oxidation catalyst" is expected to have an unknown catalytic function, moldability and durability, but there are few reports on it. It has been reported that oxygen is generated at a current density of several mA/cm 2 by immersing polyimide formed by impregnating carbon nonwoven fabric in an aqueous solution of pH 13 and applying 1.7 V (vs. reversible hydrogen electrode) as an electrode. , are a few examples (Non-Patent Document 4).

一方、水電解に供する水還元・水素発生電極として従来は、白金を代表として、他にパラジウム、イリジウムなどの貴金属や、性能劣るものの比較的安価なニッケル又はニッケル/コバルト/鉄合金などが実用されている。酸性電解による腐食、酸蒸気を回避できるアルカリ電解に適用しうる遷移金属触媒の開発研究も多い(非特許文献5)。なお、金属を含まない同触媒としては、窒素ドープカーボンなど炭素系材料が検討されているが、触媒活性は高くない(非特許文献6)。そこで、資源の制約が無くより廉価で耐久性の高い触媒材料が望まれている。 On the other hand, as a water reduction/hydrogen generation electrode for water electrolysis, platinum has been used as a representative, but other precious metals such as palladium and iridium, as well as relatively inexpensive nickel or nickel/cobalt/iron alloys, which have inferior performance, have been put to practical use. It is There are many development studies of transition metal catalysts that can be applied to alkaline electrolysis that can avoid corrosion and acidic vapor due to acid electrolysis (Non-Patent Document 5). Carbon-based materials such as nitrogen-doped carbon have been studied as metal-free catalysts, but their catalytic activity is not high (Non-Patent Document 6). Therefore, there is a demand for a less expensive and highly durable catalyst material that is free from resource constraints.

本発明者らは永年に亘り、酸化還元能もつ有機芳香族高分子とその機能について研究を積み重ねてきている(非特許文献7、8)。また最近、導電板上に形成したチオフェン高分子の薄層が、水の光電気化学的分解と水素発生に作用することを報告した(非特許文献9、10、及び特許文献1)。 The present inventors have been studying organic aromatic polymers with oxidation-reduction ability and their functions for many years (Non-Patent Documents 7 and 8). Also, recently, it was reported that a thin layer of thiophene polymer formed on a conductive plate acts on photoelectrochemical decomposition of water and hydrogen generation (Non-Patent Documents 9, 10, and Patent Document 1).

西出宏之、他、「水素の製造方法」、特願2020-065878.Hiroyuki Nishide, et al., "Method for producing hydrogen", Patent application 2020-065878.

Suen, N-T., et al. Chem. Soc. Rev. 46, 337-365(2017).Suen, N-T., et al. Chem. Soc. Rev. 46, 337-365(2017). Park, S., et al. Energy Environ. Sci. 13, 2310-2340 (2020).Park, S., et al. Energy Environ. Sci. 13, 2310-2340 (2020). Zhao, Y. et al. Nat. Commun. 4, 2390(2013).Zhao, Y. et al. Nat. Commun. 4, 2390(2013). Lin, Y. et al. Angew. Chem. 57, 12563-12566(2018).Lin, Y. et al. Angew. Chem. 57, 12563-12566(2018). Mahmood, N., et al. Adv. Sci. 5, 1700464(2018).Mahmood, N., et al. Adv. Sci. 5, 1700464(2018). Hu, C., et al. Energy Environ. Sci. (2019).Hu, C., et al. Energy Environ. Sci. (2019). Oyaizu, K., Nishide, H. Handbook of Conjugated Polymers, CRC Press, 587-594(2019).Oyaizu, K., Nishide, H. Handbook of Conjugated Polymers, CRC Press, 587-594(2019). Oka, K., Nishide, H. Redox Polymer for Energy and Nanomedicine, Royal Soc. Chem. 137-165(2020).Oka, K., Nishide, H. Redox Polymer for Energy and Nanomedicine, Royal Soc. Chem. 137-165(2020). Oka, K. et al. Energy Environ. Sci. 11, 1335-1342(2018).Oka, K. et al. Energy Environ. Sci. 11, 1335-1342(2018). Oka, K. et al. Adv. Energy Mater. 9, 1803286(2019).Oka, K. et al. Adv. Energy Mater. 9, 1803286(2019).

耐久性高く、廉価で、薄層塗布はじめ多様な成形性がある特定の芳香族高分子を、水酸化及び水還元の触媒として電極を作製し、水に浸漬し、極めて低い過電圧の印加により、及び水酸化触媒電極への光照射によりさらに、生成速度高く水から酸素又は水素を各々、或いは両者を製造することができる技術を提供することを課題とする。 A specific aromatic polymer with high durability, low cost, and various moldability including thin layer coating is used as a catalyst for hydroxylation and water reduction to create an electrode. It is also an object of the present invention to provide a technique capable of producing oxygen or hydrogen, or both, from water at a high production rate by irradiating a hydroxylated catalyst electrode with light.

上記の本発明者らが国内外で先駆ける、酸化還元能もつ有機芳香族高分子、光電気化学、及び水分解の化学の知見と実験手法をもとに(非特許文献8~10)、一連の芳香族高分子を幅広く探索し、水から効率分子状の酸素と水素の簡便な製造方法の開発に向け鋭意研究を重ねた。その結果、芳香族アミン高分子が水から酸素を発生する酸化触媒として、ポリアリーレンビニレンが水から水素を発生する還元触媒として作動するという本発明者らの発見を基に、両触媒から作製した導電薄板や導電不織布を電極として、わずかな過電圧の印加及び/又は水酸化・酸素発生電極に光照射することにより、酸素と水素を各々、及び両者共に、生成速度高く製造できる本発明を完成させた。芳香族アミン高分子及びポリアリーレンビニレンは有機高分子として、(1)資源制約なしに廉価で入手でき、(2)広いpH範囲の水中での化学的な耐久性も極めて高い、(3)各種集電基板の表面に薄層で触媒として接着性高く被覆でき、機械的にも強靭であり、(4)電極をフィルム状、蛇腹状、ファイバー状に成形でき、また(5)生成してくる酸素および水素気泡の付着による反応停止を、高分子層の親疎水性や表面凸凹など分子設計により制御しうる、など独特の利点も供する。 Based on the knowledge and experimental techniques of organic aromatic polymers with oxidation-reduction ability, photoelectrochemistry, and water-splitting chemistry, which the present inventors have pioneered in Japan and overseas (Non-Patent Documents 8-10), a series of We explored a wide range of aromatic polymers, and conducted intensive research to develop a simple and highly efficient method for producing molecular oxygen and hydrogen from water. As a result, based on the discovery by the present inventors that the aromatic amine polymer acts as an oxidation catalyst for generating oxygen from water, and the polyarylenevinylene acts as a reduction catalyst for generating hydrogen from water, a catalyst was prepared from both catalysts. By using a conductive thin plate or a conductive non-woven fabric as an electrode, applying a slight overvoltage and/or irradiating the hydroxyl/oxygen generating electrode with light, we have completed the present invention that can produce both oxygen and hydrogen at a high production rate. rice field. Aromatic amine polymers and polyarylenevinylenes are organic polymers that (1) can be obtained at low cost without resource constraints, (2) have extremely high chemical durability in water over a wide pH range, and (3) have various properties. It can be coated with a thin layer on the surface of the collector substrate with high adhesion as a catalyst, and is mechanically tough. It also offers unique advantages such as the ability to control reaction termination due to the adhesion of oxygen and hydrogen bubbles by molecular design, such as the hydrophilicity and hydrophobicity of the polymer layer and surface roughness.

