JP2023081781A - Electrode, water electrolysis tank, water electrolysis apparatus, carbon dioxide reduction electrolysis tank, and carbon dioxide electrolysis apparatus - Google Patents

Electrode, water electrolysis tank, water electrolysis apparatus, carbon dioxide reduction electrolysis tank, and carbon dioxide electrolysis apparatus Download PDF

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和広 高鍋
Kazuhiro Takanabe
竜也 品川
Tatsuya Shinagawa
武史 西本
Takeshi Nishimoto
剛大 内藤
Takahiro Naito
健生 市原
Takeo Ichihara
綾一 小島
Ayaichi Kojima
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Abstract

To provide an electrode that shows a low activation voltage in a neutral pH range.SOLUTION: The electrode contains a catalyst including at least one first metal element selected from the group consisting of nickel, iron, and cobalt and at least one second metal element selected from the group consisting of copper, silver, and gold.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、中性pH領域において低活性化過電圧を示す電極、水電解槽、水電解装置、二酸化炭素還元電解槽及び二酸化炭素電解装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode, a water electrolyzer, a water electrolyzer, a carbon dioxide reduction electrolyzer, and a carbon dioxide electrolyzer that exhibit a low activation overvoltage in the neutral pH range.

持続可能な社会の実現に向けて再生可能エネルギーの有効活用が社会的な急務となっているが、再生可能エネルギーは地域による偏りに加え、時間的、季節的、気象的変動が大きく、安定供給できないことが大規模利用への妨げとなっている。
この観点から、再生可能エネルギー由来の電力から水を電気分解(水電解)して水素を製造し、その水素を貯蔵・輸送して、水素発電装置や燃料電池を利用して必要なときに必要な場所でエネルギーを取り出すことによりエネルギー供給を平準化する方法が提案されている。
The effective use of renewable energy is an urgent social need for the realization of a sustainable society. This inability is an obstacle to large-scale use.
From this point of view, hydrogen is produced by electrolyzing water (water electrolysis) from electricity derived from renewable energy, and the hydrogen is stored and transported and used when needed by using hydrogen power generation equipment and fuel cells. Methods have been proposed to level the energy supply by extracting energy at different locations.

工業的な水電解の方法としては、濃厚な水酸化ナトリウムや水酸化カリウムの水溶液を用いるアルカリ水電解や、プロトン交換膜を用いるプロトン交換膜(PEM)型水電解の技術が主に用いられている。これらの技術では、強塩基性又は強酸性の電解質を用いるため、電解装置を構成する部材の素材には高い腐食耐性が要求される。 As industrial water electrolysis methods, alkaline water electrolysis using a concentrated aqueous solution of sodium hydroxide or potassium hydroxide and proton exchange membrane (PEM) type water electrolysis using a proton exchange membrane are mainly used. there is Since these techniques use a strongly basic or strongly acidic electrolyte, the materials of the members constituting the electrolytic device are required to have high corrosion resistance.

このため、水電解を弱酸性~弱塩基性の中性pH領域で実施することができれば、水電解装置を汎用な材料で構成できるようになり、電解装置の長寿命化が可能となることから、中性pH領域での水電解の開発が検討されている。
ただし、中性pH領域での水電解は、強塩基性条件又は強酸性条件に比べてエネルギー効率が低い、すなわち電解電圧が高くなる傾向にある。そして、水電解のエネルギー効率が低くなる要因の一つとして、中性pH領域での酸素発生反応の活性の低さが挙げられる。
Therefore, if water electrolysis can be carried out in a neutral pH range of weakly acidic to weakly basic, it will be possible to construct a water electrolysis device with general-purpose materials, and it will be possible to extend the life of the electrolysis device. , the development of water electrolysis in the neutral pH region is being considered.
However, water electrolysis in the neutral pH range tends to have lower energy efficiency, ie, higher electrolysis voltage, than under strongly basic or strongly acidic conditions. One of the reasons for the low energy efficiency of water electrolysis is the low activity of the oxygen evolution reaction in the neutral pH range.

そのため、中性pH領域での酸素発生反応の活性を向上させる技術、すなわち活性化過電圧の低い酸素発生電極を開発するための技術が検討されており、例えば非特許文献1には、チタン基材上に酸化イリジウム触媒を電析した電極を作成し、リン酸緩衝液等の緩衝作用のある電解液中で水電解を行うことにより、中性pH領域であっても低活性化過電圧となることが開示されている。 Therefore, a technique for improving the activity of the oxygen evolution reaction in the neutral pH range, that is, a technique for developing an oxygen evolution electrode with a low activation overvoltage, has been studied. By creating an electrode on which an iridium oxide catalyst is electrodeposited and performing water electrolysis in an electrolytic solution with a buffering action such as a phosphate buffer, a low activation overvoltage can be obtained even in a neutral pH range. is disclosed.

また、非特許文献2には、ニッケルフォームに所定の電位を印加して酸化還元することによって、その表面にナノ構造を形成させて電気二重層容量を増大させ、活性化過電圧の低い酸素発生電極を得ることが開示されている。 In Non-Patent Document 2, a nickel foam is oxidized and reduced by applying a predetermined potential to form a nanostructure on its surface to increase the electric double layer capacity, thereby producing an oxygen generating electrode with a low activation overvoltage. It is disclosed to obtain

加えて、非特許文献3には、陰極で二酸化炭素還元反応を行い、陽極では酸素発生反応を行う二酸化炭素還元電解槽の技術が開示されている。二酸化炭素還元電解槽においては、強酸性の電解液を用いると、陰極で二酸化炭素還元反応よりも水素発生反応が優先する傾向があり、また強塩基性の電解液を用いると、塩基と二酸化炭素の酸塩基反応により、電解液が中和されてしまうことがある。
これらのことから、二酸化炭素還元電解槽でも、中性pH領域で運転することが多いため(非特許文献3でも炭酸水素カリウム水溶液が電解液に用いられている)、中性pH領域で活性化過電圧の低い酸素発生電極は、水電解だけでなく、二酸化炭素還元電解においても重要な技術である。
In addition, Non-Patent Document 3 discloses a technology of a carbon dioxide reduction electrolytic cell in which a carbon dioxide reduction reaction is performed at the cathode and an oxygen evolution reaction is performed at the anode. In the carbon dioxide reduction electrolytic cell, when a strongly acidic electrolyte is used, the hydrogen generation reaction tends to take precedence over the carbon dioxide reduction reaction at the cathode, and when a strongly basic electrolyte is used, the base and carbon dioxide The acid-base reaction of the electrolyte may neutralize it.
For these reasons, even carbon dioxide reduction electrolytic cells are often operated in the neutral pH range (Non-Patent Document 3 also uses an aqueous potassium bicarbonate solution as the electrolyte), so activation is performed in the neutral pH range. An oxygen generating electrode with a low overvoltage is an important technology not only for water electrolysis but also for carbon dioxide reduction electrolysis.

