JP3723902B2 - Electrode for oxygen reduction and electrochemical device using the same - Google Patents

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Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、酸素を還元する反応に用いられる酸素還元用電極およびそれを用いた電気化学素子に関する。
【背景技術】
【0002】
酸素(O)を電解反応により還元した場合には、1電子還元、2電子還元又は4電子還元が起こることが知られている。1電子還元では、スーパーオキシドが生成する。2電子還元では、過酸化水素が生成する。4電子還元では、水が生成する(例えば、JACEK KIPKOWSKI、PHILIP N. ROSS編集、 ELECTROCATALYSIS、 WILEY-VCH 出版、1998年、204−205頁)。
【0003】
酸素の還元反応を電池の正極反応として用いる場合、大容量で、高電圧でしかも高出力電流の電池などを得ることが要求される。この場合、酸素の還元反応では、a)できるだけ多くの電子を移動させること、b)できるだけ貴な(プラスの)電位とすること、c)過電圧をできるだけ抑えることが要求される。そのためには、4電子還元反応を高電位で小さな過電圧で進行させる触媒を用いることが好ましい。このような触媒のひとつとして、白金(Pt)がある。
【0004】
しかしながら、白金は、次のような問題がある。(1)白金は高価な貴金属であり、コスト的に不利である。また、(2)白金は、酸素の還元のみならず、エタノール、水素などの燃料物質の酸化反応にも活性を示すため、反応の選択性に乏しい。このため、実際の利用にあたって、酸化反応、還元反応が行われる場所をセパレータなどで分けなければならない。(3)白金の表面は一酸化炭素又は水酸基により不活性化されやすく、高い触媒活性を維持することが困難なことがある。
【0005】
そこで、白金に代わる触媒を開発するため、これまでいくつかの取り組みがなされている。
【0006】
例えば、特公平2−030141号公報又は特公平2−030142号公報には、酸素ガス還元能を有する鉄フタロシアニン、コバルトポルフィリンなどの金属キレート化合物を担持した導電性粉末とフッ素樹脂の多孔質成形体よりなる触媒が提案されている。また、金属キレート化合物の2量体(二核錯体)を使うことによって、高い酸素還元能(4電子還元能)が達成でき、大きな出力の空気電池への応用に期待できることが知られている。
【0007】
例えば、コバルトポルフィリン二核錯体などのように、Cr、Mn、Fe、Coなどの遷移金属を中心金属とする大環状錯体を用いる酸素還元触媒の技術が開示されている(JACEK KIPKOWSKI、PHILIP N. ROSS編集、 ELECTROCATALYSIS、 WILEY-VCH 出版、1998年、232−234頁)。
【0008】
特開平11−253811号公報には、酸素還元用マンガン錯体触媒が開示されている。この錯体は、酸素の4電子還元反応を高い選択率で行うための触媒となる。この文献には、マンガン原子が、2価から7価の価数をとり、マイナス0.5Vからプラス2Vの電位範囲で酸素還元反応を触媒すると述べられている。
【0009】
これら触媒を実際に用いる場合には、安定性に優れる担体に触媒を担持されることが多い。電気化学素子の電極反応に用いる場合には、導電性のある担体としてカーボン材料が広く使用されている。例えば、カーボンブラック、活性炭、グラファイト、導電性炭素、ガラス状カーボンなどのカーボン材料が用いられる。これらカーボン材料は、通常では酸素を電解還元した際に、2電子還元反応を起こし、過酸化水素を与えることが知られている。
【発明の開示】
しかしながら、前記のような触媒を用いることによって高い電位を得ようとすれば、価数の大きな中心金属原子をもつ金属錯体が必要となる。このような金属錯体は反応性が高いため、金属錯体が接触する部材(例えば、電解液、電極リード、集電体、電池ケース、セパレータ、ガス選択透過膜など)と反応し、これら部材の劣化を引き起こすという難点がある。
【0010】
また、担体として用いるカーボン材料に関して、ヤシ殻活性炭、木質炭化物などは過酸化水素を分解する作用をもつことが知られている。例えば、過酸化水素分解触媒として高い性能をもつ活性炭としてアクリル繊維の炭化物、ビール粕の炭化物等が開示されている(特開平7−024315号公報、特開2003−001107号公報など)。
【0011】
しかしながら、カーボン材料自体のもつ触媒作用に関しては、一般的に知られている電極反応(すなわち、2電子還元反応)しか知られていない。酸素を還元する電極触媒としての触媒作用や有効性については、特に開示されていない。
【0012】
本発明の主な目的は、酸素を還元する反応において4電子還元反応をより高い選択率で与える酸素還元用電極を提供することにある。
【0013】
本発明のさらなる目的は、電解質に可溶の燃料物質に対してほとんど酸化活性を示さない安定な酸素還元用電極を提供することにある。
【0014】
すなわち、本発明は、下記の酸素還元用電極およびそれを用いた電気化学素子に係る。
【0015】
1. 酸素を4電子還元するために用いる酸素還元用電極を製造する方法であって、(1)酵母含有物質を炭化することにより炭化物を得る第一工程及び(2)前記炭化物を含む電極材料を用いて前記酸素還元用電極を製造する第二工程を有する製造方法。
2. 酵母含有物質が、ビール酵母、ワイン酵母、清酒酵母、ウイスキー酵母、パン酵母、食飼料酵母、ビール絞り粕、清酒粕、ワイン製造用葡萄汁絞り粕、ウイスキー製造用麦汁絞り粕、とうもろこし汁絞り粕及び醤油粕の少なくとも1種である前記項1記載の製造方法。
3. 第一工程において、酸素濃度が10体積%以下である雰囲気下で300℃以上1200℃以下で前記酵母含有物質を炭化する前記項1記載の製造方法。
・ 第一工程において、酸素濃度が10体積%以下である雰囲気下で500℃以上1000℃以下で前記酵母含有物質を炭化する前記項3記載の製造方法。
・ 前記雰囲気が不活性ガス雰囲気である前記項3記載の製造方法。
6. 第一工程において、炭化物をさらに賦活処理する前記項1記載の製造方法。
7. 第二工程において、前記電極材料を所定の形状に成形して成形体を得た後、前記成形体を導電体基体に積層又は圧着することにより前記酸素還元用電極が製造される、前記項1に記載の製造方法。
8. 第二工程において、前記電極材料をペースト状にして電極材料を含有するペーストを得た後、前記ペーストを導電性基体にコーティングすることにより前記酸素還元用電極が製造される、前記項1に記載の製造方法。
9. 前記酵母含有物質、炭化物及び電極材料の少なくともいずれかに、リン(P)及びカルシウム(Ca)の少なくとも1種を含む無機化合物を添加する前記項1記載の製造方法。
10. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収を示す前記項1記載の製造方法。
11. 前記炭化物が、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収を示す前記項1記載の製造方法。
12. 前記炭化物が、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収を示す前記項1記載の製造方法。
13. 前記炭化物が、約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す前記項1記載の製造方法。
14. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収、および約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す前記項1記載の製造方法。
15. 前記酵母含有物質、炭化物及び電極材料の少なくともいずれかに、金属及びその酸化物の少なくとも1種を添加する前記項1記載の製造方法。
16. 酸化物が一般式MnO(ただし、yはマンガン(Mn)の価数で決まる酸素の原子数であって、2未満である。)で表されるマンガン低級酸化物である前記項15記載の製造方法。
17. 酵母含有物質を炭化して得られる炭化物を含む電極であって、酸素を4電子還元するために用いる酸素還元用電極。
18. リン(P)及びカルシウム(Ca)の少なくとも1種を含む無機化合物を含む前記項17記載の酸素還元用電極。
19. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収を示す前記項17記載の酸素還元用電極。
20. 前記炭化物が、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収を示す前記項17記載の酸素還元用電極。
21. 前記炭化物が、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収を示す前記項17記載の酸素還元用電極。
22. 前記炭化物が、約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す前記項17記載の酸素還元用電極。
23. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収、および約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す前記項17記載の酸素還元用電極。
24. 金属及びその酸化物の少なくとも1種を含む前記項17記載の酸素還元用電極。
25. 前記酸化物が、MnO(ただし、yはマンガン(Mn)の価数で決まる酸素の原子数であって、2未満である。)で表されるマンガン低級酸化物である前記項24記載の酸素還元用電極。
26. 前記炭化物が粒子状であって、前記炭化物を含む電極材料が導電性基体に担持されてなる前記項17記載の酸素還元用電極。
27. 導電性基体が、通気性である前記項26記載の酸素還元用電極。
28. 中性水溶液電解質中で分子状酸素を電気化学的に還元するために用いる前記項17記載の酸素還元用電極。
29. a)酸素を4電子還元する正極、b)負極及びc)電解質を含み、かつ、上記正極が酵母含有物質を炭化して得られる炭化物を含む電気化学素子。
30. 前記正極が、リン(P)及びカルシウム(Ca)の少なくとも1種を含む無機化合物を含む前記項29記載の電気化学素子。
31. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収を示す前記項29記載の電気化学素子。
32. 前記炭化物が、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収を示す前記項29記載の電気化学素子。
33. 前記炭化物が、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収を示す前記項29記載の電気化学素子。
34. 前記炭化物が、約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す前記項29記載の電気化学素子。
35. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収、および約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す前記項29記載の電気化学素子。
36. 前記正極が金属及びその酸化物の少なくとも1種を含む前記項29記載の電気化学素子。
37. 前記酸化物が、MnO(ただし、yはマンガン(Mn)の価数で決まる酸素の原子数であって、2未満である。)で表されるマンガン低級酸化物である前記項36記載の電気化学素子。
38. 前記炭化物が粒子状であって、前記炭化物を含む電極材料が導電性基体に担持されて前記正極が構成されている前記項29記載の電気化学素子。
39. 導電性基体が、通気性である前記項38記載の電気化学素子。
40. 電解質が、中性水溶液電解質である前記項29記載の電気化学素子。
41. 負極の反応が、電解質に可溶の燃料物質から電気化学的に電子を取り出す酸化反応であることを特徴とする前記項29記載の電気化学素子。
42. 前記電解質に、糖類及びアルコール類の少なくとも1種が含まれている前記項29記載の電気化学素子。
43. 酸素の4電子還元を行う方法であって、
a)酵母含有物質を炭化して得られる炭化物を含む正極、b)負極及びc)電解質を含む電池を提供する電池提供工程、および
上記正極に酸素を供給することによって酸素の4電子還元を行う酸素供給工程
を含む還元方法。
44. 前記正極が、リン(P)及びカルシウム(Ca)の少なくとも1種を含む無機化合物を含む前記項43記載の還元方法。
45. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収を示す前記項43記載の還元方法。
46. 前記炭化物が、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収を示す前記項43記載の還元方法。
47. 前記炭化物が、約2100cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収を示す前記項43記載の還元方法。
48. 前記炭化物が、約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す前記項43記載の還元方法。
49. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収、約2100cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収、および約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す前記項43記載の還元方法。
50. 前記正極が金属及びその酸化物の少なくとも1種を含む前記項43記載の還元方法。
51. 前記酸化物が、MnO(ただし、yはマンガン(Mn)の価数で決まる酸素の原子数であって、2未満である。)で表されるマンガン低級酸化物である前記項50記載の還元方法。
52. 前記炭化物が粒子状であって、前記炭化物を含む電極材料が導電性基体に担持されて前記正極が構成されている前記項43記載の還元方法。
53. 導電性基体が、通気性である前記52記載の還元方法。
54. 電解質が、中性水溶液電解質である前記項43記載の還元方法。
55. 負極の反応が、電解質に可溶の燃料物質から電気化学的に電子を取り出す酸化反応であることを特徴とする前記項43記載の還元方法。
56. 前記電解質に、糖類及びアルコール類の少なくとも1種が含まれている前記項43記載の還元方法。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】試験電極1と2、および各比較電極における酸素還元反応に対する電圧(起電力)−電流特性を示す図である。
【図2】試験電極3、4、5、6、および各比較電極における酸素還元反応に対する電圧(起電力)−電流特性を示す図である。
【図3】本発明の一実施例の測定における3極電極セルの断面図である。
【図4】本発明の他の一実施例における発電セルの断面図である。
【符号の説明】
【0017】
1 空気電極
1a 空気極混合物
1b フッ素樹脂多孔質シート
1c 電極リード
2 対極
3 参照電極
4 電解液
5 ガラスセル
6 ガラス基板
7 ITO薄膜
8 TiO微粒子薄膜
9 色素分子層
10 電解液・燃料液
11 空気極
12 酸素透過性撥水膜
13a 電解液・燃料液注入口
13b 電解液・燃料液排出口
14a、14b 液バルブ
15 負極リード
16 正極リード
17 封止材
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
1. 酸素還元用電極及びその製造方法
本発明の酸素還元用電極は、(1)酵母含有物質を炭化することにより炭化物を得る第一工程及び(2)前記炭化物を含む電極材料を用いて電極を製造する第二工程を有する製造方法により作製される。
【0019】
(1)第一工程
第一工程では、酵母含有物質を炭化することにより炭化物を得る。
【0020】
酵母類
酵母含有物質としては、酵母そのもののほか、酵母の絞り粕のような酵母由来の物質であってもよい。これらは、1種又は2種以上で用いることができる。
【0021】
酵母としては、例えばビール酵母、ワイン酵母、清酒酵母、ウイスキー酵母、パン酵母、食飼料酵母等の各種の酵母が使用できる。
【0022】
絞り粕としては、例えばビール絞り粕、清酒粕、ワイン製造用葡萄汁絞り粕、ウイスキー製造用麦汁絞り粕、とうもろこし汁絞り粕、醤油粕等が挙げられる。これらの絞り粕を使用する場合には、資源の有効利用、原料コストの低減等のメリットが得られる。
【0023】
これら酵母含有物質の中でも、それを炭化した場合にリン及びカルシウムを比較的多く含むものが好ましい。このような酵母を用いる場合には、より高い酸素還元効果を得ることができる。例えば、ビール酵母及びその絞り粕の少なくとも1種を好適に使用することができる。
【0024】
本発明では、必要に応じて、酵母含有物質に他の添加剤を配合することもできる。その添加量は、添加剤の種類等に応じて適宜決定することができる。
【0025】
例えば、炭化物の取り扱い性を向上するために、有機バインダー(ポリビニルアルコール、ブチラール樹脂等)又は無機バインダー(無水ケイ酸等)のバインダーを添加することができる。
【0026】
また、溶剤を酵母含有物質に配合することもできる。例えば、フェノール又はフェノール誘導体(例えば、モノニトロフェノール、ジニトロフェノール、トリニトロフェノール、レジルシノール、1,4−ジ−ヒドロキシベンゼン、m−クレゾール、p−クレゾールなど)の有機溶剤を用いることができる。
【0027】
炭化処理及び賦活処理
上記酵母含有物質を炭化することにより炭化物をつくる。通常は、酵母含有物質を熱処理することによって炭化物を得ることができる。熱処理条件は、用いる酵母含有物質の組成、所望の炭化物の特性等に応じて適宜設定することができる。
【0028】
熱処理温度は、一般的には300℃以上1200℃以下程度の範囲で設定することができる。1200℃を超える場合には、黒鉛化が進行するため、それ以下の温度で処理するのが好ましい。より好ましくは、500℃以上1000℃以下の範囲とする。500℃以上とすることにより、より良好な導電性を付与することができる。また、1000℃以下とすることにより、酸素還元活性を与えて反応を効率的に行わせるための上述のC−O−C結合などを炭素成分中に残存させることができる。
【0029】
熱処理時間は、炭化が十分進行するように、熱処理温度、使用する酵母類含有材料の種類・量等に応じて適宜設定すれば良い。
【0030】
熱処理雰囲気としては、約300℃以上で加熱する場合には酵母類を燃焼させないために酸素濃度が低い状態又は酸素が実質的に存在しない状態にしておくことが好ましい。具体的には、酸素濃度が10体積%以下の雰囲気、さらには1体積%以下の雰囲気に設定することが好ましい。特に、不活性ガス雰囲気(窒素、アルゴン、ヘリウム等)又は真空中とすることが望ましい。
【0031】