具体的には、本発明は、芳香族アミン高分子を水から分子状の酸素を発生する酸化触媒として成る電極、及び/又はポリアリーレンビニレンを水から水素を発生する還元触媒として成る電極を用いることを特徴とし、これら電極を対となる既存の水素発生電極又は酸素発生電極と組み合せ、又は、これらの電極同士を組み合せて、水酸化イオン含有水に浸漬し、電圧印加及び/又は酸素発生触媒電極に光照射することも特徴とする、分子状の酸素及び水素の製造方法を提供する。 Specifically, the present invention uses an electrode comprising an aromatic amine polymer as an oxidation catalyst for generating molecular oxygen from water and/or an electrode comprising polyarylenevinylene as a reduction catalyst for generating hydrogen from water. characterized by combining these electrodes with an existing hydrogen generating electrode or oxygen generating electrode that forms a pair, or combining these electrodes with each other, immersing them in hydroxide ion-containing water, applying voltage and / or oxygen generating catalyst Provided is a method for producing molecular oxygen and hydrogen, which is also characterized by irradiating an electrode with light.

また、本発明は、芳香族アミン高分子の代表例であるポリ(トリフェニルアミン)類を得るに際し、出発物であるトリフェニルアミン類を導電薄板や導電不織布上に塗布し、ヨウ素蒸気に曝す、又はトリフェニルアミン類の溶液にヨウ素を加える、酸化重合反応である、ポリ(トリフェニルアミン)類の合成方法も提供する。 In addition, the present invention provides poly(triphenylamine)s, which are representative examples of aromatic amine polymers, by coating the starting triphenylamines on a conductive thin plate or conductive nonwoven fabric and exposing them to iodine vapor. , or addition of iodine to a solution of triphenylamines, which is an oxidative polymerization reaction.

より具体的には、本発明は、芳香族アミン高分子を水の酸化による酸素発生触媒(以下、「水酸化・酸素発生触媒」と記載)として、及び、ポリアリーレンビニレン又はその誘導体を水の還元による水素発生触媒(以下、「水還元・水素発生触媒」と記載)として、これらを水に浸漬し、前記水酸化・酸素発生触媒と前記水還元・水素発生触媒とを導電線で連結し、電圧印加及び/又は水酸化・酸素発生触媒への光照射により、水から酸素と水素を製造する方法を提供する。 More specifically, the present invention uses an aromatic amine polymer as a catalyst for generating oxygen by oxidation of water (hereinafter referred to as a "catalyst for hydroxylation/oxygen generation"), and polyarylene vinylene or a derivative thereof as a catalyst for generating oxygen by oxidizing water. As a hydrogen generation catalyst by reduction (hereinafter referred to as "water reduction/hydrogen generation catalyst"), these are immersed in water, and the hydroxylation/oxygen generation catalyst and the water reduction/hydrogen generation catalyst are connected with a conductive wire. , a method for producing oxygen and hydrogen from water by applying a voltage and/or irradiating a hydroxylated/oxygen generating catalyst with light.

本発明の水から酸素と水素を製造する方法、電極及び装置において、前記芳香族アミン高分子が、下記式(I)で表される酸素と水素を製造する場合がある:

Figure 2022113162000006
(式中、
nは整数を表し、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、無いか、又はフルオレン基を表す)。 In the method , electrode, and apparatus for producing oxygen and hydrogen from water of the present invention, the aromatic amine polymer may produce oxygen and hydrogen represented by the following formula (I):
Figure 2022113162000006
(In the formula,
n represents an integer,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X is absent or represents a fluorene group).

本発明の水から酸素と水素を製造する方法、電極及び装置において、前記ポリアリーレンビニレンが下記式(II)で表わされるポリ(フェニレンビニレン)類である酸素と水素を製造する場合がある:

Figure 2022113162000007
(式中、
nは、整数を表し、
R1及びR2は、それぞれ同一又は異なって、アルキル基を表す)。 In the method , electrode, and apparatus for producing oxygen and hydrogen from water of the present invention, oxygen and hydrogen may be produced in which the polyarylene vinylene is a poly(phenylene vinylene) represented by the following formula (II):
Figure 2022113162000007
(In the formula,
n represents an integer,
R1 and R2 are the same or different and represent an alkyl group).

また、本発明は、芳香族アミン高分子を水の酸化による酸素発生触媒(以下、「水酸化酸素発生触媒」と記載)として水に浸漬し、電圧印加及び/又は光照射により、酸素を製造する方法、電極及び装置を提供する。 Further, in the present invention, an aromatic amine polymer is immersed in water as a catalyst for generating oxygen by oxidation of water (hereinafter referred to as "oxygen hydroxide generating catalyst"), and by applying voltage and/or light irradiation, oxygen is produced. Provided are methods , electrodes and apparatus for

また、本発明は、前記酸素と水素を製造する方法、電極及び装置、及び、前記酸素を製造する方法で使用される水酸化・酸素発生触媒であって、前記芳香族アミン高分子が、下記式(III)で表されるポリ(トリフェニルアミン)類である水酸化・酸素発生触媒を提供する:

Figure 2022113162000008
(式中、
nは整数を表し、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、無いか、又はフルオレン基を表す)。 The present invention also provides the method, electrode and apparatus for producing oxygen and hydrogen, and the catalyst for hydroxylation and oxygen generation used in the method for producing oxygen, wherein the aromatic amine polymer comprises the following Provided is a hydroxylation/oxygen evolution catalyst which is a poly(triphenylamine) represented by formula (III):
Figure 2022113162000008
(In the formula,
n represents an integer,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X is absent or represents a fluorene group).

また、本発明は、前記水酸化・酸素発生触媒の製造方法であって、下記式(IV)で表されるトリフェニルアミン類を導電薄板や導電不織布上に塗布して、ヨウ素蒸気に曝す、又はトリフェニルアミン類の溶液にヨウ素を加える、酸化重合反応で前記ポリ(トリフェニルアミン)類を得る製造方法を提供する:

Figure 2022113162000009
(式中、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、-H、又はフルオレン基を表す)。 The present invention also provides a method for producing the above-described catalyst for generating hydroxylation and oxygen, wherein a triphenylamine compound represented by the following formula (IV) is applied to a conductive thin plate or conductive nonwoven fabric, and exposed to iodine vapor. Alternatively, iodine is added to a solution of triphenylamines to provide a production method for obtaining the poly(triphenylamines) by an oxidative polymerization reaction:
Figure 2022113162000009
(In the formula,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X represents -H or a fluorene group).

本発明の水酸化・酸素発生触媒の製造方法において、芳香族アミン高分子の薄層を導電薄板や導電不織布上に形成、又は芳香族アミン高分子と導電助剤から成る薄板として形成する場合がある。 In the method for producing a hydroxylation/oxygen generating catalyst of the present invention, a thin layer of an aromatic amine polymer may be formed on a conductive thin plate or conductive nonwoven fabric, or may be formed as a thin plate composed of an aromatic amine polymer and a conductive aid. be.