T.Nishimoto,et al.,ChemSusChem 2021,14,1554-1564T. Nishimoto, et al. , Chem Sus Chem 2021, 14, 1554-1564 T.Shinagawa,et al.,Angew. Chem. Int. Ed. 2017,56,5061-5065T. Shinagawa, et al. , Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 5061-5065 R.Krause,et al.,Chem. Ing. Tech. 2020,92,53-61R. Krause, et al. , Chem. Ing. Tech. 2020, 92, 53-61

しかしながら、非特許文献1~3の技術を用いて、水電解処理又は二酸化炭素還元電解を実施した場合であっても、中性pH領域での水電解又は二酸化炭素還元電解のエネルギー効率は、いまだ十分でなく、さらなる技術の改善が望まれていた。 However, even when water electrolysis or carbon dioxide reduction electrolysis is performed using the techniques of Non-Patent Documents 1 to 3, the energy efficiency of water electrolysis or carbon dioxide reduction electrolysis in the neutral pH region is still low. It was not enough, and further improvement of the technology was desired.

そのため、本発明は、中性pH領域において低活性化過電圧を示す電極、水電解槽、水電解装置、二酸化炭素還元電解槽及び二酸化炭素電解装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an electrode, a water electrolyzer, a water electrolyzer, a carbon dioxide reduction electrolyzer, and a carbon dioxide electrolyzer that exhibit a low activation overvoltage in the neutral pH range.

本発明者らは、上記課題を解決するべく検討を行った結果、ニッケル、鉄及びコバルトからなる群より選択される少なくとも一種の第一金属元素と、銅、銀及び金からなる群から選ばれる少なくとも一種の第二金属元素と、を含む触媒を、電極に含有させることによって、中性pH領域(非電解時のpHが1.5~12.6)において、高い酸素発生活性、すなわち酸素発生反応において低い活性化過電圧を示すことができることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have conducted studies to solve the above problems, and as a result, at least one first metal element selected from the group consisting of nickel, iron and cobalt, and selected from the group consisting of copper, silver and gold By containing a catalyst containing at least one second metal element in the electrode, high oxygen generation activity, that is, oxygen generation, is achieved in a neutral pH region (pH is 1.5 to 12.6 during non-electrolysis) The inventors have found that a low activation overvoltage can be exhibited in the reaction, and have completed the present invention.

本発明は、以上の知見に基づきなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
1.ニッケル、鉄及びコバルトからなる群より選択される少なくとも一種の第一金属元素と、銅、銀及び金からなる群から選ばれる少なくとも一種の第二金属元素と、を含む触媒を含有することを特徴とする、電極。
2.前記触媒は、前記第一金属元素及び前記第二金属元素を含む金属酸化物であることを特徴とする、前記1に記載の電極。
3.前記触媒が、導電性基材に担持されていることを特徴とする、前記1又は2に記載の電極。
4.前記導電性基材が、遷移金属を含有することを特徴とする、前記3に記載の電極。
5.前記導電性基材が、多孔体であることを特徴とする、前記3又は4に記載の電極。
6.前記遷移金属が、ニッケル、チタン及び鉄からなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする、前記3~5のいずれかに記載の電極。
7.前記導電性基材が、電気化学的に酸化還元する活性化処理によって製造されることを特徴とする、前記3~6のいずれかに記載の電極。
8.前記導電性基材が、1.25mF/cm以上の電気二重層容量を有することを特徴とする、前記3~7のいずれかに記載の電極。
9.前記導電性基材を前記第一金属元素の可溶性塩及び前記第二元素の可溶性塩を含む電解液に浸し、電析することによって、前記触媒を得ることを特徴とする、前記3~8のいずれかに記載の電極。
10.酸素発生用の電極であることを特徴とする、前記1~9のいずれかに記載の電極。
11.前記1~10のいずれかに記載の電極を酸素発生電極として用いることを特徴とする、水電解電解槽。
12.非電解時のpHが1.5~12.6である緩衝液を電解液として用いることを特徴とする、前記11に記載の水電解電解槽。
13.前記11又は12に記載の水電解電解槽を備えることを特徴とする、水電解装置。
14.前記1~10のいずれかに記載の電極を酸素発生電極として用いることを特徴とする、二酸化炭素還元電解槽。
15.非電解時のpHが1.5~12.6である緩衝液を電解液として用いることを特徴とする、前記14に記載の二酸化炭素還元電解槽。
16.前記14又は15に記載の二酸化炭素還元電解槽を備えることを特徴とする、二酸化炭素電解装置。
The present invention was made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
1. Characterized by containing a catalyst containing at least one first metal element selected from the group consisting of nickel, iron and cobalt and at least one second metal element selected from the group consisting of copper, silver and gold and electrodes.
2. 2. The electrode according to 1 above, wherein the catalyst is a metal oxide containing the first metal element and the second metal element.
3. 3. The electrode described in 1 or 2 above, wherein the catalyst is supported on a conductive substrate.
4. 4. The electrode according to 3 above, wherein the conductive substrate contains a transition metal.
5. 5. The electrode as described in 3 or 4 above, wherein the conductive substrate is a porous body.
6. 6. The electrode as described in any one of 3 to 5 above, wherein the transition metal is at least one selected from the group consisting of nickel, titanium and iron.
7. 7. The electrode as described in any one of 3 to 6 above, wherein the conductive base material is produced by an activation treatment of electrochemical oxidation-reduction.
8. 8. The electrode as described in any one of 3 to 7 above, wherein the conductive substrate has an electric double layer capacity of 1.25 mF/cm 2 or more.
9. The catalyst is obtained by immersing the conductive substrate in an electrolytic solution containing a soluble salt of the first metal element and a soluble salt of the second element and subjecting the substrate to electrodeposition. An electrode according to any one of the preceding claims.
10. 10. The electrode according to any one of 1 to 9 above, which is an electrode for generating oxygen.
11. 11. A water electrolytic cell, wherein the electrode according to any one of 1 to 10 is used as an oxygen generating electrode.
12. 12. The water electrolysis cell according to 11 above, wherein a buffer solution having a pH of 1.5 to 12.6 when not electrolyzed is used as the electrolyte solution.
13. 13. A water electrolysis apparatus comprising the water electrolysis cell according to 11 or 12 above.
14. 11. A carbon dioxide reduction electrolytic cell, characterized in that the electrode according to any one of 1 to 10 above is used as an oxygen generating electrode.
15. 15. The carbon dioxide reduction electrolytic cell as described in 14 above, wherein a buffer solution having a pH of 1.5 to 12.6 during non-electrolysis is used as the electrolytic solution.
16. 16. A carbon dioxide electrolyzer comprising the carbon dioxide reduction electrolytic cell according to 14 or 15 above.

本発明によれば、中性pH領域において低活性化過電圧を示す電極、水電解槽、水電解装置、二酸化炭素還元電解槽及び二酸化炭素電解装置の提供が可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrode, a water electrolyzer, a water electrolyzer, a carbon dioxide reduction electrolyzer, and a carbon dioxide electrolyzer that exhibit a low activation overvoltage in the neutral pH range.