炭化処理の後、得られた炭化物を賦活処理することが望ましい。賦活処理によって、炭化物の比表面積を高めて活性を向上させたり、被反応物との親和性を高めたり、担持する際の他の材料との親和性を高めたり、表面の酸性度を調節したりすることができる。
【0032】
賦活処理の方法は、公知の方法に従って実施することができる。例えば、1)水蒸気、二酸化炭素などによるガス賦活法、2)塩化アンモニウム、塩化亜鉛、水酸化カリウムなどによる薬品賦活法を用いることができる。賦活処理の温度は処理方法によって異なる。例えば、ガス賦活法では、前記炭化処理と同程度の温度が好ましい。薬品賦活法では、室温で処理したり、薬品に晒した後に前記炭化処理と同程度の温度までの範囲で処理することができる。
【0033】
(2)第二工程
第二工程では、前記炭化物を含む電極材料を用いて電極を製造する。
【0034】
炭化物
炭化物は、一般に、酵母含有物質(酵母類の繊維質、糖質に由来する構造など)に由来する構造を有する有機成分を含む。
【0035】
特に、上記炭化物は、赤外吸収分光において波数1000cm−1から1200cm−1範囲の約1100cm−1の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮吸収及び/又は約1600cm−1の不飽和炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮吸収を示すことが好ましい。これは、他の活性炭、カーボンブラックなどには見られない特徴であり、本発明に特有のものである。
【0036】
また、炭化物は、赤外吸収分光には炭素成分と無機成分のどちらに由来するかは明確ではないが、親水性をもつカルボニル基に起因した約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)伸縮吸収及び/又は水酸基に起因した約3000cm−1近傍の酸素(O)−水素(H)伸縮吸収を示すことが好ましい。
【0037】
これらの吸収を示す成分を含む炭化物を用いることによって、電極特性の向上により効果的に寄与することができる。このような炭化物の組成としては、一般的には炭素成分及び無機成分を含んでいる。
【0038】
炭素成分は、結晶質又は非晶質のいずれであってもよいが、特に非晶質であることが望ましい。また、上記炭素成分は、一般的には、導電性を有することが好ましい。
【0039】
無機成分は、用いる酵母含有物質の組成等によって異なるが、一般的には酵母類に由来した成分として、リン(P)、カルシウム(Ca)、カリウム(K)、マグネシウム(Mg)等が含まれる。より好ましくは、主成分としてP及びCaを含む。これらの無機成分は、酸化物、リン酸塩、炭酸塩等の形態で存在していてもよい。炭化物中における無機成分の総含有量も、用いる酵母含有物質の種類等によって異なるが、通常は10質量%以上、好ましくは20質量%以上を含有する。この点において、無機成分の総含有量が数質量%である活性炭、カーボンブラック等と異なる。
【0040】
なお、無機成分の含有量は、炭化物をCHN元素分析した際の灰分で測定され、元素量に関しては蛍光X線元素分析、イオンクロマト分析等で測定することができる。
【0041】
本発明では、上記無機成分を補充するために、これらの無機成分を含む化合物を別途に配合することもできる。特に、リン及びカルシウムの少なくとも1種を含む無機化合物を好適に用いることができる。リン酸、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸水素ナトリウム、リン酸水素カルシウム、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウムのほか、リン酸塩、無機カルシウム塩等の1種又は2種以上を用いることができる。
【0042】
また、無機成分を含む化合物は、上記酵母含有物質又は炭化物のいずれにも配合できるが、特に酵母含有物質に配合することが望ましい。
【0043】
炭化物の形態は、上記のような物性を有していれば限定されないが、通常は粒状ないしは粉末状(粉粒体)であることが好ましい。炭化物が粉粒体である場合は、タイラー篩200メッシュ以上を通過する粒度とすることが好ましい。さらに、最大粒径(直径)が20μm以下、より好ましくは1μm以上20μm以下とすることが特に好ましい。一般に還元反応は粉粒体の表面で生じるため、20μmを越えると使用量に対する効率が低下するおそれがある。粒度の調整は、公知の粉砕機、分級機等を使用すればよい。
【0044】
電極材料
上記炭化物を含む電極材料を用いて電極を作製する。電極材料には、電極特性等の向上のために各種の材料を必要に応じて配合することができる。これらの材料は、本発明の効果を妨げない範囲内で、あらかじめ上記酵母含有物質に配合しておくことも可能である。
【0045】
例えば、酸素を取り込んだり又は酸素を放出したりする能力(酸素交換能力)をより高めるために金属及びその酸化物の少なくとも1種を配合することができる。例えば、Mn、Mn、Mn、γ−MnOOH(MnとMnのとの混合物)などのマンガン低級酸化物MnO(yは、マンガンの価数で決まる酸素の原子数であり、2未満である);酸化ルテニウム、Cux−1SrTiO(x=0〜0.5)、LaSr1−xMnO(x=0〜0.5)、SrTiOなどのペロブスカイト酸化物のほか、酸化バナジウム、白金黒などが挙げられる。
【0046】
この中でも、マンガン低級酸化物は、過酸化水素の分解活性が高く、劣化が少なく、しかも安価であるという点で好ましい。マンガン低級酸化物とは、マンガン原子の原子価が4に満たないマンガン酸化物のことである。これは、たとえば使用後のマンガン乾電池の二酸化マンガン正極をそのまま使用したり、あるいは焼成したものを用いることができるので、資源の有効利用という観点からも特に好ましい。
【0047】
上記金属又はその酸化物の添加量は、用いる金属酸又はその化合物の種類、所望の電極特性等に応じて適宜決定することができるが、最終的に得られる電極中において1重量%以上50重量%以下、特に5重量%以上20重量%以下となるように設定することが望ましい。
【0048】
また、その他にも各種の添加剤を電極材料に配合することができる。添加剤は、例えば1)他の材料との親和性の調節、2)表面(電極表面)の酸性度の調節、3)触媒活性の付与、4)助触媒の提供、5)過電圧の低減などの目的で用いることができる。このような添加剤としては、上記添加目的に応じて有機材料、無機材料、これらの複合材料、これらの混合物等のいずれも使用することができる。より具体的には、白金、コバルト、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、金、銀、銅、白金−コバルト合金、白金−ルテニウム合金などの金属又は合金;黒鉛、活性炭などの炭素材料;酸化銅、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化ルテニウム、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化マンガン、ランタン−マンガン−銅ペロブスカイト酸化物などの金属酸化物;鉄フタロシアニン、コバルトフタロシアニン、銅フタロシアニン、マンガンフタロシアニン、亜鉛フタロシアニンなどのポルフィリン環を有する金属フタロシアニンあるいは金属ポルフィリン、ルテニウムアンミン錯体、コバルトアンミン錯体、コバルトエチレンジアミン錯体などの金属錯体などを用いることができる。
【0049】
上記金属錯体の中心金属元素としては限定的ではないが、特に白金、ルテニウム、コバルト、マンガン、鉄、銅、銀及び亜鉛の少なくとも1種が好ましい。これらの金属元素を用いることにより、酸素の還元反応をより小さな過電圧で進行できる。また、金属元素の価数は4以下が好ましい。価数を4以下とすることにより、触媒の酸化力をより効果的に抑制することができる。その結果、電気化学素子の構成要素(例えば、電解質、電極リード、集電体、電池ケース、セパレータ、ガス選択透過膜など)の酸化による劣化を有効に防止することができる。
【0050】
上記添加物の添加量は、用いる材料の種類、所望の電極特性等に応じて適宜決定することができるが、最終的に得られる電極中1重量%以上80重量%以下、特に20重量%以上60重量%以下となるようにすることが望ましい。
【0051】
上記電極材料は、公知の電極材料に添加される材料を含んでいてもよい。例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ナフィオン等のフッ素樹脂バインダー、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等の樹脂バインダー、グラファイト、導電性カーボン、親水性カーボンブラック、疎水性カーボンブラック等の導電助剤等を必要に応じて適宜添加することができる。
【0052】
電極の作製
電極の作製については、上記電極材料を用い、公知の電極の製法に従って製造すればよい。例えば、予め作製された電極材料の成形体を導電性基体(集電体)に積層又は圧着する方法、電極材料を含むペーストを導電性基体上にコーティングする方法、導電性材料と電極材料を混合して成形する方法等により作製することができる。
【0053】
上記導電性基体は、例えばカーボン繊維を紙すき法で製紙したカーボンペーパー;ステンレス鋼メッシュ、ニッケルメッシュなどの金属メッシュ;カーボン粉末、金属粉末等をフッ素樹脂バインダーなどの合成樹脂バインダーでつなぎ合わせてシート状に加工した導電性の複合材料シートなどを有効に用いることができる。
【0054】
また、上記ペーストを調製する場合は、バインダを適当な溶媒に溶解することによりペーストを得ることができる。例えば、バインダとしてポリテトラフルオロエチレンを用いる場合、溶媒としてエタノール等のアルコール類を使用することができる。バインダの濃度は、用いるバインダの種類等に応じて適宜決定すればよい。
【0055】
酸化還元用電極
本発明は、本発明の製造方法で得られる酸化還元用電極も包含する。すなわち、酵母含有物質を炭化して得られる炭化物を含む電極であって、酸素を4電子還元するために用いる酸素還元用電極が包含される。従って、本発明に係る電極において、上記酵母含有物質、炭化物等の構成要素は、前記で掲げたものを採用すればよい。
【0056】
本発明の酸素還元電極では、上記炭化物の含有量は制限されず、電極の用途、使用目的等に応じて適宜設定することができる。特に、電極中に上記炭化物が1重量%以上80重量%以下、特に20重量%以上60重量%以下含まれていることが望ましい。かかる範囲に設定することによって、より優れた4電子還元性能を得ることができる。
【0057】
本発明の酸素還元用電極では、これを電池の正極として用いる場合には、以下の反応が起こる。
【0058】
本発明の酸素還元用電極においては、O+HO+2e→OH+ HO2−(アルカリ液中)で表される酸素の2電子還元反応(1)が起こり、過酸化水素(H、アルカリ液中ではHO2−で表される過酸化水素イオン)が生成する。さらに、生成した過酸化水素イオンが2HO2−→O+2OHで表される分解反応(2)を起こし、再び酸素を生成する。この酸素は、再び2電子還元を受け、過酸化水素イオンを生成する。
【0059】
酸素1分子が、2電子還元反応(1)により過酸化水素イオン1分子を生成する。生成した過酸化水素イオン1分子は、分解反応(2)により1/2分子の酸素を与える。1/2分子の酸素分子は、2電子還元反応(1)により1/2分子の過酸化水素イオンを生成する。生成した1/2分子の過酸化イオンは、分解反応(2)により1/4分子の酸素を再生する。1/4分子の酸素分子は、2電子還元反応(1)により1/4分子の過酸化水素イオンを生成する。生成した1/4分子の過酸化イオンは、分解反応(2)により1/8分子の酸素を与える。このように、2電子還元反応(1)と分解反応(2)とが繰り返し起こる。
【0060】
すなわち、酸素1分子の還元に対し、2電子、1電子、1/2電子、1/4電子、1/8電子、・・・・、(1/2)n電子(n→無限大)の合計4電子が用いられ、実質的に酸素1分子が2電子還元反応の電位で4電子還元反応を受けたのと同じとなる。換言すれば、O+2HO+4e→4OHの反応が起こったことと同じ結果となる。
【0061】
酵母含有物質の炭化物の働きに関しては、酸素分子の2電子還元反応が炭素成分で生じてその際に生成した過酸化水素をすぐに無機成分が分解し、さらに生成した酸素をすぐに2電子還元反応することが繰り返されることにより、4電子還元が実質的に生じると考えられる。このような反応は、炭素成分と無機成分が極めて近傍に存在していることにより生じると考えられる。おそらく炭素成分と混在した無機の主成分であるリン、カルシウムなどの元素がいろいろな酸化状態を有するために、酸素交換能力が高く過酸化水素の分解を促進していると考えられる。
【0062】
また、これらは炭素成分の近傍において、酸素に対する親和性の高さに加えて水に対する親和性も高くしているために2電子還元反応も促進していると考えられる。さらに、炭素成分自体もC−O−C結合やC=O結合、OH基なども有し、酸素や過酸化水素に対する親和性や水に対する親和性も高くなっているために効率的な還元反応が進行しているものと考えられる。また、ケイ素など他の無機成分も酸化状態として存在しているため、反応を促進する助触媒的な働きもしている可能性が考えられる。いずれにしても、各成分の相乗的な作用によって4電子還元反応が選択的に進行していると考えられる。
【0063】
このように、本発明の酸素還元用電極は、酵母含有物質の炭化物による電気化学的な触媒作用によって、酸素を電極反応物質とした電気化学還元に対して酸素の還元経路を与え、4電子還元反応を高い選択率(100%に近い選択率)で起こすことができる。
(2)電気化学素子
本発明の電気化学素子は、a)酸素の還元反応を正極反応とする正極、b)負極及びc)電解質を含み、かつ、上記正極が酵母含有物質を炭化して得られる炭化物を含むことを特徴とする。
【0064】
すなわち、本発明の電気化学素子では、基本的には上記正極として本発明に係る電極を用いる。負極としては、例えば白金、亜鉛、マグネシウム、アルミニウム、鉄等の公知の電極を使用することができる。
【0065】
本発明の電気化学素子は、正極として本発明の酸素還元用電極を使用するほかは、公知の電気化学素子の構成要素を適用することができる。例えば、電解質、セパレータ、容器、電極リード等は、公知又は市販のものを用いることができる。
【0066】
特に、電解質としては、電解液又は固体電解質のいずれでもよいが、特に電解液を好適に用いることができる。電解液を用いる場合、その溶媒は水又は有機溶媒のいずれであってもよい。この中でも、水溶液を電解液として用いることが好ましい。電解液のpHは限定的ではないが、特にpH6からpH9の中性領域とすることが好ましい。本発明では、より高い活性が得られるという点で中性水溶液を電解質として用いることが望ましい。
【0067】
電解質には、燃料物質が含まれていることが望ましい。特に、中性水溶液に燃料物質が溶解されていることが好ましい。このときの負極の反応としては、電解質に溶解した燃料物質から電気化学的に電子を取り出す酸化反応であることが好ましい。上記燃料物質としては、用いる電解質(特に中性水溶液)に可溶なものであれば特に限定されないが、好ましくは糖類及びアルコール類の少なくとも1種である。糖類としては、たとえばグルコース、フルクトース、マンノース、スターチ、セルロールなどが挙げられる。アルコール類としては、たとえばメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、グリセロールなどが挙げられる。
【0068】
電解質中における燃料物質の含有量(濃度)は、用いる燃料の種類、溶媒の種類等によるが、一般的には0.01重量%以上100重量%以下程度、特に1重量%以上20重量%以下とすることが望ましい。
【0069】
本発明の電気化学素子において、酸化還元用電極は、たとえば1)酸素を含む気体、2)電解質溶液からなる液体、3)導電材からなる固体の三相が接触する場所に配置して用いるのが好ましい。このように、本発明に係る電極(特に酵母類の炭化物)をイオンの経路と電子の経路の交差点に配置することにより、酸素の電気化学的還元を小さな過電圧(抵抗)でスムーズに起こすことが可能となり、大きな電流値を得ることができる。
【0070】
本発明の酸素還元用電極は、電解質に可溶の燃料である糖類あるいはアルコール類に対してほとんど酸化活性を示さない。このため、本発明に係る電極をプラス極(正極)として用い、糖類又はアルコール類の溶液を電解質とし、糖類又はアルコール類を酸化するためのマイナス極(負極)をすることによって、発電セルを構成することができる。この場合、正極側と負極側とをセパレータで隔離しなくても、正極に電解質に溶解した燃料である糖類あるいはアルコール類が直接接触しても発電セルの電圧が低下することはない。もちろん、本発明の電気化学素子では、必要に応じてセパレータを使用してもよい。
【0071】
本発明の電気化学素子では、酵母含有物質を炭化して得られる炭化物を含む電極を正極として用いるので、前記で説明したような酸素の4電子還元反応が起こる。換言すれば、本発明の電気化学素子を用いることによって、酸素の4電子還元反応を行うことができる。
【発明の効果】
【0072】
本発明における酸化還元用電極は、酵母含有物質の炭化物を用いることによって、効率的に電気化学的に酸素還元可能な電極を得ることができる。
【0073】
すなわち、本発明に係る電極は、酸素分子の2電子還元反応を触媒する従来の炭素系材料では知られていなかった、実質的な4電子還元反応作用を示す。
【0074】
本発明に係る電極は、イオンの経路と酸素の経路の交差点に配置されることによって、酸素の電気化学的還元を小さな過電圧(抵抗)でスムーズに起こすことが可能になる。その結果、大きな起電力でかつ大きな電流値を得ることができる電気化学素子を提供できる。
【0075】
特に、本発明に係る電極は、酸素分子の還元反応が実質的に4電子で進行するために、従来の4電子還元触媒である白金などの貴金属触媒の代替品となる。これによって、1)安価である、2)酸化反応・還元反応が行われる場所をセパレータなどで分ける必要がない、3)被毒などによる触媒の不活性化を抑制できる、などの特徴を兼ね備えた電極を提供することが可能になる。
【0076】
また、酵母含有物質を炭化して得られた炭化物を触媒の担体として酸化還元用電極に用いることにより、担持体自体が電気化学的に還元反応を触媒するため、白金などの貴金属触媒の使用量を低減することも可能になる。
【0077】
さらには、おそらく白金などの貴金属触媒の被毒等による性能低下を抑制する効果も保有しているものと考えられ、より高い性能向上を図ることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【0078】
本発明によれば、酸素の電気化学還元に対して、実質上4電子還元反応を100%に近い選択率で与える安定性にも優れた酸素還元用電極を提供することができる。このような酸素還元用電極を、酸素の還元反応を正極反応として用いる電気化学素子の酸素極、空気極などに利用することができる。例えば、亜鉛―空気電池、アルミニウム―空気電池、砂糖―空気電池などの空気電池;酸素水素燃料電池、メタノール燃料電池などの燃料電池;酵素センサ、酸素センサなどの電気化学センサ;などに好適に用いることができる。