さらに、本発明は、ポリアリーレンビニレン又はその誘導体を、水の還元による水素発生触媒(以下、「水還元・水素発生触媒」と記載)として、水に浸漬し、電圧印加により、水素を製造する方法を提供する。 Furthermore, in the present invention, polyarylene vinylene or a derivative thereof is immersed in water as a hydrogen generation catalyst by water reduction (hereinafter referred to as "water reduction/hydrogen generation catalyst"), and voltage is applied to produce hydrogen. provide a way.

また、本発明は、前記酸素と水素を製造する方法及び前記水素を製造する方法で使用される水還元・水素発生触媒であって、前記ポリアリーレンビニレンが下記式(V)で表わされるポリ(フェニレンビニレン)類であることを特徴とする、水還元・水素発生触媒を提供する:

Figure 2022113162000010
(式中、
nは、整数を表し、
R1及びR2は、それぞれ同一又は異なって、アルキル基を表す)。 The present invention also provides a water reduction/hydrogen generation catalyst used in the method for producing oxygen and hydrogen and the method for producing hydrogen, wherein the polyarylene vinylene is a poly( Provided is a water reduction/hydrogen generation catalyst characterized by being a phenylene vinylene):
Figure 2022113162000010
(In the formula,
n represents an integer,
R1 and R2 are the same or different and represent an alkyl group).

また、本発明は、前記水還元・水素発生触媒の製造方法であって、ポリアリーレンビニレン若しくはその誘導体の薄層を導電薄板や導電不織布上に形成、又は、ポリアリーレンビニレン若しくはその誘導体と導電助剤から成る薄板として形成する水還元・水素発生触媒の製造方法を提供する。 The present invention also provides a method for producing the water reduction/hydrogen generation catalyst, wherein a thin layer of polyarylene vinylene or a derivative thereof is formed on a conductive thin plate or a conductive nonwoven fabric, or polyarylene vinylene or a derivative thereof and a conductive agent are formed. Provided is a method for producing a water reduction/hydrogen generation catalyst formed as a thin plate comprising an agent.

本発明により、新規で簡便、環境適合かつ水の分解速度が高い、酸素及び/又は水素の製造技術を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a novel technology for producing oxygen and/or hydrogen that is simple, environmentally friendly, and has a high water decomposition rate.

水酸化・酸素発生触媒から形成される導電板と、水還元・水素発生触媒から形成される導電板を、水中に設置し、両者を導線で連結して構成される簡便な反応槽を表す(片方を白金コイルなどで実施する場合も含まれる)。A simple reaction vessel constructed by placing a conductive plate formed from a hydroxylation/oxygen generating catalyst and a conductive plate formed from a water reduction/hydrogen generating catalyst in water and connecting the two with a lead wire ( This includes the case where one side is implemented with a platinum coil, etc.).

1.酸素及び/又は水素の製造方法
本発明の実施形態の1つは、水を分解して酸素及び/又は水素を製造する方法である。
1. Method for Producing Oxygen and/or Hydrogen One of the embodiments of the present invention is a method for producing oxygen and/or hydrogen by decomposing water.

より具体的には、酸素及び水素を製造する方法は、芳香族アミン高分子に代表される水酸化・酸素発生触媒と、水から水素を発生するポリアリーレンビニレンに代表される水還元触媒を導電線で連結するなど組み合せ、電圧印加及び/又は水酸化・酸素発生触媒への光照射により、水から酸素と水素を製造する方法である。 More specifically, the method for producing oxygen and hydrogen comprises conducting a hydroxylation/oxygen generation catalyst typified by an aromatic amine polymer and a water reduction catalyst typified by polyarylenevinylene that generates hydrogen from water. It is a method of producing oxygen and hydrogen from water by combining with a wire, applying voltage and/or irradiating a hydroxylated/oxygen generating catalyst with light.

図1を参照しながら酸素及び水素を製造する方法、電極及び装置を説明する。水酸化・酸素発生触媒から成る導電板を設置した左区画の分室で酸素ガスが発生し、水還元・水素発生触媒から成る導電板を設置した右区画の分室では水素ガスが発生する。両分室は下部で互に開口しており、供せられた水は共通で使用される。水酸化と水還元の両反応は互に補償しており、必要に応じた電圧が印加される。また水酸化・酸素発生触媒への光照射により、電圧印加は軽減される。 A method , electrodes and apparatus for producing oxygen and hydrogen will be described with reference to FIG. Oxygen gas is generated in the left compartment in which a conductive plate comprising a hydroxylation/oxygen generating catalyst is installed, and hydrogen gas is generated in the right compartment in which a conductive plate comprising a water reduction/hydrogen generating catalyst is installed. Both compartments are open to each other at the bottom, and the provided water is used in common. Both the hydroxylation and water reduction reactions are mutually compensating and voltages are applied as required. In addition, the application of voltage is reduced by irradiating the hydroxylated/oxygen generating catalyst with light.

また、酸素を製造する方法は、芳香族アミン高分子に代表される水酸化・酸素発生触媒を用い、電圧印加及び/又は水酸化・酸素発生触媒への光照射により、水から酸素を製造する方法である。 In addition, a method for producing oxygen uses a hydroxylation/oxygen generating catalyst typified by an aromatic amine polymer, and produces oxygen from water by applying voltage and/or irradiating the hydroxylating/oxygen generating catalyst with light. The method.

また、水素を製造する方法は、水から水素を発生するポリアリーレンビニレンに代表される水還元触媒を用い、電圧印加により、水から水素を製造する方法である。 Further, the method for producing hydrogen is a method for producing hydrogen from water by applying a voltage using a water reduction catalyst represented by polyarylenevinylene that generates hydrogen from water.

以下に、より詳細に説明する。 A more detailed description is provided below.

(1) 水酸化・酸素発生触媒となる芳香族アミン高分子
ホール輸送能をもつ高分子材料として知られ、かつ一部は有機EL、有機トランジスタ、光電変換素子にホール輸送層・フィルムとして実用されている芳香族アミン高分子が、これら乾式素子・デバイスでのホール輸送材としての適用ではなく、湿式で水と接し、水分子を酸化して酸素ガスを発生する触媒として働く、発明者らの発見が本発明の起点となっている。
(1) Aromatic amine polymers that act as catalysts for hydroxylation and oxygen generation They are known as polymer materials with hole transport ability, and some of them are practically used as hole transport layers and films in organic EL, organic transistors, and photoelectric conversion elements. The aromatic amine polymer is not applied as a hole transport material in these dry elements and devices, but is in contact with water in a wet process, and works as a catalyst that oxidizes water molecules to generate oxygen gas. The discovery is the starting point of the present invention.

水酸化・酸素発生触媒となる芳香族アミン高分子としては、下記式Iで表される。

Figure 2022113162000011
(式中、
nは整数を表し、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、無いか、又はフルオレン基を表す)。 The aromatic amine polymer that serves as a hydroxylation/oxygen generation catalyst is represented by Formula I below.
Figure 2022113162000011
(In the formula,
n represents an integer,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X is absent or represents a fluorene group).

式(I)において、「アルキル基」は、C1~C6のアルキル基が好ましく、C1~C3のアルキル基がより好ましく、メチルが最も好ましい。 In formula (I), the "alkyl group" is preferably a C1-C6 alkyl group, more preferably a C1-C3 alkyl group, most preferably methyl.