各実施例及び比較例の電極を用いた際の、電流密度と作用極の電位(iR補正)との関係を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the current density and the potential of the working electrode (iR correction) when the electrodes of Examples and Comparative Examples are used. 各実施例及び比較例の電極を酸素発生電極として用いた際の、オンオフ試験(オン:400mA/cm15分間、オフ:5分間)での電位(iR補正)の推移を表した図である。FIG. 4 is a diagram showing changes in potential (iR correction) in an on-off test (on: 400 mA/cm 2 for 15 minutes, off: 5 minutes) when the electrodes of Examples and Comparative Examples were used as oxygen generating electrodes. . 実施例1の酸素発生電極について、(a)活性化処理したニッケルフォーム及び(b)それに鉄-銅酸化物を担持した状態を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。1 is a photograph of an oxygen generating electrode of Example 1, observed with a scanning electron microscope, showing (a) activated nickel foam and (b) iron-copper oxide supported on it. 実施例1の酸素発生電極について、(a)鉄-銅酸化物を透過型電子顕微鏡で観察した写真及び(b)その一部を拡大した写真である。2 shows (a) a photograph of iron-copper oxide observed with a transmission electron microscope and (b) a partially enlarged photograph of the oxygen generating electrode of Example 1. FIG.

以下、本発明に係る電極を実施するための形態(以下、「本実施形態」と言う。)について詳細に説明する。
なお、本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はその実施の形態のみに限定されるものではない。すなわち、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form (henceforth "this embodiment") for implementing the electrode which concerns on this invention is demonstrated in detail.
In addition, this embodiment is an illustration for demonstrating this invention, and this invention is not limited only to the embodiment. That is, the present invention can be modified in various ways without departing from the scope of the invention.

<電極>
本実施形態の電極は、ニッケル、鉄及びコバルトからなる群より選択される少なくとも一種の第一金属元素と、銅、銀及び金からなる群から選ばれる少なくとも一種の第二金属元素と、を含む触媒を含有する。
前記第一金属元素及び前記第二金属元素を含む触媒を、電極の材料として用いることによって、高い反応活性を得ることができる結果、中性pH領域で低活性化過電圧を有することができる。
<Electrode>
The electrode of this embodiment contains at least one first metal element selected from the group consisting of nickel, iron and cobalt, and at least one second metal element selected from the group consisting of copper, silver and gold. Contains a catalyst.
By using the catalyst containing the first metal element and the second metal element as the electrode material, high reaction activity can be obtained, and as a result, a low activation overvoltage can be obtained in the neutral pH region.

(触媒)
本実施形態の電極に用いられる触媒は、前記第一金属元素及び前記第二金属元素を含む。前記第一金属元素は、ニッケル、鉄及びコバルトからなる群より選択される少なくとも一種であり、反応活性の観点から、少なくとも鉄を含むことが好ましい。
また、前記第二金属元素は、銅、銀及び金からなる群から選ばれる少なくとも一種である。前記触媒中に、前記第一金属元素及び前記第二金属元素を含むことで、高い反応活性を得ることができる。
(catalyst)
The catalyst used in the electrode of the present embodiment contains the first metal element and the second metal element. The first metal element is at least one selected from the group consisting of nickel, iron and cobalt, and preferably contains at least iron from the viewpoint of reaction activity.
Also, the second metal element is at least one selected from the group consisting of copper, silver and gold. High reaction activity can be obtained by including the first metal element and the second metal element in the catalyst.

前記第一金属元素及び前記第二金属元素の存在形態は、特に限定されないが、反応活性及び化学的安定性の観点から、金属単体又は金属酸化物として存在することが好ましい。
前記金属酸化物の場合、例えば、FeO、Fe、Feのように化学量論的な組成であってもよいし、酸素イオンや金属イオンが欠損して生じるような非化学量論的な組成であってもよい。
また、前記第一金属元素及び前記第二金属元素は、合金や複合金属酸化物として原子レベルで混合されている状態であってもよく、例えば、酸化鉄粒子と金粒子が混在しているような態様とすることもできる。
The form of existence of the first metal element and the second metal element is not particularly limited, but from the viewpoint of reaction activity and chemical stability, it is preferable to exist as a metal element or a metal oxide.
In the case of the metal oxide, for example, it may have a stoichiometric composition such as FeO, Fe 3 O 4 and Fe 2 O 3 , or a non-chemical composition such as oxygen ion or metal ion deficiency. It may be a stoichiometric composition.
Moreover, the first metal element and the second metal element may be in a state of being mixed at the atomic level as an alloy or a composite metal oxide. For example, iron oxide particles and gold particles may be mixed. It can also be set as a form.

前記第一金属元素(A)と前記第二金属元素(A)との元素比率(A/A)は、好ましくは0.05~10であり、より好ましくは0.1~5であり、さらに好ましくは0.15~3である。 The element ratio (A 1 /A 2 ) between the first metal element (A 1 ) and the second metal element (A 2 ) is preferably 0.05 to 10, more preferably 0.1 to 5. and more preferably 0.15 to 3.

上述した中でも、前記触媒は、反応活性及び科学的安定性の観点から、鉄-銅酸化物、鉄-銀酸化物、鉄-金酸化物、ニッケル-鉄-銅酸化物、ニッケル-銀-銅酸化物、ニッケル-鉄-金酸化物等であることが好ましい。 Among the above-mentioned catalysts, from the viewpoint of reaction activity and chemical stability, iron-copper oxide, iron-silver oxide, iron-gold oxide, nickel-iron-copper oxide, nickel-silver-copper Oxides, nickel-iron-gold oxides and the like are preferred.

さらに、前記触媒は、より高い導電性を確保する観点から、後述する導電性基材に担持されていることが好ましい。
前記導電性基材に担持される方法は、特に限定されないが、簡便かつ均一に担持する観点から、導電性基材を前記第一金属元素の可溶性塩及び前記第二元素の可溶性塩を含む電解液に浸し、電析する方法を好ましく用いることができる。
Furthermore, from the viewpoint of ensuring higher conductivity, the catalyst is preferably carried on a conductive substrate, which will be described later.
The method of supporting the conductive substrate is not particularly limited, but from the viewpoint of simple and uniform support, the conductive substrate is electrolyzed containing a soluble salt of the first metal element and a soluble salt of the second element. A method of immersing in a liquid and electrodepositing can be preferably used.