【0079】
以上のように、本発明の電極及びその製造方法は、工業的規模での生産に適した方法であり、実用性の高いものである。
【実施例】
【0080】
以下に実施例及び比較例を示し、本発明をより詳細に説明する。ただし、本発明の範囲は、実施例に限定されない。
【0081】
(実施例1)
試験電極1、2の作製
ビール酵母を含有するビール絞り粕材料を窒素雰囲気下800℃で炭化した後に、水蒸気賦活を900℃で行って得られた炭化物を用いて試験電極1、2を作製した。
【0082】
得られた炭化物の固定炭素は約64質量%であった。元素分析における灰分は約30質量%であった。そのうちの無機成分については、蛍光X線分析によってリン(P)が約30質量%、カルシウム(Ca)が23質量%、マグネシウム(Mg)が7質量%、カリウム(K)が3質量%、ケイ素(Si)が約20質量%などであり、PとCaが主成分であることがわかった。また、赤外分光によって、特性吸収として波数約1110cm−1に吸収ピークを有するC−O−C吸収、約1570cm−1に吸収ピークを有するC=C吸収、約1705cm−1に吸収ピークを有するC=O吸収、3000cm−1近傍のブロードなO−H吸収が観察された。これらは、炭素のみの完全な炭化物ではなく、炭化前の酵母含有物質の分子構造に由来するものである。
【0083】
得られた炭化物を最大直径が10μm以下となるように粉砕して得た。この粉末25μgを、プロトン伝導性のナフィオン(製品名「Nafion112」デュポン社製、以下同じ。)を0.05質量%溶解したエタノール溶液5μlに分散した。得られた分散液を通気性の導電性基体に全面を覆うように滴下し、温風乾燥してエタノールを蒸発させ、さらに同分散液を再度滴下し、エタノールを蒸発させることで炭化物とナフィオンを含む試験電極を作製した。
【0084】
通気性の導電性基体としては、厚さ0.36mmのカーボンペーパー(製品名「TGPH−120」東レ製、以下同じ。)を用いた。カーボンブラック粒子1重量部およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)バインダー0.1重量部からなる混合物を2.25mg/cmとなるようにカーボンペーパーに保持させて得た防水性のカーボンペーパー基体と、防水性処理をしていないカーボンペーパー基体とを用いた。
【0085】
防水性カーボンペーパー基体の表面に、前述の方法で炭化物が4.2mg/cmとなるようにコートした試験電極1を得た。また、カーボンペーパー基体に前述の方法で炭化物が2mg/cmとなるように形成した試験電極2を得た。
【0086】
(実施例2)
試験電極3の作製
ビール酵母を含有するビール絞り粕材料を窒素雰囲気下800℃で炭化した後に、水蒸気賦活を900℃で行った。得られた炭化物(平均粒径約5μm)4重量部を、マンガン低級酸化物(MnとMnとの混合物、平均粒径約10μm)4重量部、カーボンブラック1重量部、フッ素樹脂バインダー(PTFE)0.2重量部とを混合した。この混合物を通気性の導電性基体のニッケルめっきステンレス鋼金網(厚み0.15mm、25メッシュ)を芯材とするシートを作製した。次に、このシートの片面にフッ素樹脂多孔質シート(空孔率約50%、厚み0.2mm)を圧着して厚み約3mmの試験電極3を作製した。
【0087】
(実施例3)
試験電極4の作製
ビール酵母5重量部とリン酸水素カルシウム0.1重量部を無水ケイ酸バインダー0.1重量部に混合して成形固化した。得られた混合物を窒素雰囲気下900℃で炭化した。得られた炭化物を最大直径が20μm以下となるように粉砕した。得られた粉末25μgを、ナフィオンを0.05質量%溶解したエタノール溶液5μlに分散した。この分散液を実施例1で用いた防水処理したカーボンペーパー基体に全面を覆うように滴下し、温風乾燥してエタノールを蒸発させることで炭化物とナフィオンを含む試験電極4を作製した。なお、炭化物が2mg/cmとなるように形成した。
【0088】
(実施例4)
試験電極5の作製
ビール酵母を窒素雰囲気下800℃で炭化した後に、水蒸気賦活を900℃で行って炭化物を得た。この炭化物を最大直径が10μm以下となるように粉砕した。得られた粉末を塩化白金酸の3mmol/Lのエタノール溶液に含浸することにより白金塩を付与した。これに室温で水素化ホウ素ナトリウムを加えて還元して白金を担持した。このときの白金担持率は、約10質量%であった。この白金を添加した炭化物25μgを、プロトン伝導性のナフィオンを0.05質量%溶解したエタノール溶液5μlに分散した。この分散液を実施例1で用いた防水処理したカーボンペーパー基体に全面を覆うように滴下し、温風にて乾燥することによりエタノールを蒸発させ、さらに同分散液を再度滴下し、エタノールを蒸発させることにより炭化物とナフィオンを含む試験電極5を作製した。なお、この試験電極5において、炭化物が2mg/cmとなるように形成し、そのときの白金量は約0.2mg/cmであった。
【0089】
(実施例5)
試験電極6の作製
酵母を含有するウイスキー製造用麦汁絞り粕材料を窒素雰囲気下800℃で炭化した後に、900℃で水蒸気賦活して得られた炭化物を用いて試験電極6を作製した。前記炭化物を最大直径が10μm以下となるように粉砕した。この粉末25μgを、プロトン伝導性のナフィオンを0.05質量%溶解したエタノール溶液5μlに分散した。この分散液を厚さ0.36mmのカーボンペーパーからなる通気性の導電性基体に全面を覆うように滴下し、温風にて乾燥することによりエタノールを蒸発させ、さらに同分散液を再度滴下し、エタノールを蒸発させることにより炭化物とナフィオンを含む試験電極6を作製した。なお、カーボンペーパー基体には炭化物が2mg/cmとなるように担持した。
【0090】
(比較例1)
比較電極1、2、3、4および5の作製
50質量%の白金担持率のカーボンブラック粉末25μgを、プロトン伝導性のナフィオンを0.05質量%溶解したエタノール溶液5μlに分散した。通気性の導電性基体であるカーボンブラック粒子1重量部およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)バインダー0.1重量部からなる混合物を2.25mg/cmとなるように厚さ0.36mmのカーボンペーパーに保持させた防水性のカーボンペーパー基体にこの分散液を全面を覆うように滴下し、温風乾燥してエタノールを蒸発させ、さらに同分散液を再度滴下し、エタノールを蒸発させることにより、白金量を約0.35mg/cmとした比較電極1を作製した。
【0091】
この際に、上述のカーボンブラック粉末の代わりに白金担持率30質量%のカーボンブラック粉末を用いたほかは同様の処理を行うことにより、白金量を約0.2mg/cmとした比較電極2を作製した。
【0092】
また、上述の防水性のカーボンペーパー基体を比較電極3、カーボンペーパーのみを比較電極4、上述の炭化物を含まないプロトン伝導性のナフィオンのエタノール溶液をカーボンペーパー基体に形成して比較電極5とした。
【0093】
(実施例6)
試験電極1、2の電極特性の評価
図3に示す構成の3極セルを構成して、試験電極での酸素の還元特性を電圧−電流特性で評価した。図3において、1は空気電極、1aは試験電極または比較電極、1bはフッ素樹脂多孔質シート、1cは電極リード、2は対極、3は参照電極、4は電解液、5は空気極を配置するための直径16mmの開口部を有するガラスセルである。空気極1は、ガラスセル5の開口部に図3に示すように、フッ素樹脂多孔質シート1b側の面は大気に曝され、他方の面は電解液4に接するように配置されている。電解液4としては、pH7.0の0.1Mりん酸緩衝溶液を用いた。対極2は白金を用い、参照電極3はAg/AgCl(飽和KCl)電極を用いた。なお、試験電極または比較電極1aとフッ素樹脂多孔質シート1bとは密着させた。
【0094】
図1に、試験電極1と2、および各比較電極を空気極1とした場合の電圧―電流特性を比較して示す。なお、印加電流は少なくとも10分間維持して測定し、起電力はセル抵抗で補正して標準水素電極(NHE)基準で表している。カーボンブラックによる比較電極3に対して試験電極1および2は過電圧が小さく高い起電力が得られていた上に、白金触媒による比較電極1および2と同程度の起電力が得られた。このことは、従来の炭素系材料では酸素が2電子還元されているのに対し、試験電極に用いた炭化物が実質的に4電子還元しているために、白金における4電子還元反応に匹敵する特性が得られたものと考えられる。
【0095】
(実施例7)
試験電極3、4、5および6の電極特性の評価
実施例6と同様に、図3に示す構成の3極セルを構成して、試験電極での酸素の還元特性を電圧−電流特性で評価した。
【0096】
図2に、試験電極3、4、5および6と各比較電極を空気極1とした場合の電圧―電流特性を比較して示す。カーボンブラックによる比較電極3に対して、実施例6と同じように各試験電極では過電圧が小さく高い起電力が得られ、酸素が4電子還元反応に近い作用で触媒されていることがわかる。
【0097】
試験電極3においては、空気極に含まれるマンガン低級酸化物が酸素分子の2電子還元反応で生成した過酸化水素を分解する作用が強いために、実質的に4電子還元反応の効果が高くなり白金による比較電極1とほぼ等しい起電力を得られた。
【0098】
試験電極4においては、成形固化して形成した炭化物においても粉粒体での電気化学的な触媒効果として高い起電力が得られた。このことから、粉粒体としなくても炭化物の成形体を形成して電極とするなど取り扱い性の向上が期待される。
【0099】
試験電極5においては、炭化物に添着している白金量が同じである比較電極2に対して高い起電力が得られている。このことは、添加した白金に加えて酵母を炭化した炭化物の還元作用が加わって効率的な還元反応を生じているためである。この炭化物を触媒担持体として使用することによって、高価な貴金属触媒の使用量を低減することが可能になる。
【0100】
また、試験電極5を用いた空気極における起電力の保持時間を比較電極1と比べた場合に、起電力の10%低下までの時間において試験電極5の方が比較電極1よりも5倍以上長く保持されることが確認された。この起電力低下の大きな要因の1つは、触媒である白金の被毒による要因がある。試験電極5では白金量が少ないため起電力低下が少ないが、単に白金量の違い(試験電極5:比較電極1=0.2:0.35)を超える効果があるために、被毒だけでは説明できなく、他の効果も寄与していると考えられる。その効果については明らかではないが、炭化物が実質的に酸素の4電子還元反応を進行させる効果によって、白金の被毒を抑制する効果のあるものと思われる。
【0101】
試験電極6においては、ビール酵母以外の酵母由来の炭化物においても同様に4電子還元反応の効果が得られることがわかる。
【0102】
(実施例8)
発電セル特性の評価
実施例1の試験電極1を含む空気極をプラス極(正極)、対極の白金をマイナス極(負極)とし、グルコースを100mM溶解したpH6.8の0.1Mりん酸緩衝液を電解液として発電セルaを構成した。発電セルaと同じ正極、負極を用いて、メタノールを3質量%溶解したpH6.8の0.1Mりん酸緩衝液を電解液とする発電セルbを構成した。また、空気極を白金板Ptとして正極とする以外は同様の構成とした発電セルc、発電セルdを構成した。それぞれの発電セルの開路電圧と、発電セルを1mAの一定電流値で10時間放電した際の電圧を表1に示す。
【0103】
【表1】

Figure 0003723902
【0104】
本発明の炭化物を有効成分として含む空気極をプラス極として用いた発電セルa、bでは、白金板をプラス極に用いた発電セルc、dに比べて開放電圧が0.2〜0.4V高い電圧を得ることができた。このことは、ビール酵母を炭化した炭化物を有効成分として含む空気極よりなるプラス極は、グルコースあるいはメタノールと直接接触しても酸化反応を起こさず、酸素の還元反応で決定される電位を与えるので、発電セルは高い電圧を与えることを示す。これに対し、白金板よりなるプラス極は、グルコースあるいはメタノールと直接接触すると酸化反応を起こすため、グルコースあるいはメタノールの酸化反応と酸素の還元反応で決定される低い電位を与えるために発電セルが低い電圧を与えていると考えられる。
【0105】
なお、電解質に可溶な燃料物質としてグルコースあるいはメタノールを用いたが、グルコースの他の糖類(たとえば、フルクトース、マンノース、スターチ、セルロールなど)、あるいはメタノールの他のアルコール類(たとえば、エタノール、プロパノール、ブタノール、グリセロールなど)を用いても同様な結果が得られる。また、電解質としてpH6.8の0.1Mリン酸緩衝液に代えて、0.1NKOH水溶液またはNaClを3質量%溶解した塩水を用いても同様な結果が得られる。
【0106】
(実施例9)
発電セルの組み立て
図4に示す構成の発電セルAおよび発電セルBを組み立てた。
【0107】
図4において正極として作用する空気極11は、発電セルAでは、実施例1で得た試験電極1を用いて作製した。図4において、15は負極リード、16は正極リード、17は透明のシリコンラバーよりなる封止材である。
【0108】
図4において負極として作用する光触媒電極は、ガラス基板6、ITO薄膜7、酸化チタン(TiO)微粒子膜8、および色素分子層9より成っている。厚さ1mmのガラス基板6上に表面抵抗が10オーム/cmのインジウム・錫酸化物(ITO)薄膜7が形成された光透過性導電性基板を用意し、平均粒径が10nmのTiO粒子を11質量%分散したポリエチレングリコールを30質量%含むアセトニトリル溶液を、浸漬法によりITO薄膜上に塗布し、80℃で乾燥したのち、空気中で400℃で1時間焼成することで厚さ約10μmのTiO微粒子膜8を形成した。次に、TiO微粒子膜を、以下に示されるルテニウム金属錯体色素分子9を10mM溶解したエタノール中に浸漬することで、色素分子9をTiO微粒子膜8に添着した。さらに、4−tert−ブチルピリジンに浸漬したのち、アセトニトリルで洗浄したのち乾燥することで上記光触媒電極を作製した。
【0109】
【化1】
Figure 0003723902
【0110】
電解液・燃料液10として、pH7.0の0.1Mリン酸緩衝溶液に、燃料のメタノール5質量%、補酵素ニコチンアミドヌクレオチド(NADH)を5mM、アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)を16.0U/ml、アルデヒドデヒドロゲナーゼ(AlDH)を1.0U/mlおよびホルメートデヒドロゲナーゼ(FDH)を0.3U/mlを溶解したものを用いた。電解液・燃料液10は、電解液・燃料液注入口13aより注入され、発電後、排出口13bより排出される。空気は、酸素透過性撥水膜12を通して外部より発電セル内部に供給される。
【0111】
図4に記載されている発電セルの構造について説明する。この発電セルの負極側は、主としてガラス基板6からなり、このガラス基板6の表面にはITO薄膜7が積層されている。ITO薄膜7には、負極リード15が設けられている。発電セルの正極側は、主として板状の空気極11からなり、空気極11の表面には酸素透過性撥水膜12が積層されている。空気極11の内部からは正極リード16が伸び出している。このようなガラス基板6の表面および板状の空気極11の裏面とを向かい合わせにし、これらの間に封止材17を介してガラス基板6と空気極11とを貼り合わせることにより発電セルが形成されている。
【0112】
ガラス基板6と空気極11との間には、空気極11側に電解液(または燃料液)10が、ガラス基板6側に酸化チタンからなる微粒子が分散された微粒子薄膜8が位置している。そして、電解液(または燃料液)10と微粒子薄膜8との間には、色素分離層9が挟まれている。
【0113】
また、封止材17には、封止材17を貫通する電解液・燃料液注入口13aおよび電解液・燃料液排出口13bが設けられている。これらの電解液・燃料液注入口13aおよび電解液・燃料液排出口13bには、液バルブ14a・14bがそれぞれ設けられている。これらの電解液・燃料液注入口13aおよび電解液・燃料液排出口13bを介して、ガラス基板6と空気極11との間に電解液(または燃料液)10を外部から注入および外部に排出することができるように設計されている。
【0114】
なお、発電セルBは、実施例2で得た試験電極3を用いて作製した空気極を使用した以外は、発電セルAと同じ構成となるように作製した。
【0115】
発電セルの動作特性
発電セルを電解液・燃料液で満たしたのち、ガラス基板6側より太陽光シュミレータ(AM1.5、100mW/cm)からの光を照射し、発電セルの起電力(OCV)および、100μAの一定電流で発電セルを20分間放電した際の発電セルの電圧を測定した。OCVは、発電セルAでは0.80V、発電セルBでは0.65Vであった。また、20分間放電後の発電セルの電圧は、発電セルAでは0.75V、発電セルBでは0.55Vであった。このように高い起電力が得られるとともに、放電に際しても、高い電圧を維持することができた。
【0116】
なお、本実施例では、発電セルの負極として光触媒電極を用い、メタノールを燃料とする電池を示したが、負極として、亜鉛、マグネシウム、アルミニウムなどの金属を用いても、本発明に従う酸素還元用電極と組み合わせることで、電気化学素子として起電力ならびに放電時の電池電圧が高い電池を得ることができる。【Technical field】
[0001]
The present invention relates to an oxygen reduction electrode used in a reaction for reducing oxygen and an electrochemical device using the same.
[Background]
[0002]
Oxygen (O2) Is reduced by electrolytic reaction, it is known that one-electron reduction, two-electron reduction, or four-electron reduction occurs. One-electron reduction produces superoxide. In the two-electron reduction, hydrogen peroxide is generated. In the 4-electron reduction, water is produced (for example, JACEK KIPKOWSKI, edited by PHILIP N. ROSS, ELECTROCATALYSIS, WILEY-VCH Publishing, 1998, pages 204-205).
[0003]
When the oxygen reduction reaction is used as a positive electrode reaction of a battery, it is required to obtain a battery having a large capacity, a high voltage and a high output current. In this case, the oxygen reduction reaction requires that a) move as many electrons as possible, b) make the potential as positive as possible, and c) suppress overvoltage as much as possible. For this purpose, it is preferable to use a catalyst that allows the four-electron reduction reaction to proceed at a high potential with a small overvoltage. One such catalyst is platinum (Pt).