この芳香族第三級アミンから成る高分子では、第三級アミン自身と、1電子酸化された第四級アンモニウムカチオンラジカル(ホールに相当)が共に、3個の芳香環の共鳴効果と立体保護により化学的に安定であり、カチオンラジカルの電位(0.32V対Ag/AgCl電極)は同条件下の水の酸化電位(0.2-0.3 V)より正(貴)にあり、水の酸化に働くとともに、それ自身は第三級アミンに戻り、繰り返し触媒的に水の酸化に効き得ると考えられる。高分子アミンでは同アミン/アンモニウムカチオンラジカル触媒点が多数密集して存在するため、水の酸化・酸素生成反応に必要な4電子酸化(式1)が可能となると考えられる。
2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e - (1)
In this macromolecule composed of aromatic tertiary amines, both the tertiary amine itself and the one-electron oxidized quaternary ammonium cation radical (corresponding to a hole) interact with the three aromatic rings through resonance effects and steric protection. The potential of cation radicals (0.32 V vs. Ag/AgCl electrode) is more positive (noble) than the oxidation potential of water (0.2-0.3 V) under the same conditions. , itself reverts to a tertiary amine and is thought to be capable of repeatedly catalytically oxidizing water. In polymeric amines, many amine/ammonium cation radical catalyst sites are densely present, so four-electron oxidation (Equation 1), which is necessary for water oxidation and oxygen generation reactions, is thought to be possible.
2H2O → O2 + 4H + + 4e - (1)

さらに芳香族アミン高分子として光吸収係数が高ければ、光照射支援の水分解が可能となる。 Furthermore, if the aromatic amine polymer has a high light absorption coefficient, water decomposition assisted by light irradiation becomes possible.

(2) 水還元・水素発生触媒となるポリアリーレンビニレン及びその誘導体
水還元・水素発生触媒となるポリアリーレンビニレン及びその誘導体としては、下記式(II)で表されるポリマーが挙げられる。

Figure 2022113162000012
(式中、
nは、整数を表し、
R1及びR2は、それぞれ同一又は異なって、アルキル基を表す)。 (2) Polyarylenevinylene and its Derivatives as Water Reduction/Hydrogen Generation Catalysts Polyarylenevinylene and its derivatives as water reduction/hydrogen generation catalysts include polymers represented by the following formula (II).
Figure 2022113162000012
(In the formula,
n represents an integer,
R1 and R2 are the same or different and represent an alkyl group).

式(II)中、アルキル基は、分子状又は直鎖状のC1~C12アルキル基が好ましく、R1が下記式(IIa)又は(IIb)で表される置換基、R2がメチル基がより好ましい。

Figure 2022113162000013
Figure 2022113162000014
In formula (II), the alkyl group is preferably a molecular or linear C1-C12 alkyl group, R1 is a substituent represented by the following formula (IIa) or (IIb), and R2 is more preferably a methyl group. .
Figure 2022113162000013
Figure 2022113162000014

本発明の第2の起点となる発明者らによる発見は、上記のポリアリーレンビニレンのビニレン基が水分子又はプロトンを還元して水素ガスを発生する触媒として働くことにある。ビニレン基は脱水素してエチニレン基に変換され、両者間の変換により2電子還元触媒として働くと考えられる。 The discovery by the inventors, which is the second starting point of the present invention, is that the vinylene group of the polyarylene vinylene acts as a catalyst for reducing water molecules or protons to generate hydrogen gas. The vinylene group is dehydrogenated and converted to an ethynylene group, and the conversion between the two is believed to act as a two-electron reduction catalyst.

(3) 導電基板の作製方法
水酸化・酸素発生触媒は、上記の芳香族アミン高分子の薄層を導電薄板や不織布上に形成し、又は、芳香族アミン高分子と導電助剤から成る薄板として形成される。さらにトリフェニルアミン類を導電薄板や不織布上に塗布して、ヨウ素蒸気に曝す酸化重合反応によってポリ(トリフェニルアミン)類の薄層を得ることによっても形成される。
(3) Manufacturing method of conductive substrate The hydroxylation/oxygen generation catalyst is formed by forming a thin layer of the above aromatic amine polymer on a conductive thin plate or non-woven fabric, or by forming a thin plate consisting of an aromatic amine polymer and a conductive aid. formed as It can also be formed by applying triphenylamines onto a conductive thin plate or non-woven fabric and obtaining a thin layer of poly(triphenylamine)s by an oxidative polymerization reaction in which it is exposed to iodine vapor.

また、水還元・水素発生触媒は、ポリアリーレンビニレンの若しくはその誘導体薄層を導電薄板や不織布上に形成、又は、ポリアリーレンビニレン若しくはその誘導体と導電助剤から成る薄板として形成される。 The water reduction/hydrogen generation catalyst is formed by forming a thin layer of polyarylene vinylene or a derivative thereof on a conductive thin plate or non-woven fabric, or forming a thin plate composed of polyarylene vinylene or a derivative thereof and a conductive aid.

導電薄板としてはグラッシーカーボン、カーボンペーパー、導電性ガラスや導電性プラスチックフィルム、また導電不織布としてはカーボンフェルトなど、導電助剤としてはカーボンファイバー、カーボンナノチューブなどが利用できる。 Glassy carbon, carbon paper, conductive glass or conductive plastic film can be used as the conductive thin plate, carbon felt can be used as the conductive nonwoven fabric, and carbon fiber, carbon nanotube or the like can be used as the conductive aid.

2.水酸化・酸素発生触媒及びその製造方法
本発明の他の実施形態は、芳香族アミン高分子で形成される水酸化・酸素発生触媒及びその製造方法である。
2. Hydroxygenation/oxygen evolution catalyst and its production method Another embodiment of the present invention is a hydroxylation/oxygen evolution catalyst formed of an aromatic amine polymer and a production method thereof.

より具体的には、前記芳香族アミン高分子が、下記式(III)で表されるポリ(トリフェニルアミン)類である水酸化・酸素発生触媒である:

Figure 2022113162000015
(式中、
nは整数を表し、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、無いか、又はフルオレン基を表す)。 More specifically, the aromatic amine polymer is a hydroxylation/oxygen generation catalyst in which poly(triphenylamine)s represented by the following formula (III):
Figure 2022113162000015
(In the formula,
n represents an integer,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X is absent or represents a fluorene group).

水酸化・酸素発生触媒の製造方法は、下記式(IV)で表されるトリフェニルアミン類を導電薄板や導電不織布上に塗布して、ヨウ素蒸気に曝す、又はトリフェニルアミン類の溶液にヨウ素を加える、酸化重合反応で前記ポリ(トリフェニルアミン)類を得ることによって製造できる:

Figure 2022113162000016
(式中、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、-H、又はフルオレン基を表す)。 A method for producing a hydroxylation/oxygen generating catalyst is to coat a triphenylamine compound represented by the following formula (IV) on a conductive thin plate or conductive nonwoven fabric and expose it to iodine vapor, or add iodine to a solution of triphenylamine compounds. can be prepared by adding the oxidative polymerization reaction to obtain the poly(triphenylamine)s:
Figure 2022113162000016
(In the formula,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X represents -H or a fluorene group).