前記第一金属元素の可溶性塩及び前記第二金属元素の可溶性塩としては特に限定されないが、水溶性の塩であることが好ましい。前記第一金属元素の水溶性塩及び前記第二金属元素の水溶性塩としては、例えば、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物や硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩等が挙げられる。
また、前記電解液は、溶媒として水を用いることが好ましく、電析を制御するために前記第一金属元素の可溶性塩及び前記第二元素の可溶性塩以外にも、酸、塩基、塩や有機物を添加することもできる。
Although the soluble salt of the first metal element and the soluble salt of the second metal element are not particularly limited, they are preferably water-soluble salts. Examples of the water-soluble salt of the first metal element and the water-soluble salt of the second metal element include fluorides, chlorides, bromides, iodides, nitrates, sulfates and acetates.
In addition, it is preferable to use water as a solvent for the electrolytic solution. can also be added.

(導電性基材)
本実施形態の電極は、より高い導電性を確保することを目的として、前記触媒を導電性基材上に担持することが好ましい。
前記導電性基材の材質は、特に限定されないが、導電性と化学耐久性の観点から、遷移金属であることが好ましい。前記遷移金属としては、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、イリジウム、白金、金からなる群より選択される少なくとも一種であることがより好ましく、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト及びニッケルからなる群より選択される少なくとも一種であることがさらに好ましく、ニッケル、チタン及び鉄からなる群より選択される少なくとも一種であることが特に好ましい。
なお、前記導電性基材の材質は、一種の遷移金属を用いてもよいし、二種以上の遷移金属からなる合金や混合物であってもよい。さらに、遷移金属に加えて、炭素、酸素、窒素、ケイ素、リン、硫黄等の典型元素を含むこともできる。
(Conductive substrate)
For the electrode of the present embodiment, the catalyst is preferably supported on a conductive substrate for the purpose of ensuring higher conductivity.
Although the material of the conductive substrate is not particularly limited, it is preferably a transition metal from the viewpoint of conductivity and chemical durability. The transition metal is at least one selected from the group consisting of titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, silver, iridium, platinum and gold. It is more preferably at least one selected from the group consisting of titanium, chromium, manganese, iron, cobalt and nickel, and particularly preferably at least one selected from the group consisting of nickel, titanium and iron. .
The conductive base material may be made of one type of transition metal, or may be an alloy or mixture of two or more types of transition metals. Furthermore, in addition to transition metals, typical elements such as carbon, oxygen, nitrogen, silicon, phosphorus, and sulfur can also be included.

また、前記導電性基材は、触媒を担持できる表面積を大きくする観点から、多孔体であることが好ましい。さらに、同様の観点から、前記導電性基材の電気二重層容量は、1.25mF/cm以上であることが好ましく、1.30mF/cm以上であることがより好ましく、1.35mF/cm以上であることがさらに好ましい。
なお、上述した電気二重層容量は、触媒の担持されていない導電性基材が示す値を意味する。電気二重層容量は、実施例に記載の測定方法による。
このような導電性基材の製造方法としては、特に限定されないが、例えばニッケルフォームに電気化学的に酸化還元することにより活性化処理する方法を好ましく用いることができる。
Moreover, the conductive substrate is preferably a porous body from the viewpoint of increasing the surface area capable of supporting the catalyst. Furthermore, from the same viewpoint, the electric double layer capacitance of the conductive substrate is preferably 1.25 mF/cm 2 or more, more preferably 1.30 mF/cm 2 or more, and 1.35 mF/cm 2 or more. cm 2 or more is more preferable.
The electric double layer capacity mentioned above means a value exhibited by a conductive substrate on which no catalyst is supported. The electric double layer capacitance is determined by the measuring method described in Examples.
The method for producing such a conductive substrate is not particularly limited, but for example, a method of performing an activation treatment by electrochemical oxidation-reduction of a nickel foam can be preferably used.

<水電解電解槽>
本実施形態の水電解電解槽は、上述した本発明の電極を酸素発生電極として用いる。
本実施形態の水電解電解槽では、電解液中に陰極と陽極が浸漬され、陰極と陽極が電源に接続されている。ここで、前記陽極は前記酸素発生電極であり、陰極と陽極との間に隔膜やイオン交換膜(プロトン交換膜やアニオン交換膜)が挟み込まれた構造とすることもできる。
<Water electrolyzer>
The water electrolyzer of this embodiment uses the electrode of the present invention as an oxygen generating electrode.
In the water electrolysis cell of this embodiment, the cathode and the anode are immersed in the electrolytic solution, and the cathode and the anode are connected to the power source. Here, the anode is the oxygen generating electrode, and may have a structure in which a diaphragm or an ion exchange membrane (proton exchange membrane or anion exchange membrane) is sandwiched between the cathode and the anode.

本実施形態の水電解電解槽で用いられる電解液は、非電解時のpHが中性領域(1.5~12.6)である。
水電解においては、基質であるプロトン(H)若しくは水酸化物イオン(OH)が電極へ供給されて反応が進行するが、基質濃度が十分でない場合は、基質の供給律速により電流密度が制限されてしまう。この際、運転しうる最大の電流密度は、「拡散限界電流密度」と呼ばれる。工業的な水電解においては、生産性の観点から、通常100mA/cm以上の電流密度で運転されるため、本実施形態においては、拡散限界電流密度が100mA/cmを下回る場合は、H濃度若しくはOH濃度が不十分である、すなわち中性pH領域であると考え、非電解時のpHが1.5~12.6の範囲にある電解液を中性pH領域の電解液と定義した。なお、数値の算出方法については、T.Shinagawa,and K.Takanabe,Phys.Chem.Chem.Phys. 2015,17,15111-15114を参照。
The electrolytic solution used in the water electrolytic cell of the present embodiment has a pH in the neutral range (1.5 to 12.6) during non-electrolysis.
In water electrolysis, the substrate protons (H + ) or hydroxide ions (OH ) are supplied to the electrode and the reaction proceeds. be restricted. In this case, the maximum operable current density is called "diffusion limiting current density". In industrial water electrolysis, from the viewpoint of productivity, it is usually operated at a current density of 100 mA/cm 2 or more . + concentration or OH concentration is insufficient, that is, it is considered to be in the neutral pH range, and an electrolyte solution having a pH in the range of 1.5 to 12.6 when not electrolyzed is called an electrolyte solution in the neutral pH range. Defined. For the calculation method of numerical values, refer to T.T. Shinagawa, and K.; Takanabe, Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 15111-15114.

前述のように、本実施形態の電解液は、非電解時のpHが1.5~12.6の範囲であるが、電解槽の各種部材への腐食を抑制する観点から、前記電解液の非電解時のpHは、4~12であることが好ましく、5~11.5であることがより好ましい。 As described above, the electrolytic solution of the present embodiment has a pH in the range of 1.5 to 12.6 when not electrolyzed. The pH during non-electrolysis is preferably 4 to 12, more preferably 5 to 11.5.