[0004]
However, platinum has the following problems. (1) Platinum is an expensive noble metal and is disadvantageous in terms of cost. In addition, (2) platinum exhibits an activity not only for reduction of oxygen but also for an oxidation reaction of a fuel substance such as ethanol and hydrogen, so that the reaction selectivity is poor. For this reason, in actual use, the place where the oxidation reaction and the reduction reaction are performed must be separated by a separator or the like. (3) The surface of platinum is easily inactivated by carbon monoxide or a hydroxyl group, and it may be difficult to maintain high catalytic activity.
[0005]
Thus, several efforts have been made to develop a catalyst that can replace platinum.
[0006]
For example, JP-B-2-030141 or JP-B-2-030142 discloses a porous molded body of a conductive powder and a fluororesin carrying a metal chelate compound such as iron phthalocyanine and cobalt porphyrin having oxygen gas reducing ability. The catalyst which consists of is proposed. Further, it is known that by using a dimer (binuclear complex) of a metal chelate compound, a high oxygen reducing ability (4-electron reducing ability) can be achieved, and it can be expected to be applied to a large output air battery.
[0007]
For example, an oxygen reduction catalyst technology using a macrocyclic complex having a transition metal such as Cr, Mn, Fe, and Co as a central metal such as a cobalt porphyrin binuclear complex has been disclosed (JACEK KIPKOWSKI, PHILIP N. ROSS editing, ELECTROCATALYSIS, WILEY-VCH publication, 1998, pp. 232-234).
[0008]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-253811 discloses a manganese complex catalyst for oxygen reduction. This complex serves as a catalyst for performing a four-electron reduction reaction of oxygen with high selectivity. This document states that the manganese atom has a valence of 2 to 7 and catalyzes the oxygen reduction reaction in a potential range of minus 0.5 V to plus 2 V.
[0009]
When these catalysts are actually used, the catalyst is often supported on a carrier having excellent stability. When used in electrode reactions of electrochemical devices, carbon materials are widely used as conductive carriers. For example, carbon materials such as carbon black, activated carbon, graphite, conductive carbon, and glassy carbon are used. It is known that these carbon materials usually cause a two-electron reduction reaction when oxygen is electrolytically reduced to give hydrogen peroxide.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
However, if a high potential is to be obtained by using such a catalyst, a metal complex having a central metal atom having a large valence is required. Since such metal complexes are highly reactive, they react with members (for example, electrolytes, electrode leads, current collectors, battery cases, separators, gas permselective membranes, etc.) that the metal complexes come into contact with, and deteriorate these members There is a difficulty that causes.
[0010]
As for the carbon material used as a carrier, it is known that coconut shell activated carbon, wood carbide, etc. have an action of decomposing hydrogen peroxide. For example, as an activated carbon having high performance as a hydrogen peroxide decomposition catalyst, carbide of acrylic fiber, carbide of beer lees, and the like are disclosed (Japanese Patent Laid-Open Nos. 7-024315 and 2003-001107).
[0011]
However, regarding the catalytic action of the carbon material itself, only a generally known electrode reaction (that is, a two-electron reduction reaction) is known. The catalytic action and effectiveness as an electrode catalyst for reducing oxygen are not particularly disclosed.
[0012]
The main object of the present invention is to provide an electrode for oxygen reduction which gives a 4-electron reduction reaction with higher selectivity in the reaction of reducing oxygen.
[0013]
It is a further object of the present invention to provide a stable oxygen reduction electrode that exhibits little oxidation activity with respect to a fuel substance soluble in an electrolyte.
[0014]
That is, the present invention relates to the following oxygen reduction electrode and an electrochemical device using the same.
[0015]
1. A method for producing an oxygen reduction electrode used for 4-electron reduction of oxygen, wherein (1) a first step of obtaining a carbide by carbonizing a yeast-containing substance and (2) an electrode material containing the carbide A production method comprising a second step of producing the oxygen reduction electrode.
2. Yeast-containing substances are brewer's yeast, wine yeast, sake yeast, whiskey yeast, baker's yeast, food yeast, beer squeezed rice cake, sake brewer's sake, wine squeezed squeezed rice cake, whiskey brewed squeezed rice cake, corn juice squeezed Item 2. The method according to Item 1, wherein the method is at least one of koji and soy sauce koji.
3. Item 2. The method according to Item 1, wherein in the first step, the yeast-containing substance is carbonized at 300 ° C. or more and 1200 ° C. or less in an atmosphere having an oxygen concentration of 10% by volume or less.
-The manufacturing method of said claim | item 3 which carbonizes the said yeast containing substance by 500 degreeC or more and 1000 degrees C or less in the atmosphere where oxygen concentration is 10 volume% or less in a 1st process.
The manufacturing method according to Item 3, wherein the atmosphere is an inert gas atmosphere.
6). Item 2. The method according to Item 1, wherein the carbide is further activated in the first step.
7). In the second step, after the electrode material is molded into a predetermined shape to obtain a molded body, the oxygen reduction electrode is produced by laminating or pressing the molded body on a conductor substrate. The manufacturing method as described in.
8). Item 2. The electrode according to Item 1, wherein in the second step, the electrode material is made into a paste to obtain a paste containing the electrode material, and then the electrode for oxygen reduction is manufactured by coating the paste on a conductive substrate. Manufacturing method.
9. Item 2. The method according to Item 1, wherein an inorganic compound containing at least one of phosphorus (P) and calcium (Ca) is added to at least one of the yeast-containing substance, carbide, and electrode material.
10. The carbide is about 1000 to 1200 cm-1The manufacturing method of said claim | item 1 which shows the infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) expansion-contraction of the range.
11. The carbide is about 1600 cm-1The manufacturing method of said claim | item 1 which shows the infrared absorption of the symmetrical expansion | contraction of carbon (C) = carbon (C).
12 The carbide is about 1700 cm-1The manufacturing method of said claim | item 1 which shows the infrared absorption of the expansion-contraction of carbon (C) = oxygen (O).
13. The carbide is about 3000 cm-1The manufacturing method of said claim | item 1 which shows the infrared absorption of the expansion-contraction of oxygen (O) -hydrogen (H).
14 The carbide is about 1000 to 1200 cm-1Infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range, about 1600 cm-1Carbon (C) = infrared absorption of symmetric stretching of carbon (C), about 1700 cm-1Carbon (C) = infrared absorption of oxygen (O) stretching and about 3000 cm-1The manufacturing method of said claim | item 1 which shows the infrared absorption of the expansion-contraction of oxygen (O) -hydrogen (H).
15. Item 2. The method according to Item 1, wherein at least one of a metal and an oxide thereof is added to at least one of the yeast-containing substance, carbide, and electrode material.
16. The oxide is of the general formula MnOy(Where y is the number of oxygen atoms determined by the valence of manganese (Mn) and is less than 2).Item 15Manufacturing method.
17. An electrode containing a carbide obtained by carbonizing a yeast-containing substance, the electrode for oxygen reduction used for 4-electron reduction of oxygen.
18. Item 18. The oxygen reduction electrode according to Item 17, comprising an inorganic compound containing at least one of phosphorus (P) and calcium (Ca).