本発明の水酸化・酸素発生触媒の製造方法において、芳香族アミン高分子の薄層を導電薄板や導電不織布上に形成、又は、芳香族アミン高分子と導電助剤から成る薄板として形成することによって、水酸化・酸素発生触媒を製造することができる。 In the method for producing a hydroxylation/oxygen generating catalyst of the present invention, a thin layer of an aromatic amine polymer is formed on a conductive thin plate or a conductive non-woven fabric, or a thin plate composed of an aromatic amine polymer and a conductive aid is formed. A hydroxylation/oxygen generation catalyst can be produced by

導電薄板としてはグラッシーカーボン、カーボンペーパー、導電性ガラスや導電性プラスチックフィルム、また導電不織布としてはカーボンフェルトなど、導電助剤としてはカーボンファイバー、カーボンナノチューブなどが利用できる。 Glassy carbon, carbon paper, conductive glass or conductive plastic film can be used as the conductive thin plate, carbon felt can be used as the conductive nonwoven fabric, and carbon fiber, carbon nanotube or the like can be used as the conductive aid.

本発明の水酸化・酸素発生触媒を用い、水に浸漬し、電圧印加及び/又は水酸化・酸素発生触媒への光照射により、水から酸素を製造することができる。 Oxygen can be produced from water by using the catalyst for generating hydroxylation/oxygen of the present invention, immersing it in water, and applying a voltage and/or irradiating the catalyst for generating hydroxylation/oxygen with light.

3.水還元・水素発生触媒及びその製造方法
本発明の他の実施形態は、水還元・水素発生触媒及びその製造方法である。
3. Water Reduction/Hydrogen Generation Catalyst and Manufacturing Method Thereof Another embodiment of the present invention is a water reduction/hydrogen generation catalyst and a manufacturing method thereof.

本発明の水還元・水素発生触媒は、上記の酸素及び/又は水素を製造する方法で使用される水還元・水素発生触媒であって、前記ポリアリーレンビニレンが下記式(V)で表わされるポリ(フェニレンビニレン)類である水還元・水素発生触媒である:

Figure 2022113162000017
(式中、
nは、整数を表し、
R1及びR2は、それぞれ同一又は異なって、アルキル基を表す)。 The water reduction/hydrogen generation catalyst of the present invention is a water reduction/hydrogen generation catalyst used in the above method for producing oxygen and/or hydrogen, wherein the polyarylene vinylene is a poly(phenylene) represented by the following formula (V). (Phenylene vinylene) is a water reduction/hydrogen generation catalyst:
Figure 2022113162000017
(In the formula,
n represents an integer,
R1 and R2 are the same or different and represent an alkyl group).

本発明の水還元・水素発生触媒の製造方法は、ポリアリーレンビニレン若しくはその誘導体の薄層を導電薄板や導電不織布上に形成、又は、ポリアリーレンビニレン若しくはその誘導体と導電助剤から成る薄板として形成することによって、製造することができる。 In the method for producing a water reduction/hydrogen generation catalyst of the present invention, a thin layer of polyarylene vinylene or a derivative thereof is formed on a conductive thin plate or conductive nonwoven fabric, or formed as a thin plate composed of polyarylene vinylene or a derivative thereof and a conductive aid. It can be manufactured by

導電薄板としてはグラッシーカーボン、カーボンペーパー、導電性ガラスや導電性プラスチックフィルム、また導電不織布としてはカーボンフェルトなど、導電助剤としてはカーボンファイバー、カーボンナノチューブなどが利用できる。 Glassy carbon, carbon paper, conductive glass or conductive plastic film can be used as the conductive thin plate, carbon felt can be used as the conductive nonwoven fabric, and carbon fiber, carbon nanotube or the like can be used as the conductive aid.

本発明の水還元触媒を水中に浸漬し、電圧印加することにより、水から水素を製造するができる。 Hydrogen can be produced from water by immersing the water reduction catalyst of the present invention in water and applying a voltage.

以下、実施例で詳細に説明する。なお、本明細書において言及される全ての文献はその全体が引用により本明細書に取り込まれる。ここに記述される実施例は本発明の実施形態を例示するものであり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。 Examples will be described in detail below. All documents mentioned herein are hereby incorporated by reference in their entirety. The examples described herein are illustrative of embodiments of the invention and should not be construed as limiting the scope of the invention.

<4-ニトロトリフェニルアミン重合体を使用した酸素ガスの製造>
(1) グラッシーカーボン薄板上での4-ニトロトリフェニルアミンのヨウ素蒸気による重合 4-ニトロトリフェニルアミン(東京化成工業株式会社、製品コード:N0831) 100 mgをクロロベンゼン 10 mLに溶解させ、同溶液4 mLを、グラッシーカーボン薄板(ALLIANCE Biosystems Inc.製)5 cm角にスピンコート(3秒間、3000 回転毎分、次いで30秒、3秒間)した。これをベルジャー内に設置し、同じく別シャーレ上に置いたヨウ素 0.5 gとともに密閉して70℃、2時間加熱した。薄板の4-ニトロトリフェニルアミン塗布面を加熱乾燥器内で120℃、2時間アニーリング後、クロロベンゼン50 mLで3回洗浄した。

Figure 2022113162000018
<Production of oxygen gas using 4-nitrotriphenylamine polymer>
(1) Polymerization of 4-nitrotriphenylamine with iodine vapor on a glassy carbon thin plate Dissolve 100 mg of 4-nitrotriphenylamine (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., product code: N0831) in 10 mL of chlorobenzene and 4 mL was spin-coated (3 seconds, 3000 rpm, then 30 seconds, 3 seconds) on a 5 cm square glassy carbon thin plate (manufactured by ALLIANCE Biosystems Inc.). This was placed in a bell jar, sealed with 0.5 g of iodine placed on another petri dish, and heated at 70° C. for 2 hours. The 4-nitrotriphenylamine-coated surface of the thin plate was annealed in a heat dryer at 120°C for 2 hours, and then washed 3 times with 50 mL of chlorobenzene.
Figure 2022113162000018

塗布層の紫外可視赤外吸収は、300~60 nmの光波長域に強い吸収帯をもった。近赤外域での吸収は無く、ドープされていない純粋なトリフェニルアミン重合体であることを示した。 The UV-visible-infrared absorption of the coated layer had a strong absorption band in the light wavelength region of 300-60 nm. There was no absorption in the near-infrared region, indicating that it was a pure undoped triphenylamine polymer.

また、4-ニトロトリフェニルアミン(東京化成工業株式会社、製品コード:N0831)100mg、ヨウ素0.5gをクロロベンゼン 10mLに溶解させ、70℃、2時間加熱攪拌した。この溶液重合により合成した同重合体の溶媒可溶部のゲル浸透クロマトグラフィーによる質量分析では、最大分子量3,200であった。ラマン分光測定(励起波長785nm)では、852cm-1に強い吸収があり、直鎖状高分子の生成が支持された。汎用多機能X線回折装置(RINT-Ultima III型、株式会社リガク製)による測定(斜入射平行法での4°からの測定)では、幅広スペクトルで非晶質な高分子の生成が示された。 Also, 100 mg of 4-nitrotriphenylamine (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., product code: N0831) and 0.5 g of iodine were dissolved in 10 mL of chlorobenzene, and the mixture was heated and stirred at 70° C. for 2 hours. Mass spectrometric analysis of the solvent-soluble portion of the same polymer synthesized by solution polymerization by gel permeation chromatography revealed a maximum molecular weight of 3,200. Raman spectroscopy (excitation wavelength 785 nm) showed a strong absorption at 852 cm-1, supporting the formation of a linear polymer. Measurements with a general-purpose multifunctional X-ray diffractometer (RINT-Ultima III, manufactured by Rigaku Co., Ltd.) (measurement from 4° with oblique incidence parallel method) show the formation of amorphous polymers with a broad spectrum. rice field.