前記電解液のpHを一定に保ち、電極へのプロトン若しくは水酸化物イオンの供給を促進できる観点から、前記電解液は緩衝液であることが好ましい。
前記緩衝液の種類については、特に限定されない。例えば、アルカリ金属(すなわち、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、セシウム(Cs)及びルビジウム(Rb))の炭酸塩とアルカリ金属の重炭酸塩とを組み合わせた炭酸-重炭酸緩衝液を好ましく用いることができる。
From the viewpoint of keeping the pH of the electrolyte constant and promoting the supply of protons or hydroxide ions to the electrode, the electrolyte is preferably a buffer solution.
The type of buffer solution is not particularly limited. For example, carbonate-bicarbonate in combination with alkali metal (ie, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), cesium (Cs) and rubidium (Rb)) carbonates and alkali metal bicarbonates A buffer can preferably be used.

本実施形態の水電解電解槽を構成する陰極は、表面積を増大する観点から、導電性のある金属若しくは炭素材料の多孔体を含むことが好ましい。前記金属の多孔体としては、例えば、平織りメッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル、金属発泡体等が挙げられる。炭素材料の多孔体としては、炭素繊維を織った織布、炭素繊維をバインダーで結着した不織布、炭素フォーム等を用いることができる。 From the viewpoint of increasing the surface area, the cathode constituting the water electrolytic cell of the present embodiment preferably contains a conductive porous body of metal or carbon material. Examples of the metal porous body include plain weave mesh, punching metal, expanded metal, and metal foam. As the porous body of the carbon material, a woven fabric obtained by weaving carbon fibers, a non-woven fabric obtained by binding carbon fibers with a binder, carbon foam, or the like can be used.

なお、前記陰極は、前述の金属の多孔体や炭素の多孔体をそのまま用いてもよいし、金属の多孔体や炭素の多孔体を電極基材として、電極基材の表面に反応活性の高い触媒層を形成したものを電極として用いることもできるが、前記電解電圧を低減する観点からは、電極基材の表面に反応活性の高い触媒層を形成することが好ましい。 For the cathode, the porous metal or carbon porous body described above may be used as it is. Although an electrode having a catalyst layer formed thereon can be used as an electrode, from the viewpoint of reducing the electrolysis voltage, it is preferable to form a catalyst layer having high reaction activity on the surface of the electrode substrate.

ここで、前記電極基材の材料は、特に限定されないが、化学的・電気化学的耐久性から、軟鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、炭素材料を用いることが好ましい。 Here, the material of the electrode base material is not particularly limited, but mild steel, stainless steel, nickel, nickel alloy, titanium, titanium alloy, and carbon material are preferably used from the viewpoint of chemical and electrochemical durability.

また、前記陰極に形成される触媒層は、水素発生能が高いものであることが好ましく、ニッケルやコバルト、鉄、白金族元素(例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム等)等を使用することができる。これらは、所望の活性や耐久性を実現するために、金属単体や、酸化物等の化合物、複数の金属元素からなる複合金属酸化物や合金、あるいはそれらの混合物として、触媒層を形成できる。具体的には、ラネーニッケルや、ニッケルとアルミニウム、あるいはニッケルとスズ等の複数の材料の組み合わせからなるラネー合金、ニッケル化合物やコバルト化合物を原料として、プラズマ溶射法により作製した多孔被膜、ニッケルと、コバルト、鉄、モリブデン、銀、銅等から選ばれる元素との合金や複合化合物、水素発生能の高い白金やルテニウム等の白金族元素の金属や酸化物、及び、それら白金族元素の金属や酸化物と、イリジウムやパラジウム等の他の白金族元素の化合物やランタンやセリウム等の希土類金属の化合物との混合物、グラフェン等の炭素材料等が挙げられる。高い触媒活性や耐久性を実現するために、上記の材料を複数積層してもよく、触媒層中に複数混在させてもよい。耐久性や基材との接触性を向上させるために高分子材料等の有機物が含まれていてもよい。 In addition, the catalyst layer formed on the cathode preferably has a high ability to generate hydrogen, and nickel, cobalt, iron, platinum group elements (e.g., ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, etc.), etc. are used. can do. In order to achieve desired activity and durability, these materials can form catalyst layers as simple metals, compounds such as oxides, composite metal oxides or alloys composed of multiple metal elements, or mixtures thereof. Specifically, Raney nickel, Raney alloys composed of a combination of multiple materials such as nickel and aluminum, or nickel and tin, porous coatings produced by plasma spraying using nickel compounds and cobalt compounds as raw materials, nickel and cobalt , iron, molybdenum, silver, copper, etc., alloys and composite compounds with elements selected from, etc., metals and oxides of platinum group elements such as platinum and ruthenium with high hydrogen generating ability, and metals and oxides of these platinum group elements and mixtures with compounds of other platinum group elements such as iridium and palladium, compounds of rare earth metals such as lanthanum and cerium, and carbon materials such as graphene. In order to achieve high catalytic activity and durability, a plurality of the above materials may be laminated, or a plurality of them may be mixed in the catalyst layer. An organic substance such as a polymer material may be contained in order to improve durability and contact with the substrate.

前記電極基材上に触媒層を形成させる方法としては、メッキ法、プラズマ溶射法等の溶射法、基材上に前駆体溶液を塗布した後に熱を加える熱分解法、触媒物質をバインダー成分と混合して基材に固定化する方法、及び、スパッタリング法等の真空成膜法といった手法が挙げられる。 The method for forming the catalyst layer on the electrode substrate includes a plating method, a thermal spraying method such as a plasma thermal spraying method, a thermal decomposition method in which a precursor solution is applied onto the substrate and then heat is applied, and a catalyst material is used as a binder component. Techniques such as a method of mixing and fixing to a substrate and a vacuum film forming method such as a sputtering method can be used.

なお、本実施形態の水電解電解槽は、60℃~110℃の温度範囲で運転することが好ましく、65~105℃の温度範囲であることがより好ましく、70~100℃の温度範囲であることがさらに好ましい。水の沸点近傍又はそれ以上の温度で運転することにより、水電解の反応速度を大幅に向上できる。 The water electrolysis cell of the present embodiment is preferably operated in a temperature range of 60°C to 110°C, more preferably in a temperature range of 65°C to 105°C, and more preferably in a temperature range of 70°C to 100°C. is more preferred. By operating at a temperature near or above the boiling point of water, the reaction rate of water electrolysis can be greatly improved.

<二酸化炭素還元電解槽>
本実施形態の二酸化炭素還元電解槽は、上述した本発明の電極を酸素発生電極として用いる。
本実施形態の二酸化炭素還元電解電解槽では、電解液中に陰極と陽極が浸漬され、陰極と陽極が電源に接続された構成となっている。ここで、前記陽極は酸素発生電極である。また、本実施形態の二酸化炭素還元電解電解槽は、前記陰極と前記陽極との間に、隔膜やイオン交換膜(プロトン交換膜やアニオン交換膜)が挟み込まれた構造であってもよいし、陰極としてガス拡散電極を用いることもできる。
<Carbon dioxide reduction electrolytic cell>
The carbon dioxide reduction electrolytic cell of the present embodiment uses the above-described electrode of the present invention as an oxygen generating electrode.
In the carbon dioxide reduction electrolytic cell of the present embodiment, the cathode and the anode are immersed in the electrolytic solution, and the cathode and the anode are connected to the power supply. Here, said anode is an oxygen evolution electrode. Further, the carbon dioxide reduction electrolytic cell of the present embodiment may have a structure in which a diaphragm or an ion exchange membrane (proton exchange membrane or anion exchange membrane) is sandwiched between the cathode and the anode, A gas diffusion electrode can also be used as the cathode.