19. The carbide is about 1000 to 1200 cm-1Item 18. The oxygen reduction electrode according to Item 17, which exhibits infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretching in a range.
20. The carbide is about 1600 cm-1Item 18. The oxygen reduction electrode according to Item 17, which exhibits infrared absorption of symmetric stretching of carbon (C) = carbon (C).
21. The carbide is about 1700 cm-1Item 18. The oxygen reduction electrode according to Item 17, which shows infrared absorption of carbon (C) = oxygen (O) stretching.
22. The carbide is about 3000 cm-1Item 18. The oxygen reduction electrode according to Item 17, which exhibits infrared absorption of stretching of oxygen (O) -hydrogen (H).
23. The carbide is about 1000 to 1200 cm-1Infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range, about 1600 cm-1Carbon (C) = infrared absorption of symmetric stretching of carbon (C), about 1700 cm-1Carbon (C) = infrared absorption of oxygen (O) stretching and about 3000 cm-1Item 18. The oxygen reduction electrode according to Item 17, which exhibits infrared absorption of stretching of oxygen (O) -hydrogen (H).
24. Item 18. The oxygen reduction electrode according to Item 17, comprising at least one of a metal and an oxide thereof.
25. The oxide is MnOyItem 25. The oxygen reduction electrode according to Item 24, wherein y is a manganese lower oxide represented by (wherein y is the number of oxygen atoms determined by the valence of manganese (Mn) and less than 2).
26. Item 18. The oxygen reduction electrode according to Item 17, wherein the carbide is particulate, and an electrode material containing the carbide is supported on a conductive substrate.
27. Item 27. The oxygen reduction electrode according to Item 26, wherein the conductive substrate is breathable.
28. Item 18. The oxygen reduction electrode according to Item 17, which is used for electrochemically reducing molecular oxygen in a neutral aqueous electrolyte.
29. An electrochemical device comprising: a) a positive electrode that reduces oxygen by four electrons; b) a negative electrode; and c) an electrolyte, wherein the positive electrode includes a carbide obtained by carbonizing a yeast-containing substance.
30. 30. The electrochemical element according to item 29, wherein the positive electrode includes an inorganic compound containing at least one of phosphorus (P) and calcium (Ca).
31. The carbide is about 1000 to 1200 cm-130. The electrochemical element according to item 29, which exhibits infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in a range.
32. The carbide is about 1600 cm-1Item 30. The electrochemical element according to Item 29, which exhibits infrared absorption of symmetrical stretching of carbon (C) = carbon (C).
33. The carbide is about 1700 cm-1Item 30. The electrochemical element according to Item 29, which exhibits infrared absorption of stretching of carbon (C) = oxygen (O).
34. The carbide is about 3000 cm-1Item 30. The electrochemical element according to Item 29, which exhibits infrared absorption of oxygen (O) -hydrogen (H) stretching.
35. The carbide is about 1000 to 1200 cm-1Infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range, about 1600 cm-1Carbon (C) = infrared absorption of symmetric stretching of carbon (C), about 1700 cm-1Carbon (C) = infrared absorption of oxygen (O) stretching and about 3000 cm-1Item 30. The electrochemical element according to Item 29, which exhibits infrared absorption of oxygen (O) -hydrogen (H) stretching.
36. 30. The electrochemical element according to item 29, wherein the positive electrode contains at least one of a metal and an oxide thereof.
37. The oxide is MnOy37. The electrochemical element according to item 36, wherein y is a manganese lower oxide represented by the formula (wherein y is the number of oxygen atoms determined by the valence of manganese (Mn) and less than 2).
38. 30. The electrochemical element according to item 29, wherein the carbide is in the form of particles, and an electrode material containing the carbide is supported on a conductive substrate to constitute the positive electrode.
39. 39. The electrochemical element according to Item 38, wherein the conductive substrate is air permeable.
40. Item 30. The electrochemical element according to Item 29, wherein the electrolyte is a neutral aqueous electrolyte.
41. 30. The electrochemical element according to item 29, wherein the negative electrode reaction is an oxidation reaction in which electrons are electrochemically extracted from a fuel substance soluble in the electrolyte.
42. 30. The electrochemical element according to Item 29, wherein the electrolyte contains at least one of saccharides and alcohols.
43. A method for performing 4-electron reduction of oxygen,
a) a battery providing step for providing a battery comprising a carbide obtained by carbonizing a yeast-containing substance; b) a negative electrode; and c) an electrolyte; and
Oxygen supplying step of performing 4-electron reduction of oxygen by supplying oxygen to the positive electrode
A reduction method comprising:
44. 44. The reduction method according to item 43, wherein the positive electrode contains an inorganic compound containing at least one of phosphorus (P) and calcium (Ca).
45. The carbide is about 1000 to 1200 cm-144. The reduction method according to Item 43, which shows infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range.
46. The carbide is about 1600 cm-144. The reduction method according to Item 43, which shows infrared absorption of symmetric stretching of carbon (C) = carbon (C).
47. The carbide is about 2100 cm-144. The reduction method according to Item 43, which shows infrared absorption of stretching of carbon (C) = oxygen (O).
48. The carbide is about 3000 cm-144. The reduction method according to Item 43, which shows infrared absorption of oxygen (O) -hydrogen (H) stretching.
49. The carbide is about 1000 to 1200 cm-1Infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range, about 1600 cm-1Carbon (C) = infrared absorption of symmetric stretching of carbon (C), about 2100 cm-1Carbon (C) = infrared absorption of oxygen (O) stretching and about 3000 cm-144. The reduction method according to Item 43, which shows infrared absorption of oxygen (O) -hydrogen (H) stretching.
50. 44. The reduction method according to item 43, wherein the positive electrode contains at least one of a metal and an oxide thereof.
51. The oxide is MnOy51. The reduction method according to item 50, wherein y is a manganese lower oxide represented by the formula (wherein y is the number of oxygen atoms determined by the valence of manganese (Mn) and less than 2).
52. 44. The reduction method according to item 43, wherein the carbide is in the form of particles and an electrode material containing the carbide is supported on a conductive substrate to constitute the positive electrode.
53. 53. The reduction method according to 52 above, wherein the conductive substrate is breathable.
54. Item 44. The reduction method according to Item 43, wherein the electrolyte is a neutral aqueous electrolyte.
55. 44. The reduction method according to item 43, wherein the negative electrode reaction is an oxidation reaction in which electrons are electrochemically extracted from a fuel substance soluble in the electrolyte.
56. 44. The reduction method according to item 43, wherein the electrolyte contains at least one of saccharides and alcohols.
[Brief description of the drawings]
[0016]
FIG. 1 is a diagram showing voltage (electromotive force) -current characteristics with respect to an oxygen reduction reaction in test electrodes 1 and 2 and each comparison electrode.
FIG. 2 is a graph showing voltage (electromotive force) -current characteristics with respect to an oxygen reduction reaction in test electrodes 3, 4, 5, 6 and each comparison electrode.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a triode electrode cell in the measurement of an example of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a power generation cell according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
[0017]
1 Air electrode
1a Air electrode mixture
1b Fluororesin porous sheet
1c Electrode lead
2 Counter electrode
3 Reference electrode
4 Electrolyte
5 Glass cell
6 Glass substrate
7 ITO thin film
8 TiO2Fine particle film
9 Dye molecular layer
10 Electrolyte / Fuel solution
11 Air electrode
12 Oxygen permeable water repellent film
13a Electrolyte / fuel injection port
13b Electrolyte / fuel outlet
14a, 14b Liquid valve
15 Negative lead
16 Positive lead
17 Sealing material
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0018]
1. Oxygen reduction electrode and method for producing the same
The electrode for oxygen reduction of the present invention has (1) a first step of obtaining a carbide by carbonizing a yeast-containing substance, and (2) a production method having a second step of producing an electrode using an electrode material containing the carbide. It is produced by.
[0019]
(1) First step
In the first step, carbide is obtained by carbonizing the yeast-containing substance.
[0020]
Yeast
The yeast-containing substance may be yeast-derived substances such as yeast pomace, as well as yeast itself. These can be used alone or in combination of two or more.
[0021]
Examples of yeast that can be used include various yeasts such as beer yeast, wine yeast, sake yeast, whiskey yeast, baker's yeast, and dietary yeast.
[0022]
Examples of the squeezed lees include beer squeezed lees, sake lees, squeezed soup squeezed for wine production, wort squeezed sachet for whiskey production, corn soup squeezed soy sauce, and soy sauce lees. When these squeezes are used, merits such as effective use of resources and reduction of raw material costs can be obtained.
[0023]
Among these yeast-containing substances, those containing a relatively large amount of phosphorus and calcium when carbonized are preferred. When such a yeast is used, a higher oxygen reduction effect can be obtained. For example, at least one of brewer's yeast and its squeezed can be suitably used.
[0024]
In this invention, another additive can also be mix | blended with a yeast containing material as needed. The amount added can be appropriately determined according to the type of additive.
[0025]
For example, in order to improve the handleability of carbide, an organic binder (polyvinyl alcohol, butyral resin, etc.) or an inorganic binder (silicic anhydride, etc.) can be added.
[0026]
Moreover, a solvent can also be mix | blended with a yeast containing material. For example, an organic solvent such as phenol or a phenol derivative (for example, mononitrophenol, dinitrophenol, trinitrophenol, resilcinol, 1,4-di-hydroxybenzene, m-cresol, p-cresol, or the like) can be used.
[0027]
Carbonization and activation treatment
Carbide is made by carbonizing the yeast-containing substance. Usually, a carbide can be obtained by heat-treating the yeast-containing substance. The heat treatment conditions can be appropriately set according to the composition of the yeast-containing substance to be used, the characteristics of the desired carbide, and the like.
[0028]
The heat treatment temperature can be generally set in the range of about 300 ° C. or more and 1200 ° C. or less. When it exceeds 1200 ° C., graphitization proceeds, and therefore, it is preferable to treat at a temperature lower than that. More preferably, it is in the range of 500 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. By setting it to 500 ° C. or higher, better conductivity can be imparted. In addition, by setting the temperature to 1000 ° C. or lower, the above-described C—O—C bond or the like for imparting oxygen reduction activity and allowing the reaction to be efficiently performed can remain in the carbon component.
[0029]
What is necessary is just to set heat processing time suitably according to the heat processing temperature, the kind and quantity of the yeast containing material to be used, etc. so that carbonization may fully advance.
[0030]
As the heat treatment atmosphere, it is preferable to keep the oxygen concentration low or substantially no oxygen in order to prevent the yeasts from burning when heated at about 300 ° C. or higher. Specifically, the atmosphere is preferably set to an atmosphere having an oxygen concentration of 10% by volume or less, more preferably 1% by volume or less. In particular, an inert gas atmosphere (nitrogen, argon, helium, etc.) or vacuum is desirable.
[0031]
After the carbonization treatment, it is desirable to activate the obtained carbide. The activation process increases the specific surface area of the carbide to improve the activity, enhances the affinity with the reactants, enhances the affinity with other materials during loading, and adjusts the acidity of the surface. Can be.
[0032]
The method of activation processing can be implemented in accordance with a well-known method. For example, 1) a gas activation method using water vapor, carbon dioxide, or the like, and 2) a chemical activation method using ammonium chloride, zinc chloride, potassium hydroxide, or the like can be used. The temperature of the activation treatment varies depending on the treatment method. For example, in the gas activation method, the same temperature as the carbonization treatment is preferable. In the chemical activation method, the treatment can be performed at room temperature or in the range up to the same temperature as the carbonization treatment after being exposed to the chemical.
[0033]
(2) Second step
In the second step, an electrode is produced using an electrode material containing the carbide.
[0034]
carbide
The carbide generally includes an organic component having a structure derived from a yeast-containing substance (such as a structure derived from a fiber or a sugar of yeast).
[0035]
In particular, the carbide has a wave number of 1000 cm in infrared absorption spectroscopy.-1To 1200cm-1Range of about 1100cm-1Carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch absorption and / or about 1600 cm-1It is preferable that the unsaturated carbon (C) = carbon (C) symmetrical stretching absorption. This is a characteristic not found in other activated carbon, carbon black and the like, and is unique to the present invention.
[0036]
Further, although it is not clear whether the carbide is derived from a carbon component or an inorganic component in infrared absorption spectroscopy, it is about 1700 cm due to a hydrophilic carbonyl group.-1Carbon (C) = oxygen (O) stretching absorption and / or about 3000 cm due to hydroxyl group-1It is preferable that oxygen (O) -hydrogen (H) stretching absorption in the vicinity is exhibited.
[0037]
By using a carbide containing a component exhibiting these absorptions, it is possible to contribute more effectively by improving the electrode characteristics. Such a carbide composition generally includes a carbon component and an inorganic component.
[0038]
The carbon component may be either crystalline or amorphous, but is particularly preferably amorphous. Moreover, it is preferable that the said carbon component has electroconductivity generally.
[0039]
Inorganic components vary depending on the composition of the yeast-containing substance used, but generally include phosphorus (P), calcium (Ca), potassium (K), magnesium (Mg) and the like as components derived from yeasts. . More preferably, P and Ca are contained as main components. These inorganic components may be present in the form of oxides, phosphates, carbonates and the like. The total content of inorganic components in the carbide also varies depending on the type of yeast-containing substance used, but usually contains 10% by mass or more, preferably 20% by mass or more. In this respect, it differs from activated carbon, carbon black, etc., in which the total content of inorganic components is several mass%.
[0040]
In addition, content of an inorganic component is measured by the ash content at the time of CHN elemental analysis of the carbide, and the element amount can be measured by fluorescent X-ray elemental analysis, ion chromatography analysis, or the like.
[0041]
In the present invention, in order to supplement the inorganic components, compounds containing these inorganic components can be added separately. In particular, an inorganic compound containing at least one of phosphorus and calcium can be suitably used. In addition to phosphoric acid, sodium phosphate, potassium phosphate, sodium hydrogen phosphate, calcium hydrogen phosphate, calcium carbonate, calcium oxide, calcium hydroxide, one or more of phosphate, inorganic calcium salt, etc. are used. be able to.
[0042]
Moreover, although the compound containing an inorganic component can be mix | blended with any of the said yeast containing substance or carbide | carbonized_material, it is desirable to mix | blend especially with a yeast containing substance.
[0043]
The form of the carbide is not limited as long as it has the physical properties as described above, but it is usually preferable to be granular or powder (powder). When the carbide is a granular material, it is preferable to have a particle size that passes 200 mesh or more of the Tyler sieve. Furthermore, the maximum particle diameter (diameter) is particularly preferably 20 μm or less, more preferably 1 μm or more and 20 μm or less. In general, since the reduction reaction occurs on the surface of the granular material, if it exceeds 20 μm, the efficiency with respect to the use amount may decrease. The particle size may be adjusted using a known pulverizer, classifier or the like.