薄層の大気中光電子収量分光測定から、最高被占軌道の準位が-5.4eVと算出された。さらに紫外吸収スペクトルより算出したバンドギャップから最低空軌道の準位が-3.2eVと算出された。 The level of the highest occupied molecular orbital was calculated to be -5.4 eV from atmospheric photoelectron yield spectroscopy of the thin layer. Furthermore, the level of the lowest unoccupied molecular orbital was calculated to be -3.2 eV from the bandgap calculated from the ultraviolet absorption spectrum.

(2) 光照射、電圧印加による酸素の製造
前記4-ニトロトリフェニルアミンのヨウ素蒸気による重合によって得られたトリフェニルアミン重合体の薄層で被覆されたグラッシーカーボン5cm角薄板と白金コイル電極の両者を銅線でつなぎ、図1に示すような2区画の水槽に設置し、pH14の水酸化カリウム水溶液60mLで満たし、+0.80Vvs. Ag/AgCl(参照電極使用、過電圧として0.4V)の電圧を印加し、光照射(疑似太陽光、放射照度量として1000W/m 2 、朝日分光株式会社製)により酸素を製造した。
(2) Oxygen production by light irradiation and voltage application Both were connected with a copper wire, placed in a two-compartment water tank as shown in Fig. 1, filled with 60 mL of an aqueous potassium hydroxide solution of pH 14, and a voltage of +0.80 V vs. Ag/AgCl (using a reference electrode, 0.4 V as overvoltage). was applied, and oxygen was produced by light irradiation (pseudo sunlight, 1000 W/m 2 as irradiance, manufactured by Asahi Spectrosco Co., Ltd.).

製造した酸素の量は、ガスクロマトグラフィー、酸素濃度計(PreSens社、製品番号pH-1 SMA LG1)によって定量した。 The amount of oxygen produced was quantified by gas chromatography and an oximeter (PreSens, product number pH-1 SMA LG1).

電圧印加と光照射開始から2、5、10時間後に、酸素ガス10.4、26.0、51.5mLが生成した。 10.4, 26.0 and 51.5 mL of oxygen gas were generated 2, 5 and 10 hours after the start of voltage application and light irradiation.

<ポリ[ビス(4-フェニル)(2,4,6-トリメチルフェニル)アミン](市販品)を使用した酸素ガスの製造> <Production of oxygen gas using poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine] (commercially available)>

ポリ[ビス(4-フェニル)(2,4,6-トリメチルフェニル)アミン] (Sigma Aldrich株式会社、製品コード:702471)100 mgをクロロベンゼン 10 mLに溶解させ、同溶液2mLを、グラッシーカーボン薄板(ALLIANCE Biosystems Inc.製)5cm角にスピンコート(3秒間、3000回転毎分、次いで30秒、3秒間)した。薄板を加熱乾燥器内で120℃、2時間アニーリングした。 100 mg of poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine] (Sigma Aldrich Co., product code: 702471) was dissolved in 10 mL of chlorobenzene, and 2 mL of the solution was applied to a glassy carbon thin plate ( ALLIANCE Biosystems Inc.) was spin coated (3 seconds, 3000 rpm, then 30 seconds, 3 seconds) on a 5 cm square. The thin plate was annealed at 120°C for 2 hours in a heat dryer.

実施例1と同様に酸素を製造したところ、電圧印加と光照射開始から5時間後に、酸素ガス22.3mLが生成した。 Oxygen was produced in the same manner as in Example 1, and 22.3 mL of oxygen gas was produced 5 hours after the start of voltage application and light irradiation.

<4-ニトロトリフェニルアミンの重合体を使用した電圧印加のみによる酸素製造>
実施例1と同様に4-ニトロトリフェニルアミンの重合体を使用し、電圧印加のみで酸素を製造したところ、電圧印加開始から5時間後に、酸素ガス14.5mLが生成した。
<Oxygen production by voltage application only using 4-nitrotriphenylamine polymer>
When 4-nitrotriphenylamine polymer was used in the same manner as in Example 1 and oxygen was produced only by voltage application, 14.5 mL of oxygen gas was produced 5 hours after the start of voltage application.

<ポリ[2-メトキシ-5-(3',7'-ジメチルオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]による水素ガスの製造>
ポリ[2-メトキシ-5-(3',7'-ジメチルオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン] (Sigma Aldrich株式会社、製品コード:546461) 50mgをクロロベンゼン 10mLに溶解させ、同溶液を、カーボンフェルト(イーシーフロンティア製)5 cm角にしみこませ、加熱乾燥器内で120℃、2時間アニーリングした。
<Production of hydrogen gas from poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]>
50 mg of poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (Sigma Aldrich Co., product code: 546461) was dissolved in 10 mL of chlorobenzene, and the solution was A 5 cm square piece of carbon felt (manufactured by EC Frontier) was impregnated and annealed at 120° C. for 2 hours in a heat dryer.

このポリ(フェニレンビニレン)シートと白金コイル電極の両者を銅線でつなぎ、図1に示すよう2区画の水槽に設置し、pH1の硫酸水溶液60 mLで満たし、-0.4V vs. Ag/AgCl(参照電極使用、過電圧として0.35V)の電圧を印加により水素製造した。製造した水素の量は、ガスクロマトグラフィーによって定量した。電圧印加開始から1時間後に水素ガス104mLが生成した。 Both the poly(phenylene vinylene) sheet and the platinum coil electrode were connected with a copper wire, placed in a two-compartment water tank as shown in Fig. 1, filled with 60 mL of a pH 1 sulfuric acid aqueous solution, and -0.4 V vs. Ag/AgCl (-0.4 V vs. Ag/AgCl ( Hydrogen was produced by using a reference electrode and applying a voltage of 0.35 V) as an overvoltage. The amount of hydrogen produced was quantified by gas chromatography. One hour after the start of voltage application, 104 mL of hydrogen gas was generated.

<ポリ[2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]を使用した水素ガスの製造>
ポリ[2-メトキシ-5-(3',7'-ジメチルオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]の代わりに、ポリ[2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン] (Sigma Aldrich株式会社、製品コード:541443)を使用した以外は実施例4と同様の方法で水素を製造した。その結果、電圧印加開始から5時間後に、水素ガス97.2mLが生成した。
<Production of hydrogen gas using poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]>
Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4- Phenylene vinylene] (Sigma Aldrich Co., product code: 541443) was used to produce hydrogen in the same manner as in Example 4. As a result, 97.2 mL of hydrogen gas was generated 5 hours after the start of voltage application.

実施例1のトリフェニルアミン重合体の薄層で被覆されたグラッシーカーボン5cm角薄板と実施例5のポリ(フェニレンビニレン)シートの両者を銅線でつなぎ、図1に示すよう2区画の水槽に設置し、pH14の水酸化カリウム水溶液60mLで満たし、2.1Vの電圧を印加することにより酸素ガス及び水素ガスを製造した。製造した水素ガスの量は、ガスクロマトグラフィーによって定量した。電圧印加開始から2時間後に酸素ガス9.6mL及び水素ガス18.8mLが生成した。 A glassy carbon 5 cm square thin plate coated with a thin layer of triphenylamine polymer in Example 1 and a poly(phenylene vinylene) sheet in Example 5 were connected with a copper wire, and placed in a two-compartment water tank as shown in FIG. It was installed, filled with 60 mL of an aqueous potassium hydroxide solution of pH 14, and a voltage of 2.1 V was applied to produce oxygen gas and hydrogen gas. The amount of hydrogen gas produced was quantified by gas chromatography. Two hours after the start of voltage application, 9.6 mL of oxygen gas and 18.8 mL of hydrogen gas were generated.