本実施形態の二酸化炭素還元電解槽は、上述した水電解電解槽と同様の電解液を好ましく用いることができる。
また、本実施形態の二酸化炭素還元電解槽の陰極についても、上述した水電解電解槽と同様に、導電性のある金属若しくは炭素材料の多孔体であることが好ましい。
前記金属の多孔体及び触媒層を構成する物質としては、二酸化炭素還元活性が高いものが好ましく、目的生成物が一酸化炭素である場合は金、銀、亜鉛であることが好ましく、ギ酸である場合は、インジウム、錫、鉛であることが好ましく、エチレン又はエタノールである場合は銅であることが好ましい。
The carbon dioxide reduction electrolytic cell of the present embodiment can preferably use the same electrolytic solution as the water electrolytic cell described above.
Also, the cathode of the carbon dioxide reduction electrolytic cell of the present embodiment is preferably a conductive porous body of metal or carbon material, as in the water electrolytic cell described above.
The material constituting the metal porous body and the catalyst layer preferably has high carbon dioxide reduction activity. When the target product is carbon monoxide, gold, silver, and zinc are preferable, and formic acid is preferable. Indium, tin, and lead are preferable in the case of ethylene or ethanol, and copper is preferable in the case of ethylene or ethanol.

なお、本実施形態の二酸化炭素電解槽の運転条件は、反応速度と二酸化炭素の溶解度のバランスから、40~100℃の温度範囲であることが好ましく、50~90℃の温度範囲であることがより好ましく、55~80℃の温度範囲であることがさらに好ましい。 The operating conditions of the carbon dioxide electrolytic cell of the present embodiment are preferably in the temperature range of 40 to 100 ° C., more preferably in the temperature range of 50 to 90 ° C., from the balance between the reaction rate and the solubility of carbon dioxide. More preferably, the temperature range is from 55 to 80°C.

<電解装置>
本実施形態の電解装置は、上述した本発明の電極を酸素発生電極として用いた水電解電解槽又は二酸化炭素還元電解槽を備える。
かかる電解システムによれば、中性pH領域の電解液を用いた場合であっても、水電解又は二酸化炭素還元の際、電解電圧を抑えることができ、効率的な電解の実施が可能となる。
<Electrolyzer>
The electrolytic device of this embodiment includes a water electrolytic cell or a carbon dioxide reduction electrolytic cell using the above-described electrode of the present invention as an oxygen generating electrode.
According to such an electrolysis system, even when an electrolytic solution in the neutral pH range is used, the electrolysis voltage can be suppressed during water electrolysis or carbon dioxide reduction, and efficient electrolysis can be performed. .

なお、本実施形態の電解装置における電解槽の条件は、上述した本実施形態の水電解電解槽又は二酸化炭素還元電解槽の内容と同様である。 The conditions of the electrolytic cell in the electrolytic device of this embodiment are the same as those of the water electrolytic cell or the carbon dioxide reduction electrolytic cell of this embodiment described above.

以下、具体的な実施例、比較例を挙げて本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described below with specific examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(導電性基材の製造)
1cm×1cmのニッケルフォーム((株)ニラコ製、孔径0.5mm、厚み1.6mm)2枚を、それぞれ作用極、対極として、水銀/塩化水銀電極を参照極として炭酸カリウム緩衝液(水酸化カリウム水溶液と炭酸水素カリウム水溶液の混合により、炭酸アニオン種の合計濃度1.5mol/kg,25℃におけるpH=10.5になるように調製したもの)に浸漬した状態で、67℃に加温し、三電極式で電気化学的処理を行った。
まず、開回路電圧で20分間保持した後、50mAの酸化電流を25分間印加する処理を計3回繰り返した。その後、作用極を1.0V(可逆水素電極基準)で10分間保持した後、50mAの酸化電流を25分間印加する処理を計2回繰り返すことで、活性化処理を行い、サンプルの導電性基材を得た。
(Manufacture of conductive substrate)
Two pieces of 1 cm × 1 cm nickel foam (manufactured by Nilaco Corporation, pore size 0.5 mm, thickness 1.6 mm) were used as the working electrode and the counter electrode, respectively, and a mercury/mercury chloride electrode was used as a reference electrode. It was prepared by mixing an aqueous potassium solution and an aqueous potassium hydrogencarbonate solution so that the total concentration of carbonate anion species was 1.5 mol/kg and pH = 10.5 at 25 ° C.), and heated to 67 ° C. Then, electrochemical treatment was performed with a three-electrode system.
First, after maintaining the open circuit voltage for 20 minutes, the process of applying an oxidation current of 50 mA for 25 minutes was repeated three times. After that, after holding the working electrode at 1.0 V (based on the reversible hydrogen electrode) for 10 minutes, the process of applying an oxidation current of 50 mA for 25 minutes was repeated twice in total to perform an activation treatment, and the conductive group of the sample. got the wood.

(電気二重層容量の測定)
活性化処理した導電性基材を作用極として、電気化学処理前のニッケルフォームを対極、水銀/塩化水銀電極を参照極に用いた状態で、炭酸カリウム緩衝液に浸漬して80℃に加温し、三電極式で電気化学測定を行った。0.3~0.9V(可逆水素電極基準)の範囲を200、100、50、25、10mV/sで掃引してサイクリックボルタンメトリーを測定し、0.60Vの電流から電気二重層容量を測定した。ここで、電気二重層容量の値はアノードスキャン及びカソードスキャンから得られる値の平均値とした。活性化処理前のニッケルフォームの電気二重層容量は1.06±0.15mF(単位電極面積当たり1.06±0.15mF/cm)、活性化処理後のニッケルフォームの電気二重層容量は1.90±0.17mF(単位電極面積当たり1.90±0.17mF/cm)だった。
(Measurement of electric double layer capacity)
Using an activated conductive substrate as a working electrode, a nickel foam before electrochemical treatment as a counter electrode, and a mercury/mercury chloride electrode as a reference electrode, immerse in a potassium carbonate buffer and heat to 80°C. Then, electrochemical measurements were performed using a three-electrode system. Cyclic voltammetry is measured by sweeping the range of 0.3 to 0.9 V (reversible hydrogen electrode standard) at 200, 100, 50, 25, 10 mV / s, and the electric double layer capacity is measured from a current of 0.60 V. bottom. Here, the value of the electric double layer capacitance was the average value of the values obtained from the anode scan and the cathode scan. The electric double layer capacity of the nickel foam before the activation treatment is 1.06±0.15 mF (1.06±0.15 mF/cm 2 per unit electrode area), and the electric double layer capacity of the nickel foam after the activation treatment is It was 1.90±0.17 mF (1.90±0.17 mF/cm 2 per unit electrode area).