[0044]
Electrode material
An electrode is produced using the electrode material containing the carbide. In the electrode material, various materials can be blended as necessary to improve electrode characteristics and the like. These materials can be blended in advance with the yeast-containing substance as long as the effects of the present invention are not hindered.
[0045]
For example, at least one of a metal and an oxide thereof can be blended in order to further enhance the ability to take up oxygen or release oxygen (oxygen exchange ability). For example, Mn2O3, Mn3O4, Mn5O8, Γ-MnOOH (Mn3O4And Mn5O8Manganese lower oxides such as MnOy(Y is the number of oxygen atoms determined by the valence of manganese and is less than 2); ruthenium oxide, Cux-1SrxTiO3(X = 0 to 0.5), LaxSr1-xMnO3(X = 0-0.5), SrTiO3In addition to perovskite oxides such as vanadium oxide and platinum black.
[0046]
Among these, manganese lower oxides are preferable in that they have high hydrogen peroxide decomposition activity, little deterioration, and low cost. Manganese lower oxide is manganese oxide whose valence of manganese atom is less than 4. This is particularly preferable from the viewpoint of effective utilization of resources, for example, since the manganese dioxide positive electrode of the used manganese dry battery can be used as it is or can be fired.
[0047]
The addition amount of the metal or oxide thereof can be appropriately determined according to the type of metal acid or compound used, desired electrode characteristics, etc., but it is 1% by weight or more and 50% by weight in the finally obtained electrode. % Or less, particularly 5% to 20% by weight.
[0048]
In addition, various additives can be added to the electrode material. Examples of additives include 1) adjustment of affinity with other materials, 2) adjustment of acidity of the surface (electrode surface), 3) provision of catalytic activity, 4) provision of promoters, 5) reduction of overvoltage, etc. It can be used for the purpose. As such an additive, any of organic materials, inorganic materials, composite materials thereof, and mixtures thereof can be used depending on the purpose of addition. More specifically, metals or alloys such as platinum, cobalt, ruthenium, palladium, nickel, gold, silver, copper, platinum-cobalt alloy, platinum-ruthenium alloy; carbon materials such as graphite and activated carbon; copper oxide, nickel oxide Metal oxides such as cobalt oxide, ruthenium oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, manganese oxide, lanthanum-manganese-copper perovskite oxide; having porphyrin rings such as iron phthalocyanine, cobalt phthalocyanine, copper phthalocyanine, manganese phthalocyanine, zinc phthalocyanine Metal complexes such as metal phthalocyanine or metal porphyrin, ruthenium ammine complex, cobalt ammine complex, and cobalt ethylenediamine complex can be used.
[0049]
The central metal element of the metal complex is not limited, but at least one of platinum, ruthenium, cobalt, manganese, iron, copper, silver and zinc is particularly preferable. By using these metal elements, the oxygen reduction reaction can proceed with a smaller overvoltage. The valence of the metal element is preferably 4 or less. By setting the valence to 4 or less, the oxidizing power of the catalyst can be more effectively suppressed. As a result, it is possible to effectively prevent deterioration of the constituent elements of the electrochemical element (for example, electrolyte, electrode lead, current collector, battery case, separator, gas selective permeable membrane, etc.).
[0050]
The addition amount of the additive can be appropriately determined according to the type of material used, desired electrode characteristics, and the like, but it is 1% by weight to 80% by weight, particularly 20% by weight or more in the finally obtained electrode. It is desirable to make it 60% by weight or less.
[0051]
The electrode material may contain a material added to a known electrode material. For example, fluororesin binders such as polytetrafluoroethylene and Nafion, resin binders such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral, conductive aids such as graphite, conductive carbon, hydrophilic carbon black, hydrophobic carbon black, etc. It can be added as appropriate.
[0052]
Electrode fabrication
The electrode may be manufactured according to a known electrode manufacturing method using the above electrode material. For example, a method of laminating or press-bonding a preformed electrode material formed on a conductive substrate (current collector), a method of coating a paste containing an electrode material on a conductive substrate, and mixing a conductive material and an electrode material Then, it can be produced by a molding method or the like.
[0053]
The conductive substrate is, for example, a carbon paper made by carbon fiber papermaking; a metal mesh such as a stainless steel mesh or a nickel mesh; a carbon powder, a metal powder or the like joined together with a synthetic resin binder such as a fluororesin binder to form a sheet A conductive composite material sheet or the like that has been processed can be used effectively.
[0054]
Moreover, when preparing the said paste, a paste can be obtained by melt | dissolving a binder in a suitable solvent. For example, when polytetrafluoroethylene is used as the binder, alcohols such as ethanol can be used as the solvent. What is necessary is just to determine the density | concentration of a binder suitably according to the kind etc. of binder to be used.
[0055]
Redox electrode
The present invention also includes an oxidation-reduction electrode obtained by the production method of the present invention. That is, an electrode containing a carbide obtained by carbonizing a yeast-containing substance, and an oxygen reduction electrode used to reduce oxygen by four electrons is included. Therefore, what is necessary is just to employ | adopt what was hung up above as components, such as the said yeast containing substance and a carbide | carbonized_material, in the electrode which concerns on this invention.
[0056]
In the oxygen reduction electrode of the present invention, the content of the carbide is not limited, and can be appropriately set according to the use of the electrode, the purpose of use, and the like. In particular, it is desirable that the above-mentioned carbide is contained in the electrode in an amount of 1% by weight to 80% by weight, particularly 20% by weight to 60% by weight. By setting to such a range, more excellent 4-electron reduction performance can be obtained.
[0057]
In the oxygen reduction electrode of the present invention, when this is used as a positive electrode of a battery, the following reaction occurs.
[0058]
In the oxygen reduction electrode of the present invention, O2+ H2O + 2e→ OH+ HO2-A two-electron reduction reaction (1) of oxygen represented by (in alkaline solution) occurs, and hydrogen peroxide (H2O2HO in alkaline solution2-Hydrogen peroxide ions represented by Furthermore, the generated hydrogen peroxide ions are 2HO.2-→ O2+ 2OHIs caused to generate oxygen again. This oxygen undergoes two-electron reduction again to generate hydrogen peroxide ions.
[0059]
One molecule of oxygen generates one molecule of hydrogen peroxide ions by the two-electron reduction reaction (1). One molecule of the generated hydrogen peroxide ions gives 1/2 molecule of oxygen by the decomposition reaction (2). The ½ molecule of oxygen molecule generates ½ molecule of hydrogen peroxide ions by the two-electron reduction reaction (1). The generated ½ molecule peroxide ion regenerates ¼ molecule oxygen by the decomposition reaction (2). The 1/4 molecule of oxygen molecules generates 1/4 molecule of hydrogen peroxide ions by the two-electron reduction reaction (1). The generated 1/4 molecule peroxide ion gives 1/8 molecule oxygen by the decomposition reaction (2). Thus, the two-electron reduction reaction (1) and the decomposition reaction (2) occur repeatedly.
[0060]
That is, 2 electrons, 1 electron, 1/2 electron, 1/4 electron, 1/8 electron,..., (1/2) n electrons (n → infinity) for reduction of one molecule of oxygen. A total of four electrons are used, which is substantially the same as when one molecule of oxygen has undergone a four-electron reduction reaction at the potential of a two-electron reduction reaction. In other words, O2+ 2H2O + 4e→ 4OHThe result is the same as that of the reaction.
[0061]
Regarding the action of the carbides of yeast-containing substances, the two-electron reduction reaction of oxygen molecules occurs in the carbon component, and the hydrogen peroxide generated at that time is immediately decomposed by the inorganic component, and the generated oxygen is immediately reduced by two-electrons. It is thought that 4-electron reduction substantially occurs by repeating the reaction. Such a reaction is considered to occur due to the presence of the carbon component and the inorganic component in the vicinity. Probably, elements such as phosphorus and calcium, which are inorganic main components mixed with carbon components, have various oxidation states, and thus have a high oxygen exchange capacity and promote the decomposition of hydrogen peroxide.
[0062]
In addition, in the vicinity of the carbon component, in addition to the high affinity for oxygen, the affinity for water is also high, so it is considered that the two-electron reduction reaction is also promoted. In addition, the carbon component itself has C—O—C bonds, C═O bonds, OH groups, etc., and has a high affinity for oxygen and hydrogen peroxide, as well as an affinity for water. Is considered to be progressing. In addition, since other inorganic components such as silicon are also present in an oxidized state, it may be possible to act as a promoter to promote the reaction. In any case, it is considered that the 4-electron reduction reaction proceeds selectively by the synergistic action of each component.
[0063]
As described above, the electrode for oxygen reduction according to the present invention provides an oxygen reduction pathway for electrochemical reduction using oxygen as an electrode reactant by electrochemical catalysis by a carbide of a yeast-containing substance. The reaction can occur with high selectivity (selectivity close to 100%).
(2) Electrochemical element
The electrochemical device of the present invention includes a) a positive electrode in which a reduction reaction of oxygen is a positive electrode reaction, b) a negative electrode, and c) an electrolyte, and the positive electrode includes a carbide obtained by carbonizing a yeast-containing substance. Features.
[0064]
That is, in the electrochemical device of the present invention, the electrode according to the present invention is basically used as the positive electrode. As a negative electrode, well-known electrodes, such as platinum, zinc, magnesium, aluminum, iron, can be used, for example.
[0065]
For the electrochemical element of the present invention, known constituent elements of the electrochemical element can be applied except that the oxygen reduction electrode of the present invention is used as the positive electrode. For example, known or commercially available electrolytes, separators, containers, electrode leads, and the like can be used.
[0066]
In particular, the electrolyte may be either an electrolytic solution or a solid electrolyte, but an electrolytic solution can be particularly preferably used. When using an electrolytic solution, the solvent may be either water or an organic solvent. Among these, it is preferable to use an aqueous solution as the electrolytic solution. The pH of the electrolytic solution is not limited, but is preferably in the neutral region of pH 6 to pH 9. In the present invention, it is desirable to use a neutral aqueous solution as the electrolyte in that higher activity can be obtained.
[0067]
It is desirable that the electrolyte contains a fuel substance. In particular, the fuel substance is preferably dissolved in a neutral aqueous solution. The reaction of the negative electrode at this time is preferably an oxidation reaction in which electrons are electrochemically extracted from the fuel substance dissolved in the electrolyte. The fuel substance is not particularly limited as long as it is soluble in the electrolyte to be used (particularly a neutral aqueous solution), but is preferably at least one of saccharides and alcohols. Examples of the saccharide include glucose, fructose, mannose, starch, cellulose and the like. Examples of alcohols include methanol, ethanol, propanol, butanol, glycerol and the like.
[0068]
The content (concentration) of the fuel substance in the electrolyte depends on the type of fuel used, the type of solvent, etc., but is generally about 0.01% by weight to 100% by weight, particularly 1% by weight to 20% by weight. Is desirable.
[0069]
In the electrochemical device of the present invention, the oxidation-reduction electrode is used, for example, by placing it at a place where three phases of 1) a gas containing oxygen, 2) a liquid made of an electrolyte solution, and 3) a solid made of a conductive material are in contact. Is preferred. Thus, by arranging the electrode according to the present invention (especially, a carbide of yeast) at the intersection of the ion path and the electron path, the electrochemical reduction of oxygen can be caused smoothly with a small overvoltage (resistance). And a large current value can be obtained.
[0070]
The oxygen-reducing electrode of the present invention exhibits little oxidation activity with respect to saccharides or alcohols, which are fuels soluble in an electrolyte. For this reason, the electrode according to the present invention is used as a positive electrode (positive electrode), a saccharide or alcohol solution is used as an electrolyte, and a negative electrode (negative electrode) for oxidizing saccharides or alcohols is used to constitute a power generation cell. can do. In this case, even if the positive electrode side and the negative electrode side are not separated by a separator, the voltage of the power generation cell does not decrease even if saccharides or alcohols, which are fuels dissolved in the electrolyte, are in direct contact with the positive electrode. Of course, in the electrochemical device of the present invention, a separator may be used as necessary.
[0071]
In the electrochemical device of the present invention, an electrode containing a carbide obtained by carbonizing a yeast-containing substance is used as the positive electrode, and thus the 4-electron reduction reaction of oxygen as described above occurs. In other words, a four-electron reduction reaction of oxygen can be performed by using the electrochemical element of the present invention.
【The invention's effect】
[0072]
The electrode for oxidation-reduction in the present invention can obtain an electrode capable of efficiently performing oxygen reduction electrochemically by using a carbide of a yeast-containing substance.
[0073]
That is, the electrode according to the present invention exhibits a substantial four-electron reduction reaction action that has not been known in conventional carbon-based materials that catalyze the two-electron reduction reaction of oxygen molecules.
[0074]
When the electrode according to the present invention is disposed at the intersection of the ion path and the oxygen path, the electrochemical reduction of oxygen can be caused smoothly with a small overvoltage (resistance). As a result, an electrochemical element capable of obtaining a large electromotive force and a large current value can be provided.
[0075]
In particular, the electrode according to the present invention is a substitute for a noble metal catalyst such as platinum, which is a conventional four-electron reduction catalyst, because the reduction reaction of oxygen molecules proceeds substantially with four electrons. As a result, 1) it is inexpensive, 2) there is no need to separate the place where the oxidation reaction / reduction reaction is performed by a separator, etc., and 3) it is possible to suppress inactivation of the catalyst due to poisoning or the like. It becomes possible to provide an electrode.
[0076]
Moreover, since the support itself catalyses the reduction reaction electrochemically by using the carbide obtained by carbonizing the yeast-containing substance as a catalyst carrier for the oxidation-reduction electrode, the amount of noble metal catalyst such as platinum used. Can also be reduced.
[0077]
Furthermore, it is thought that the effect which suppresses the performance fall by the poisoning etc. of noble metal catalysts, such as platinum, is also possessed, and it becomes possible to aim at a higher performance improvement.
[Industrial applicability]
[0078]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode for oxygen reduction excellent also in the stability which gives a 4-electron reductive reaction with the selectivity close | similar to 100% substantially with respect to the electrochemical reduction of oxygen can be provided. Such an electrode for oxygen reduction can be used for an oxygen electrode, an air electrode, or the like of an electrochemical device using an oxygen reduction reaction as a positive electrode reaction. For example, it is suitably used for zinc-air batteries, aluminum-air batteries, sugar-air batteries and other air batteries; oxyhydrogen fuel cells, methanol fuel cells and other fuel cells; enzyme sensors, oxygen sensors and other electrochemical sensors; be able to.
[0079]
As described above, the electrode of the present invention and the manufacturing method thereof are methods suitable for production on an industrial scale, and are highly practical.
【Example】
[0080]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the scope of the present invention is not limited to the examples.
[0081]
Example 1
Preparation of test electrodes 1 and 2
After carbonizing the beer pomace material containing brewer's yeast at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere, test electrodes 1 and 2 were produced using the carbide obtained by performing steam activation at 900 ° C.