なお、本開示は、以下の態様1乃至10を含むものである。
(態様1)
芳香族アミン高分子を水の酸化による酸素発生触媒(以下、「水酸化・酸素発生触媒」と記載)として、及び、ポリアリーレンビニレン又はその誘導体を水の還元による水素発生触媒(以下、「水還元・水素発生触媒」と記載)として、これらを水に浸漬し、前記水酸化・酸素発生触媒と前記水還元・水素発生触媒とを導電線で連結し、電圧印加及び/又は水酸化・酸素発生触媒への光照射により、水から酸素と水素を製造する装置
(態様2)
前記芳香族アミン高分子が、下記式(I)で表されることを特徴とする、態様1に記載の酸素と水素を製造する装置

Figure 2022113162000019
(式中、
nは整数を表し、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、無いか、又はフルオレン基を表す)。
(態様3)
前記ポリアリーレンビニレンが下記式(II)で表わされるポリ(フェニレンビニレン)類であることを特徴とする、態様1又は2に記載の酸素と水素を製造する装置
Figure 2022113162000020
(式中、
nは、整数を表し、
R1及びR2は、それぞれ同一又は異なって、アルキル基を表す)。
(態様4)
芳香族アミン高分子を水の酸化による酸素発生触媒(以下、「水酸化酸素発生触媒」と記載)を備えた電極を水に浸漬し、前記電極に電圧印加及び/又は光照射により、酸素を製造する装置
(態様5)
態様1~3に記載の酸素と水素を製造する装置及び態様4に記載の酸素を製造する装置で使用される水酸化・酸素発生触媒を備えた電極であって、前記芳香族アミン高分子が、下記式(III)で表されるポリ(トリフェニルアミン)類であることを特徴とする電極
Figure 2022113162000021
(式中、
nは整数を表し、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、無いか、又はフルオレン基を表す)。
(態様6)
態様5に記載の電極であって、下記式(IV)で表されるトリフェニルアミン類を導電薄板や導電不織布上に塗布して、ヨウ素蒸気に曝す、又はトリフェニルアミン類の溶液にヨウ素を加える、酸化重合反応で前記ポリ(トリフェニルアミン)類を得ることを特徴とする電極:
Figure 2022113162000022
(式中、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、-H、又はフルオレン基を表す)。
(態様7)
芳香族アミン高分子の薄層を導電薄板や導電不織布上に形成、又は、芳香族アミン高分子と導電助剤から成る薄板として形成することを特徴とする、態様6に記載の電極
(態様8)
ポリアリーレンビニレン又はその誘導体を、水の還元による水素発生触媒(以下、「水還元・水素発生触媒」と記載)として、水に浸漬し、電圧印加により、水素を製造する装置
(態様9)
態様1~3に記載の酸素と水素を製造する装置及び態様8に記載の水素を製造する装置で使用される水還元・水素発生触媒を備えた電極であって、前記ポリアリーレンビニレンが下記式(V)で表わされるポリ(フェニレンビニレン)類であることを特徴とする電極
Figure 2022113162000023
(式中、
nは、整数を表し、
R1及びR2は、それぞれ同一又は異なって、アルキル基を表す)。
(態様10)
態様9に記載の電極であって、ポリアリーレンビニレン若しくはその誘導体の薄層を導電薄板や導電不織布上に形成、又は、ポリアリーレンビニレン若しくはその誘導体と導電助剤から成る薄板として形成することを特徴とする電極。 In addition, the present disclosure includes the following aspects 1 to 10.
(Aspect 1)
An aromatic amine polymer is used as a catalyst for generating oxygen by oxidizing water (hereinafter referred to as a "catalyst for hydroxylation/oxygen generation"), and a polyarylene vinylene or a derivative thereof is used as a catalyst for generating hydrogen by reducing water (hereinafter referred to as a "water These are immersed in water, the hydroxylation/oxygen generation catalyst and the water reduction/hydrogen generation catalyst are connected with a conductive wire, voltage is applied and / or hydroxylation/oxygen A device that produces oxygen and hydrogen from water by irradiating light to the generation catalyst.
(Aspect 2)
The apparatus for producing oxygen and hydrogen according to aspect 1, wherein the aromatic amine polymer is represented by the following formula (I):
Figure 2022113162000019
(In the formula,
n represents an integer,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X is absent or represents a fluorene group).
(Aspect 3)
The apparatus for producing oxygen and hydrogen according to aspect 1 or 2, wherein the polyarylene vinylene is a poly(phenylene vinylene) represented by the following formula (II):
Figure 2022113162000020
(In the formula,
n represents an integer,
R1 and R2 are the same or different and represent an alkyl group).
(Aspect 4)
An electrode equipped with an oxygen generating catalyst (hereinafter referred to as a "hydroxyl oxygen generating catalyst") by oxidation of an aromatic amine polymer with water is immersed in water, and oxygen is generated by applying a voltage and/or light irradiation to the electrode. Equipment to manufacture.
(Aspect 5)
An electrode equipped with a hydroxylation/oxygen generation catalyst used in the apparatus for producing oxygen and hydrogen according to aspects 1 to 3 and the apparatus for producing oxygen according to aspect 4, wherein the aromatic amine polymer is , an electrode characterized by being poly(triphenylamine)s represented by the following formula (III):
Figure 2022113162000021
(In the formula,
n represents an integer,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X is absent or represents a fluorene group).
(Aspect 6)
In the electrode according to aspect 5, a triphenylamine represented by the following formula (IV) is applied on a conductive thin plate or conductive nonwoven fabric and exposed to iodine vapor, or iodine is added to a solution of triphenylamine. In addition, an electrode characterized by obtaining the poly(triphenylamine)s by an oxidative polymerization reaction:
Figure 2022113162000022
(In the formula,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X represents -H or a fluorene group).
(Aspect 7)
7. The electrode according to aspect 6, wherein the thin layer of the aromatic amine polymer is formed on a conductive thin plate or conductive non-woven fabric, or formed as a thin plate comprising the aromatic amine polymer and a conductive aid.
(Aspect 8)
An apparatus for producing hydrogen by immersing polyarylenevinylene or a derivative thereof in water as a catalyst for hydrogen generation by water reduction (hereinafter referred to as "water reduction/hydrogen generation catalyst") and applying voltage.
(Aspect 9)
An electrode provided with a water reduction/hydrogen generation catalyst used in the apparatus for producing oxygen and hydrogen according to aspects 1 to 3 and the apparatus for producing hydrogen according to aspect 8, wherein the polyarylene vinylene is represented by the following formula: Electrodes characterized in that they are poly(phenylene vinylene)s represented by (V):
Figure 2022113162000023
(In the formula,
n represents an integer,
R1 and R2 are the same or different and represent an alkyl group).
(Aspect 10)
The electrode according to mode 9, characterized in that a thin layer of polyarylene vinylene or a derivative thereof is formed on a conductive thin plate or conductive nonwoven fabric, or formed as a thin plate composed of polyarylene vinylene or a derivative thereof and a conductive aid. electrode.