[比較例1:電析した鉄酸化物の電極]
上述のように活性化処理した導電性基材(ニッケルフォーム)を作用極に、白金線を対極に用い、5mMの硝酸鉄・九水和物(Fe(NO・9HO)水溶液に浸漬し、-10mA/cmで1時間電析を行い酸素発生電極とした。
上述した鉄酸化物を担持した酸素発生電極を作用極、白金線を対極、水銀/塩化水銀を参照極として、炭酸カリウム-炭酸水素カリウム緩衝液(1.5M,pH=10.5)に浸漬させた状態で80℃に加温し、三電極式で酸素発生反応評価を行った。
得られた電流密度と作用極の電位(iR補正)の関係を図1に示し、400mA/cmでオンオフ試験(オン15分間、オフ5分間)を行った時の作用極の電位(iR補正)の推移を図2に示す。
[Comparative Example 1: Electrodeposited iron oxide electrode]
A conductive substrate (nickel foam ) activated as described above was used as the working electrode, and a platinum wire was used as the counter electrode. and electrodeposited at −10 mA/cm 2 for 1 hour to obtain an oxygen generating electrode.
Using the above-described oxygen generating electrode supporting iron oxide as a working electrode, a platinum wire as a counter electrode, and mercury/mercury chloride as a reference electrode, immerse in a potassium carbonate-potassium hydrogen carbonate buffer (1.5 M, pH = 10.5). The mixture was heated to 80° C. in this state, and oxygen generation reaction was evaluated by a three-electrode method.
The relationship between the obtained current density and the potential of the working electrode (iR correction) is shown in FIG . ) is shown in FIG.

[比較例2:触媒を担持していない酸素発生電極]
上述のように活性化処理した導電性基材(ニッケルフォーム)をそのまま酸素発生電極として用いた以外は、比較例1と同じ条件で、酸素発生反応を実施した。電流密度と作用極の電位との関係を図1に示す。また、比較例1と同じ条件でオンオフ試験を行った時の電位(iR補正)の推移を図2に示す。
[Comparative Example 2: Oxygen Evolving Electrode Not Supporting Catalyst]
An oxygen evolution reaction was carried out under the same conditions as in Comparative Example 1, except that the conductive substrate (nickel foam) that had been activated as described above was directly used as the oxygen evolution electrode. FIG. 1 shows the relationship between the current density and the potential of the working electrode. FIG. 2 shows changes in potential (iR correction) when an on-off test was performed under the same conditions as in Comparative Example 1. In FIG.

[比較例3:チタンメッシュに酸化イリジウムを担持した酸素発生電極]
T.Naito,et al.,ChemSusChem 2020,13,5921-5933に記載の方法で、1cm×1cmの酸化イリジウム担持チタンメッシュを調製した。そして、この酸化イリジウム担持チタンメッシュを酸素発生電極として用いたこと以外は、比較例1と同じ条件で、酸素発生反応を実施した。電流密度と作用極の電位との関係を図1、オンオフ試験時の電位の推移を図2に示す。
[Comparative Example 3: Oxygen generating electrode in which titanium mesh supports iridium oxide]
T. Naito, et al. , ChemSusChem 2020, 13, 5921-5933, a 1 cm × 1 cm iridium oxide-supported titanium mesh was prepared. Then, an oxygen evolution reaction was carried out under the same conditions as in Comparative Example 1, except that this iridium oxide-supported titanium mesh was used as an oxygen evolution electrode. FIG. 1 shows the relationship between the current density and the potential of the working electrode, and FIG. 2 shows the transition of the potential during the on-off test.

[実施例1:鉄-銅酸化物を担持した酸素発生電極]
触媒の電析に、5mMの硝酸鉄・九水和物(Fe(NO・9HO)及び5mMの硝酸銅・九水和物(Cu(NO・9HO)を含有する水溶液を用い、鉄-銅酸化物を担持した酸素発生電極を得たこと以外は、比較例1と同じ条件で、酸素発生反応を実施した。電流密度と作用極の電位との関係を図1、オンオフ試験時の電位の推移を図2に示す。
また、実施例1で得られた酸素発生電極の走査電子顕微鏡写真を図3(a)及び(b)に示す。図3から、鉄-銅酸化物がナノ構造を形成していることがわかる。さらに、実施例1で得られた酸素発生電極の表面から採取した鉄-銅酸化物を透過型電子顕微鏡で観察した写真を図4(a)及び(b)に示す。図4から、数十nmの構造の中に、更に数nmの微細な黒点が存在しており、局所的にナノ粒子が形成していることがわかる。
[Example 1: Oxygen generating electrode supporting iron-copper oxide]
5 mM iron nitrate nonahydrate (Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O) and 5 mM copper nitrate nonahydrate (Cu(NO 3 ) 2.9H 2 O) were added for electrodeposition of the catalyst. An oxygen evolution reaction was carried out under the same conditions as in Comparative Example 1, except that an oxygen evolution electrode supporting iron-copper oxide was obtained by using the aqueous solution containing the iron-copper oxide. FIG. 1 shows the relationship between the current density and the potential of the working electrode, and FIG. 2 shows the transition of the potential during the on-off test.
Scanning electron micrographs of the oxygen generating electrode obtained in Example 1 are shown in FIGS. 3(a) and 3(b). From FIG. 3, it can be seen that the iron-copper oxide forms a nanostructure. 4(a) and 4(b) are photographs of the iron-copper oxide collected from the surface of the oxygen generating electrode obtained in Example 1 and observed with a transmission electron microscope. From FIG. 4, it can be seen that fine black spots of several nm are present in the structure of several tens of nm, and nanoparticles are locally formed.

[実施例2:鉄-銀酸化物を担持した酸素発生電極]
触媒の電析に、5mMの硝酸鉄・九水和物(Fe(NO・9HO)及び5mMの硝酸銀(AgNO)を含有する水溶液を用い、鉄-銀酸化物を担持した酸素発生電極を得たこと以外は、比較例1と同じ条件で、酸素発生反応を実施した。電流密度と作用極の電位との関係を図1に示す。
[Example 2: Oxygen generating electrode supporting iron-silver oxide]
For electrodeposition of the catalyst, an aqueous solution containing 5 mM iron nitrate nonahydrate (Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O) and 5 mM silver nitrate (AgNO 3 ) was used to support iron-silver oxide. An oxygen evolution reaction was carried out under the same conditions as in Comparative Example 1, except that an oxygen evolution electrode was obtained. FIG. 1 shows the relationship between the current density and the potential of the working electrode.