[0082]
Fixed carbon of the obtained carbide was about 64% by mass. Ash content in elemental analysis was about 30% by mass. Of these, about 30% by mass of phosphorus (P), 23% by mass of calcium (Ca), 7% by mass of magnesium (Mg), 3% by mass of potassium (K), silicon by silicon X-ray analysis. It was found that (Si) was about 20% by mass and that P and Ca were the main components. In addition, as a characteristic absorption by infrared spectroscopy, the wave number is about 1110 cm.-1C—O—C absorption having an absorption peak at about 1570 cm-1C = C absorption having an absorption peak at about 1705 cm-1C = O absorption having an absorption peak at 3000 cm-1Nearby broad OH absorption was observed. These are not carbon-only complete carbides, but are derived from the molecular structure of the yeast-containing material before carbonization.
[0083]
The obtained carbide was pulverized so that the maximum diameter was 10 μm or less. 25 μg of this powder was dispersed in 5 μl of an ethanol solution in which 0.05% by mass of proton-conductive Nafion (product name “Nafion 112” manufactured by DuPont, the same applies hereinafter) was dissolved. The obtained dispersion is dropped on a breathable conductive substrate so as to cover the entire surface, dried with warm air to evaporate ethanol, and the dispersion is further dropped again to evaporate the ethanol and carbide and Nafion. A test electrode was prepared.
[0084]
As the air-permeable conductive substrate, carbon paper having a thickness of 0.36 mm (product name “TGPH-120” manufactured by Toray, the same shall apply hereinafter) was used. 2.25 mg / cm2 of a mixture comprising 1 part by weight of carbon black particles and 0.1 part by weight of a polytetrafluoroethylene (PTFE) binder2A waterproof carbon paper base obtained by holding the carbon paper on the carbon paper and a carbon paper base that was not waterproofed were used.
[0085]
4.2 mg / cm of carbide is formed on the surface of the waterproof carbon paper substrate by the method described above.2The test electrode 1 coated so as to be obtained was obtained. In addition, the carbide is 2 mg / cm on the carbon paper substrate by the method described above.2A test electrode 2 formed so as to be obtained was obtained.
[0086]
(Example 2)
Preparation of test electrode 3
After carbonizing beer squeezed koji material containing brewer's yeast at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere, steam activation was performed at 900 ° C. 4 parts by weight of the obtained carbide (average particle size of about 5 μm) was mixed with manganese lower oxide (Mn3O4And Mn5O8, 4 parts by weight of an average particle size of about 10 μm), 1 part by weight of carbon black, and 0.2 part by weight of a fluororesin binder (PTFE). Using this mixture, a sheet using a nickel-plated stainless steel wire mesh (thickness: 0.15 mm, 25 mesh) of a breathable conductive substrate as a core was produced. Next, a fluororesin porous sheet (porosity: about 50%, thickness: 0.2 mm) was pressure-bonded to one side of the sheet to produce a test electrode 3 having a thickness of about 3 mm.
[0087]
(Example 3)
Preparation of test electrode 4
5 parts by weight of brewer's yeast and 0.1 part by weight of calcium hydrogen phosphate were mixed with 0.1 part by weight of anhydrous silicic acid binder and molded and solidified. The resulting mixture was carbonized at 900 ° C. under a nitrogen atmosphere. The obtained carbide was pulverized so that the maximum diameter was 20 μm or less. 25 μg of the obtained powder was dispersed in 5 μl of an ethanol solution in which 0.05% by mass of Nafion was dissolved. This dispersion was dropped onto the waterproof carbon paper substrate used in Example 1 so as to cover the entire surface, dried with warm air, and ethanol was evaporated to prepare a test electrode 4 containing carbide and Nafion. Carbide is 2mg / cm2It formed so that it might become.
[0088]
Example 4
Preparation of test electrode 5
After carbonizing beer yeast at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere, steam activation was performed at 900 ° C. to obtain a carbide. The carbide was pulverized so that the maximum diameter was 10 μm or less. The obtained powder was impregnated with a 3 mmol / L ethanol solution of chloroplatinic acid to give a platinum salt. This was reduced by adding sodium borohydride at room temperature to carry platinum. The platinum loading at this time was about 10% by mass. 25 μg of the carbide added with platinum was dispersed in 5 μl of an ethanol solution in which 0.05% by mass of proton conductive Nafion was dissolved. This dispersion is dropped onto the waterproof carbon paper substrate used in Example 1 so as to cover the entire surface, and dried with warm air to evaporate ethanol, and then the dispersion is added again to evaporate ethanol. As a result, a test electrode 5 containing carbide and Nafion was produced. In this test electrode 5, the carbide is 2 mg / cm.2The platinum amount at that time is about 0.2 mg / cm2Met.
[0089]
(Example 5)
Preparation of test electrode 6
The test electrode 6 was produced using the carbide | carbonized_material obtained by carbonizing the wort pomace material for whiskey manufacture containing yeast at 800 degreeC under nitrogen atmosphere, and then steam-activating at 900 degreeC. The carbide was pulverized so that the maximum diameter was 10 μm or less. 25 μg of this powder was dispersed in 5 μl of an ethanol solution in which 0.05% by mass of proton-conductive Nafion was dissolved. This dispersion is dropped onto a breathable conductive substrate made of carbon paper having a thickness of 0.36 mm so as to cover the entire surface, dried by warm air to evaporate ethanol, and the dispersion is further dropped again. The test electrode 6 containing carbide and Nafion was prepared by evaporating ethanol. Carbon carbide is 2 mg / cm on the carbon paper substrate.2It carried so that it might become.
[0090]
(Comparative Example 1)
Preparation of comparative electrodes 1, 2, 3, 4 and 5
25 μg of carbon black powder having a platinum loading of 50% by mass was dispersed in 5 μl of an ethanol solution in which 0.05% by mass of proton-conductive Nafion was dissolved. 2.25 mg / cm of a mixture comprising 1 part by weight of carbon black particles as a breathable conductive substrate and 0.1 part by weight of a polytetrafluoroethylene (PTFE) binder.2This dispersion is dropped onto a waterproof carbon paper substrate held on a carbon paper with a thickness of 0.36 mm so as to cover the entire surface, dried with warm air to evaporate ethanol, and further the dispersion is By dropping again and evaporating ethanol, the amount of platinum was about 0.35 mg / cm2.2The comparative electrode 1 was prepared.
[0091]
At this time, platinum was reduced to about 0.2 mg / cm2 by performing the same treatment except that carbon black powder having a platinum loading of 30% by mass was used instead of the carbon black powder described above.2Comparative electrode 2 was prepared.
[0092]
In addition, the above-mentioned waterproof carbon paper substrate was formed on the comparative electrode 3, the carbon paper alone was formed on the comparative electrode 4, and an ethanol solution of proton conductive Nafion without the above-mentioned carbide was formed on the carbon paper substrate to obtain the comparative electrode 5. .
[0093]
(Example 6)
Evaluation of electrode characteristics of test electrodes 1 and 2
A three-electrode cell having the configuration shown in FIG. 3 was constructed, and the oxygen reduction characteristics at the test electrode were evaluated by voltage-current characteristics. In FIG. 3, 1 is an air electrode, 1a is a test electrode or a comparison electrode, 1b is a fluororesin porous sheet, 1c is an electrode lead, 2 is a counter electrode, 3 is a reference electrode, 4 is an electrolyte, and 5 is an air electrode. This is a glass cell having an opening with a diameter of 16 mm. As shown in FIG. 3, the air electrode 1 is disposed in the opening of the glass cell 5 so that the surface on the fluororesin porous sheet 1 b side is exposed to the atmosphere, and the other surface is in contact with the electrolytic solution 4. As the electrolytic solution 4, a 0.1 M phosphate buffer solution having a pH of 7.0 was used. The counter electrode 2 was platinum, and the reference electrode 3 was an Ag / AgCl (saturated KCl) electrode. The test electrode or comparative electrode 1a and the fluororesin porous sheet 1b were brought into close contact with each other.
[0094]
FIG. 1 shows a comparison of voltage-current characteristics when the test electrodes 1 and 2 and each comparison electrode are the air electrode 1. The applied current is measured while being maintained for at least 10 minutes, and the electromotive force is corrected by cell resistance and expressed on the basis of a standard hydrogen electrode (NHE). The test electrodes 1 and 2 had a small overvoltage and a high electromotive force compared to the comparative electrode 3 made of carbon black, and an electromotive force comparable to that of the comparative electrodes 1 and 2 made of platinum catalyst. This is comparable to the four-electron reduction reaction in platinum because the carbon used in the test electrode is substantially reduced by four electrons while oxygen is reduced by two electrons in the conventional carbon-based material. It is considered that the characteristics were obtained.
[0095]
(Example 7)
Evaluation of electrode characteristics of test electrodes 3, 4, 5 and 6
Similarly to Example 6, a three-electrode cell having the configuration shown in FIG. 3 was constructed, and the reduction characteristics of oxygen at the test electrode were evaluated by voltage-current characteristics.
[0096]
FIG. 2 shows a comparison of voltage-current characteristics when the test electrodes 3, 4, 5 and 6 and each comparison electrode are the air electrode 1. As compared with the comparative electrode 3 made of carbon black, each test electrode has a small overvoltage and a high electromotive force as in Example 6, and it can be seen that oxygen is catalyzed by an action close to a four-electron reduction reaction.
[0097]
In the test electrode 3, since the manganese lower oxide contained in the air electrode has a strong action of decomposing hydrogen peroxide generated by the two-electron reduction reaction of oxygen molecules, the effect of the four-electron reduction reaction is substantially increased. An electromotive force almost equal to that of the reference electrode 1 made of platinum was obtained.
[0098]
In the test electrode 4, a high electromotive force was obtained as an electrochemical catalytic effect in the granular material even in the carbide formed by molding and solidifying. For this reason, it is expected that the handleability can be improved, for example, by forming a molded body of carbide to form an electrode without using a granular material.
[0099]
In the test electrode 5, a high electromotive force is obtained with respect to the comparison electrode 2 in which the amount of platinum adhering to the carbide is the same. This is because, in addition to the added platinum, the reducing action of the carbide obtained by carbonizing the yeast is added to cause an efficient reduction reaction. By using this carbide as a catalyst carrier, the amount of expensive noble metal catalyst used can be reduced.
[0100]
Further, when the holding time of the electromotive force in the air electrode using the test electrode 5 is compared with that of the comparative electrode 1, the test electrode 5 is 5 times or more than the comparative electrode 1 in the time until the electromotive force is reduced by 10%. It was confirmed that it was retained for a long time. One of the major causes of this decrease in electromotive force is due to poisoning of platinum as a catalyst. The test electrode 5 has a small amount of platinum, so there is little decrease in electromotive force. However, since it has an effect that simply exceeds the difference in the amount of platinum (test electrode 5: comparative electrode 1 = 0.2: 0.35), It cannot be explained, and other effects are thought to have contributed. Although the effect is not clear, it is considered that the carbide effectively suppresses the poisoning of platinum due to the effect of advancing the four-electron reduction reaction of oxygen.
[0101]
In the test electrode 6, it turns out that the effect of 4-electron reduction reaction is acquired similarly also in the carbide | carbonized_material derived from yeast other than brewer's yeast.
[0102]
(Example 8)
Evaluation of power generation cell characteristics
The air electrode including the test electrode 1 of Example 1 is used as a positive electrode (positive electrode), platinum as a counter electrode is used as a negative electrode (negative electrode), and a 0.1M phosphate buffer solution having a pH of 6.8 in which 100 mM of glucose is dissolved is used as an electrolyte. Cell a was configured. Using the same positive electrode and negative electrode as in the power generation cell a, a power generation cell b using 0.1 M phosphate buffer solution having a pH of 6.8 in which 3% by mass of methanol was dissolved was constituted. Further, the power generation cell c and the power generation cell d were configured in the same manner except that the air electrode was a platinum plate Pt and used as a positive electrode. Table 1 shows the open circuit voltage of each power generation cell and the voltage when the power generation cell is discharged at a constant current value of 1 mA for 10 hours.
[0103]
[Table 1]
Figure 0003723902
[0104]
In the power generation cells a and b using the air electrode containing the carbide of the present invention as an active ingredient as the positive electrode, the open circuit voltage is 0.2 to 0.4 V compared to the power generation cells c and d using the platinum plate as the positive electrode. A high voltage could be obtained. This is because a positive electrode composed of an air electrode containing carbonized carbonized beer yeast as an active ingredient does not cause an oxidation reaction even when directly contacted with glucose or methanol, and gives a potential determined by a reduction reaction of oxygen. This indicates that the power generation cell gives a high voltage. On the other hand, the positive electrode made of a platinum plate causes an oxidation reaction when directly in contact with glucose or methanol, so that the power generation cell is low to give a low potential determined by the oxidation reaction of glucose or methanol and the reduction reaction of oxygen. It is thought that voltage is given.
[0105]
In addition, although glucose or methanol was used as a fuel substance soluble in the electrolyte, other saccharides of glucose (for example, fructose, mannose, starch, cellulose, etc.) or other alcohols of methanol (for example, ethanol, propanol, Similar results can be obtained using butanol, glycerol and the like. Similar results can be obtained by using a 0.1 NKOH aqueous solution or a salt solution in which 3% by mass of NaCl is dissolved in place of the 0.1 M phosphate buffer having a pH of 6.8 as the electrolyte.
[0106]
Example 9
Assembling the power generation cell
A power generation cell A and a power generation cell B having the configuration shown in FIG. 4 were assembled.
[0107]
In FIG. 4, the air electrode 11 acting as the positive electrode was produced in the power generation cell A using the test electrode 1 obtained in Example 1. In FIG. 4, 15 is a negative electrode lead, 16 is a positive electrode lead, and 17 is a sealing material made of transparent silicon rubber.
[0108]
In FIG. 4, the photocatalytic electrode acting as the negative electrode is composed of a glass substrate 6, an ITO thin film 7, titanium oxide (TiO 2).2) It consists of a fine particle film 8 and a dye molecule layer 9. The surface resistance is 10 ohm / cm on the glass substrate 6 having a thickness of 1 mm.2A light-transmitting conductive substrate on which an indium tin oxide (ITO) thin film 7 is formed is prepared, and TiO having an average particle diameter of 10 nm is prepared.2An acetonitrile solution containing 30% by mass of polyethylene glycol in which 11% by mass of particles are dispersed is applied on the ITO thin film by a dipping method, dried at 80 ° C., and then baked at 400 ° C. for 1 hour in air. 10 μm TiO2A fine particle film 8 was formed. Next, TiO2By immersing the fine particle film in ethanol in which 10 mM of the ruthenium metal complex dye molecule 9 shown below is dissolved, the dye molecule 9 is converted into TiO 2.2Attached to the fine particle film 8. Furthermore, after dipping in 4-tert-butylpyridine, the photocatalyst electrode was produced by washing with acetonitrile and drying.