Claims (10)

芳香族アミン高分子を水の酸化による酸素発生触媒(以下、「水酸化・酸素発生触媒」と記載)として、及び、ポリアリーレンビニレン又はその誘導体を水の還元による水素発生触媒(以下、「水還元・水素発生触媒」と記載)として、これらを水に浸漬し、前記水酸化・酸素発生触媒と前記水還元・水素発生触媒とを導電線で連結し、電圧印加及び/又は水酸化・酸素発生触媒への光照射により、水から酸素と水素を製造する装置An aromatic amine polymer is used as a catalyst for generating oxygen by oxidizing water (hereinafter referred to as a "catalyst for hydroxylation/oxygen generation"), and a polyarylene vinylene or a derivative thereof is used as a catalyst for generating hydrogen by reducing water (hereinafter referred to as a "water These are immersed in water, the hydroxylation/oxygen generation catalyst and the water reduction/hydrogen generation catalyst are connected with a conductive wire, voltage is applied and / or hydroxylation/oxygen A device that produces oxygen and hydrogen from water by irradiating light to the generation catalyst. 前記芳香族アミン高分子が、下記式(I)で表されることを特徴とする、請求項1に記載の酸素と水素を製造する装置
Figure 2022113162000001
(式中、
nは整数を表し、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、無いか、又はフルオレン基を表す)。
The apparatus for producing oxygen and hydrogen according to claim 1, wherein the aromatic amine polymer is represented by the following formula (I):
Figure 2022113162000001
(In the formula,
n represents an integer,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X is absent or represents a fluorene group).
前記ポリアリーレンビニレンが下記式(II)で表わされるポリ(フェニレンビニレン)類であることを特徴とする、請求項1に記載の酸素と水素を製造する装置
Figure 2022113162000002
(式中、
nは、整数を表し、
R1及びR2は、それぞれ同一又は異なって、アルキル基を表す)。
The apparatus for producing oxygen and hydrogen according to claim 1 , wherein the polyarylene vinylene is a poly(phenylene vinylene) represented by the following formula (II):
Figure 2022113162000002
(In the formula,
n represents an integer,
R1 and R2 are the same or different and represent an alkyl group).
芳香族アミン高分子を水の酸化による酸素発生触媒(以下、「水酸化酸素発生触媒」と記載)を備えた電極を水に浸漬し、前記電極に電圧印加及び/又は光照射により、酸素を製造する装置 An electrode equipped with an oxygen generating catalyst (hereinafter referred to as a "hydroxyl oxygen generating catalyst") by oxidation of an aromatic amine polymer with water is immersed in water, and oxygen is generated by applying a voltage and/or light irradiation to the electrode. Equipment to manufacture. 請求項1~3に記載の酸素と水素を製造する装置及び請求項4に記載の酸素を製造する装置で使用される水酸化・酸素発生触媒を備えた電極であって、前記芳香族アミン高分子が、下記式(III)で表されるポリ(トリフェニルアミン)類であることを特徴とする電極
Figure 2022113162000003
(式中、
nは整数を表し、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、無いか、又はフルオレン基を表す)。
An electrode equipped with a hydroxylation/oxygen generation catalyst used in the apparatus for producing oxygen and hydrogen according to any one of claims 1 to 3 and the apparatus for producing oxygen according to claim 4, wherein An electrode characterized in that the molecules are poly(triphenylamine)s represented by the following formula (III):
Figure 2022113162000003
(In the formula,
n represents an integer,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X is absent or represents a fluorene group).
請求項5に記載の電極であって、下記式(IV)で表されるトリフェニルアミン類を導電薄板や導電不織布上に塗布して、ヨウ素蒸気に曝す、又はトリフェニルアミン類の溶液にヨウ素を加える、酸化重合反応で前記ポリ(トリフェニルアミン)類を得ることを特徴とする電極
Figure 2022113162000004
(式中、
R1は、-H、アルキル基、フェニル基、ハロゲン基、エーテル基、カルバゾール基、トリフェニルアミン基、ニトロ基、アセチレニル基、チエニル基、アミノ基、ホルミル基又はボロン基を表し、
R2及びR3は、それぞれ同一又は異なって、-H又はアルキル基を表し、
Xは、-H、又はフルオレン基を表す)。
6. The electrode according to claim 5, wherein a triphenylamine represented by the following formula (IV) is coated on a conductive thin plate or conductive nonwoven fabric and exposed to iodine vapor, or iodine is added to a triphenylamine solution. and an electrode characterized in that the poly(triphenylamine)s are obtained by an oxidative polymerization reaction:
Figure 2022113162000004
(In the formula,
R represents -H, an alkyl group, a phenyl group, a halogen group, an ether group, a carbazole group, a triphenylamine group, a nitro group, an acetylenyl group, a thienyl group, an amino group, a formyl group or a boron group;
R2 and R3 are each the same or different and represent -H or an alkyl group;
X represents -H or a fluorene group).
芳香族アミン高分子の薄層を導電薄板や導電不織布上に形成、又は、芳香族アミン高分子と導電助剤から成る薄板として形成することを特徴とする、請求項6に記載の電極7. The electrode according to claim 6, wherein a thin layer of aromatic amine polymer is formed on a conductive thin plate or conductive non-woven fabric, or formed as a thin plate composed of aromatic amine polymer and conductive aid. ポリアリーレンビニレン又はその誘導体を、水の還元による水素発生触媒(以下、「水還元・水素発生触媒」と記載)として、水に浸漬し、電圧印加により、水素を製造する装置An apparatus for producing hydrogen by immersing polyarylenevinylene or a derivative thereof in water as a catalyst for hydrogen generation by water reduction (hereinafter referred to as "water reduction/hydrogen generation catalyst") and applying voltage. 請求項1~3に記載の酸素と水素を製造する装置及び請求項8に記載の水素を製造する装置で使用される水還元・水素発生触媒を備えた電極であって、前記ポリアリーレンビニレンが下記式(V)で表わされるポリ(フェニレンビニレン)類であることを特徴とする電極
Figure 2022113162000005
(式中、
nは、整数を表し、
R1及びR2は、それぞれ同一又は異なって、アルキル基を表す)。
An electrode equipped with a water reduction/hydrogen generation catalyst used in the apparatus for producing oxygen and hydrogen according to any one of claims 1 to 3 and the apparatus for producing hydrogen according to claim 8, wherein the polyarylenevinylene is Electrodes characterized by being poly(phenylene vinylene)s represented by the following formula (V):
Figure 2022113162000005
(In the formula,
n represents an integer,
R1 and R2 are the same or different and represent an alkyl group).
請求項9に記載の電極であって、ポリアリーレンビニレン若しくはその誘導体の薄層を導電薄板や導電不織布上に形成、又は、ポリアリーレンビニレン若しくはその誘導体と導電助剤から成る薄板として形成することを特徴とする電極10. The electrode according to claim 9, wherein a thin layer of polyarylene vinylene or a derivative thereof is formed on a conductive thin plate or conductive nonwoven fabric, or formed as a thin plate composed of polyarylene vinylene or a derivative thereof and a conductive aid. An electrode characterized by:
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