[実施例3:鉄-金酸化物を担持した酸素発生電極]
触媒の電析に、5mMの硝酸鉄・九水和物(Fe(NO・9HO)及び5mMのテトラクロロ金酸(HAuCl)を含有する水溶液を用い、鉄-金酸化物を担持した酸素発生電極を得たこと以外は、比較例1と同じ条件で、酸素発生反応を実施した。電流密度と作用極の電位との関係を図1に示す。
[Example 3: Oxygen generating electrode supporting iron-gold oxide]
An aqueous solution containing 5 mM iron nitrate nonahydrate (Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O) and 5 mM tetrachloroauric acid (HAuCl 4 ) was used for electrodeposition of the catalyst, and iron-gold oxide was deposited. An oxygen evolution reaction was carried out under the same conditions as in Comparative Example 1, except that an oxygen evolution electrode supporting was obtained. FIG. 1 shows the relationship between the current density and the potential of the working electrode.

図1及び図2に示した結果から、第一金属種と第二金属種を含む触媒を酸素発生電極に用いることにより、第一金属種のみからなる触媒を含んだ電極や、触媒の担持されていない導電性基材からなる電極を用いた場合に比べて、活性化過電圧がより低減できていることがわかる。
なお、比較例3では、強酸性~強塩基性の広いpH領域で酸素発生の活性が高いことが知られている酸化イリジウム触媒を酸素発生電極に用いており、通電開始当初は本実施形態の酸素発生電極よりも活性化過電圧が低いものの、中性pH領域では不安定で活性化過電圧が徐々に上昇する傾向にあり、400mA/cmで5分間通電した以降は、各実施例の酸素発生電極の方が、より低い活性化過電圧を示すことがわかる。
From the results shown in FIGS. 1 and 2, by using the catalyst containing the first metal species and the second metal species for the oxygen generating electrode, the electrode containing the catalyst consisting only of the first metal species and the catalyst supported can be obtained. It can be seen that the activation overvoltage can be further reduced as compared with the case of using an electrode made of a conductive base material that is not exposed.
In Comparative Example 3, an iridium oxide catalyst known to have high oxygen generation activity in a wide pH range from strongly acidic to strongly basic is used for the oxygen generating electrode. Although the activation overvoltage is lower than that of the oxygen generating electrode, it is unstable in the neutral pH region and the activation overvoltage tends to gradually increase. It can be seen that the electrode exhibits a lower activation overvoltage.

本発明によれば、発明によれば、中性pH領域において低活性化電圧を示す電極、水電解槽、水電解装置、二酸化炭素還元電解槽及び二酸化炭素電解装置の提供が可能となり、本発明の電解槽は、中性pH領域で使用できるため、水電解の分野で好適に利用できる。
According to the present invention, it is possible to provide an electrode, a water electrolyzer, a water electrolyzer, a carbon dioxide reduction electrolyzer, and a carbon dioxide electrolyzer that exhibit a low activation voltage in the neutral pH range. can be used in the neutral pH range, it can be suitably used in the field of water electrolysis.

Claims (16)

ニッケル、鉄及びコバルトからなる群より選択される少なくとも一種の第一金属元素と、銅、銀及び金からなる群から選ばれる少なくとも一種の第二金属元素と、を含む触媒を含有することを特徴とする、電極。 Characterized by containing a catalyst containing at least one first metal element selected from the group consisting of nickel, iron and cobalt and at least one second metal element selected from the group consisting of copper, silver and gold and electrodes. 前記触媒は、前記第一金属元素及び前記第二金属元素を含む金属酸化物であることを特徴とする、請求項1に記載の電極。 2. The electrode according to claim 1, wherein said catalyst is a metal oxide containing said first metal element and said second metal element. 前記触媒が、導電性基材に担持されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の電極。 3. The electrode according to claim 1, wherein said catalyst is supported on a conductive substrate. 前記導電性基材が、遷移金属を含有することを特徴とする、請求項3に記載の電極。 4. Electrode according to claim 3, characterized in that the conductive substrate contains a transition metal. 前記導電性基材が、多孔体であることを特徴とする、請求項3又は4に記載の電極。 5. The electrode according to claim 3, wherein said conductive substrate is a porous body. 前記遷移金属が、ニッケル、チタン及び鉄からなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする、請求項3~5のいずれか1項に記載の電極。 The electrode according to any one of claims 3 to 5, wherein the transition metal is at least one selected from the group consisting of nickel, titanium and iron. 前記導電性基材が、電気化学的に酸化還元する活性化処理によって製造されることを特徴とする、請求項3~6のいずれか1項に記載の電極。 The electrode according to any one of claims 3 to 6, characterized in that the conductive substrate is produced by an activation treatment of electrochemical redox. 前記導電性基材が、1.25mF/cm以上の電気二重層容量を有することを特徴とする、請求項3~7のいずれか1項に記載の電極。 The electrode according to any one of claims 3 to 7, characterized in that said conductive substrate has an electric double layer capacitance of 1.25 mF/cm 2 or more. 前記導電性基材を前記第一金属元素の可溶性塩及び前記第二元素の可溶性塩を含む電解液に浸し、電析することによって、前記触媒を得ることを特徴とする、請求項3~8のいずれか1項に記載の電極。 Claims 3 to 8, characterized in that the catalyst is obtained by immersing the conductive substrate in an electrolytic solution containing the soluble salt of the first metal element and the soluble salt of the second element and subjecting it to electrodeposition. The electrode according to any one of . 酸素発生用の電極であることを特徴とする、請求項1~9のいずれか1項に記載の電極。 The electrode according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it is an electrode for oxygen evolution. 請求項1~10のいずれか1項に記載の電極を酸素発生電極として用いることを特徴とする、水電解電解槽。 A water electrolyzer, characterized in that the electrode according to any one of claims 1 to 10 is used as an oxygen generating electrode. 非電解時のpHが1.5~12.6である緩衝液を電解液として用いることを特徴とする、請求項11に記載の水電解電解槽。 12. The water electrolytic cell according to claim 11, wherein a buffer solution having a pH of 1.5 to 12.6 when not electrolyzed is used as the electrolyte. 請求項11又は12に記載の水電解電解槽を備えることを特徴とする、水電解装置。 A water electrolysis apparatus comprising the water electrolysis cell according to claim 11 or 12. 請求項1~10のいずれか1項に記載の電極を酸素発生電極として用いることを特徴とする、二酸化炭素還元電解槽。 A carbon dioxide reduction electrolytic cell, wherein the electrode according to any one of claims 1 to 10 is used as an oxygen generating electrode. 非電解時のpHが1.5~12.6である緩衝液を電解液として用いることを特徴とする、請求項14に記載の二酸化炭素還元電解槽。 15. The carbon dioxide reduction electrolytic cell according to claim 14, wherein a buffer solution having a pH of 1.5 to 12.6 during non-electrolysis is used as the electrolyte. 請求項14又は15に記載の二酸化炭素還元電解槽を備えることを特徴とする、二酸化炭素電解装置。
A carbon dioxide electrolyzer comprising the carbon dioxide reduction electrolytic cell according to claim 14 or 15.
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