[0109]
[Chemical 1]
Figure 0003723902
[0110]
As electrolyte solution / fuel solution 10, 0.1% phosphate buffer solution of pH 7.0, 5% by mass of fuel methanol, 5 mM coenzyme nicotinamide nucleotide (NADH), 16.0 U / ml alcohol dehydrogenase (ADH) Aldehyde dehydrogenase (AlDH) dissolved in 1.0 U / ml and formate dehydrogenase (FDH) dissolved in 0.3 U / ml were used. The electrolytic solution / fuel solution 10 is injected from the electrolytic solution / fuel solution injection port 13a, and is discharged from the discharge port 13b after power generation. Air is supplied from the outside into the power generation cell through the oxygen permeable water repellent film 12.
[0111]
The structure of the power generation cell shown in FIG. 4 will be described. The negative electrode side of the power generation cell is mainly composed of a glass substrate 6, and an ITO thin film 7 is laminated on the surface of the glass substrate 6. The ITO thin film 7 is provided with a negative electrode lead 15. The positive electrode side of the power generation cell is mainly composed of a plate-like air electrode 11, and an oxygen permeable water repellent film 12 is laminated on the surface of the air electrode 11. A positive electrode lead 16 extends from the inside of the air electrode 11. Such a power generation cell is formed by making the front surface of the glass substrate 6 and the back surface of the plate-like air electrode 11 face each other, and bonding the glass substrate 6 and the air electrode 11 with a sealing material 17 therebetween. Is formed.
[0112]
Between the glass substrate 6 and the air electrode 11, an electrolyte solution (or fuel solution) 10 is located on the air electrode 11 side, and a fine particle thin film 8 in which fine particles of titanium oxide are dispersed is located on the glass substrate 6 side. . A dye separation layer 9 is sandwiched between the electrolytic solution (or fuel solution) 10 and the fine particle thin film 8.
[0113]
Further, the sealing material 17 is provided with an electrolyte / fuel liquid inlet 13 a and an electrolyte / fuel liquid outlet 13 b that penetrate the sealing material 17. Liquid valves 14a and 14b are provided in the electrolyte / fuel solution inlet 13a and the electrolyte / fuel solution discharge port 13b, respectively. Through these electrolyte / fuel liquid inlet 13a and electrolyte / fuel outlet 13b, electrolyte (or fuel) 10 is injected between the glass substrate 6 and the air electrode 11 from the outside and discharged outside. Designed to be able to.
[0114]
The power generation cell B was manufactured to have the same configuration as the power generation cell A except that an air electrode manufactured using the test electrode 3 obtained in Example 2 was used.
[0115]
Power cell operating characteristics
After filling the power generation cell with the electrolyte / fuel solution, the solar simulator (AM1.5, 100 mW / cm from the glass substrate 6 side)2), And the voltage of the power generation cell when the power generation cell was discharged for 20 minutes at a constant current of 100 μA was measured. The OCV was 0.80 V for power generation cell A and 0.65 V for power generation cell B. Moreover, the voltage of the power generation cell after 20 minutes of discharge was 0.75 V in the power generation cell A and 0.55 V in the power generation cell B. Thus, a high electromotive force was obtained, and a high voltage could be maintained during discharge.
[0116]
In this example, a battery using a photocatalyst electrode as a negative electrode of a power generation cell and methanol as a fuel is shown. However, even if a metal such as zinc, magnesium, or aluminum is used as a negative electrode, oxygen reduction according to the present invention is used. By combining with an electrode, a battery having a high electromotive force and a battery voltage during discharge can be obtained as an electrochemical element.

Claims (56)

酸素を4電子還元するために用いる酸素還元用電極を製造する方法であって、(1)酵母含有物質を炭化することにより炭化物を得る第一工程及び(2)前記炭化物を含む電極材料を用いて前記酸素還元用電極を製造する第二工程を有する製造方法。A method for producing an oxygen reduction electrode used for 4-electron reduction of oxygen, wherein (1) a first step of obtaining a carbide by carbonizing a yeast-containing substance and (2) an electrode material containing the carbide A production method comprising a second step of producing the oxygen reduction electrode. 酵母含有物質が、ビール酵母、ワイン酵母、清酒酵母、ウイスキー酵母、パン酵母、食飼料酵母、ビール絞り粕、清酒粕、ワイン製造用葡萄汁絞り粕、ウイスキー製造用麦汁絞り粕、とうもろこし汁絞り粕及び醤油粕の少なくとも1種である請求項1記載の製造方法。Yeast-containing substances are brewer's yeast, wine yeast, sake yeast, whiskey yeast, baker's yeast, food yeast, beer squeezed rice cake, sake brewer's sake, wine squeezed squeezed rice cake, whiskey brewed squeezed rice cake, corn juice squeezed The production method according to claim 1, which is at least one of koji and soy sauce koji. 第一工程において、酸素濃度が10体積%以下である雰囲気下で300℃以上1200℃以下で前記酵母含有物質を炭化する請求項1記載の製造方法。The production method according to claim 1, wherein in the first step, the yeast-containing substance is carbonized at 300 ° C to 1200 ° C in an atmosphere having an oxygen concentration of 10% by volume or less. 第一工程において、酸素濃度が10体積%以下である雰囲気下で500℃以上1000℃以下で前記酵母含有物質を炭化する請求項3記載の製造方法。The production method according to claim 3, wherein in the first step, the yeast-containing substance is carbonized at 500 ° C or more and 1000 ° C or less in an atmosphere having an oxygen concentration of 10% by volume or less. 前記雰囲気が不活性ガス雰囲気である請求項3記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 3, wherein the atmosphere is an inert gas atmosphere. 第一工程において、炭化物をさらに賦活処理する請求項1記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 1, wherein in the first step, the carbide is further activated. 第二工程において、前記電極材料を所定の形状に成形して成形体を得た後、前記成形体を導電体基体に積層又は圧着することにより前記酸素還元用電極が製造される、請求項1に記載の製造方法。In the second step, the electrode material for oxygen reduction is manufactured by forming the electrode material into a predetermined shape to obtain a molded body, and then laminating or press-bonding the molded body to a conductor substrate. The manufacturing method as described in. 第二工程において、前記電極材料をペースト状にして電極材料を含有するペーストを得た後、前記ペーストを導電性基体にコーティングすることにより前記酸素還元用電極が製造される、請求項1に記載の製造方法。2. The oxygen reduction electrode according to claim 1, wherein in the second step, the electrode material is made into a paste to obtain a paste containing the electrode material, and then the electrode for oxygen reduction is manufactured by coating the paste on a conductive substrate. Manufacturing method. 前記酵母含有物質、炭化物及び電極材料の少なくともいずれかに、リン(P)及びカルシウム(Ca)の少なくとも1種を含む無機化合物を添加する請求項1記載の製造方法。The manufacturing method of Claim 1 which adds the inorganic compound containing at least 1 sort (s) of phosphorus (P) and calcium (Ca) to at least any one of the said yeast containing substance, a carbide | carbonized_material, and an electrode material. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収を示す請求項1記載の製造方法。The method of claim 1, wherein the carbide exhibits infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretching in the range of about 1000 to 1200 cm −1 . 前記炭化物が、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収を示す請求項1記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 1, wherein the carbide exhibits infrared absorption of symmetrical stretching of carbon (C) = carbon (C) of about 1600 cm −1 . 前記炭化物が、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収を示す請求項1記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 1, wherein the carbide exhibits infrared absorption of stretching of carbon (C) = oxygen (O) of about 1700 cm −1 . 前記炭化物が、約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す請求項1記載の製造方法。The manufacturing method of Claim 1 in which the said carbide | carbonized_material shows the infrared absorption of the expansion-contraction of oxygen (O) -hydrogen (H) of about 3000 cm < -1 >. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収、および約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す請求項1記載の製造方法。Infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range of about 1000 to 1200 cm −1 , about 1600 cm −1 carbon (C) = symmetric stretch of carbon (C) infrared absorption, expansion and contraction of the infrared absorption of carbon about 1700cm -1 (C) = oxygen (O), in and around 3000 cm -1 oxygen (O) - claim showing the infrared absorption of the expansion and contraction of the hydrogen (H) 1. The production method according to 1. 前記酵母含有物質、炭化物及び電極材料の少なくともいずれかに、金属及びその酸化物の少なくとも1種を添加する請求項1記載の製造方法。The manufacturing method of Claim 1 which adds at least 1 sort (s) of a metal and its oxide to at least any one of the said yeast containing substance, carbide | carbonized_material, and an electrode material. 酸化物が一般式MnO(ただし、yはマンガン(Mn)の価数で決まる酸素の原子数であって、2未満である。)で表されるマンガン低級酸化物である請求項15記載の製造方法。 16. The oxide according to claim 15 , wherein the oxide is a manganese lower oxide represented by the general formula MnO y (where y is the number of oxygen atoms determined by the valence of manganese (Mn) and less than 2). Production method. 酵母含有物質を炭化して得られる炭化物を含む電極であって、酸素を4電子還元するために用いる酸素還元用電極。An electrode containing a carbide obtained by carbonizing a yeast-containing substance, the electrode for oxygen reduction used for 4-electron reduction of oxygen. リン(P)及びカルシウム(Ca)の少なくとも1種を含む無機化合物を含む請求項17記載の酸素還元用電極。The oxygen reduction electrode according to claim 17, comprising an inorganic compound containing at least one of phosphorus (P) and calcium (Ca). 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収を示す請求項17記載の酸素還元用電極。The oxygen-reducing electrode according to claim 17, wherein the carbide exhibits infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretching in a range of about 1000 to 1200 cm −1 . 前記炭化物が、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収を示す請求項17記載の酸素還元用電極。The oxygen-reducing electrode according to claim 17, wherein the carbide exhibits infrared absorption of symmetrical stretching of carbon (C) = carbon (C) of about 1600 cm −1 . 前記炭化物が、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収を示す請求項17記載の酸素還元用電極。The oxygen-reducing electrode according to claim 17, wherein the carbide exhibits infrared absorption of stretching of carbon (C) = oxygen (O) of about 1700 cm −1 . 前記炭化物が、約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す請求項17記載の酸素還元用電極。The oxygen reduction electrode according to claim 17, wherein the carbide exhibits infrared absorption of stretching of oxygen (O) -hydrogen (H) of about 3000 cm −1 . 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収、および約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す請求項17記載の酸素還元用電極。Infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range of about 1000 to 1200 cm −1 , about 1600 cm −1 carbon (C) = symmetric stretch of carbon (C) infrared absorption, expansion and contraction of the infrared absorption of carbon about 1700cm -1 (C) = oxygen (O), in and around 3000 cm -1 oxygen (O) - claim showing the infrared absorption of the expansion and contraction of the hydrogen (H) 18. The electrode for oxygen reduction according to 17. 金属及びその酸化物の少なくとも1種を含む請求項17記載の酸素還元用電極。The oxygen reduction electrode according to claim 17, comprising at least one of a metal and an oxide thereof. 前記酸化物が、MnO(ただし、yはマンガン(Mn)の価数で決まる酸素の原子数であって、2未満である。)で表されるマンガン低級酸化物である請求項24記載の酸素還元用電極。25. The manganese lower oxide represented by MnO y (wherein y is the number of oxygen atoms determined by the valence of manganese (Mn) and less than 2). Electrode for oxygen reduction. 前記炭化物が粒子状であって、前記炭化物を含む電極材料が導電性基体に担持されてなる請求項17記載の酸素還元用電極。The electrode for oxygen reduction according to claim 17, wherein the carbide is particulate, and an electrode material containing the carbide is supported on a conductive substrate. 導電性基体が、通気性である請求項26記載の酸素還元用電極。27. The oxygen reduction electrode according to claim 26, wherein the conductive substrate is breathable. 中性水溶液電解質中で分子状酸素を電気化学的に還元するために用いる請求項17記載の酸素還元用電極。18. The oxygen reduction electrode according to claim 17, which is used for electrochemical reduction of molecular oxygen in a neutral aqueous electrolyte. a)酸素を4電子還元する正極、b)負極及びc)電解質を含み、かつ、上記正極が酵母含有物質を炭化して得られる炭化物を含む電気化学素子。An electrochemical device comprising: a) a positive electrode that reduces oxygen by four electrons; b) a negative electrode; and c) an electrolyte, wherein the positive electrode includes a carbide obtained by carbonizing a yeast-containing substance. 前記正極が、リン(P)及びカルシウム(Ca)の少なくとも1種を含む無機化合物を含む請求項29記載の電気化学素子。30. The electrochemical device according to claim 29, wherein the positive electrode contains an inorganic compound containing at least one of phosphorus (P) and calcium (Ca). 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収を示す請求項29記載の電気化学素子。30. The electrochemical device of claim 29, wherein the carbide exhibits infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range of about 1000 to 1200 cm −1 . 前記炭化物が、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収を示す請求項29記載の電気化学素子。30. The electrochemical device of claim 29, wherein the carbide exhibits infrared absorption of a symmetric stretch of about 1600 cm < -1 > carbon (C) = carbon (C). 前記炭化物が、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収を示す請求項29記載の電気化学素子。30. The electrochemical device of claim 29, wherein the carbide exhibits infrared absorption of carbon (C) = oxygen (O) stretch of about 1700 cm −1 . 前記炭化物が、約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す請求項29記載の電気化学素子。30. The electrochemical device according to claim 29, wherein the carbide exhibits infrared absorption of oxygen (O) -hydrogen (H) stretching at about 3000 cm < -1 >. 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収、約1700cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収、および約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す請求項29記載の電気化学素子。Infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range of about 1000 to 1200 cm −1 , about 1600 cm −1 carbon (C) = symmetric stretch of carbon (C) infrared absorption, expansion and contraction of the infrared absorption of carbon about 1700cm -1 (C) = oxygen (O), in and around 3000 cm -1 oxygen (O) - claim showing the infrared absorption of the expansion and contraction of the hydrogen (H) 29. The electrochemical device according to 29. 前記正極が金属及びその酸化物の少なくとも1種を含む請求項29記載の電気化学素子。30. The electrochemical device according to claim 29, wherein the positive electrode contains at least one of a metal and an oxide thereof. 前記酸化物が、MnO(ただし、yはマンガン(Mn)の価数で決まる酸素の原子数であって、2未満である。)で表されるマンガン低級酸化物である請求項36記載の電気化学素子。The oxide according to claim 36, wherein the oxide is a manganese lower oxide represented by MnO y (wherein y is the number of oxygen atoms determined by the valence of manganese (Mn) and less than 2). Electrochemical element. 前記炭化物が粒子状であって、前記炭化物を含む電極材料が導電性基体に担持されて前記正極が構成されている請求項29記載の電気化学素子。30. The electrochemical device according to claim 29, wherein the carbide is particulate, and an electrode material containing the carbide is supported on a conductive substrate to constitute the positive electrode. 導電性基体が、通気性である請求項38記載の電気化学素子。The electrochemical device according to claim 38, wherein the conductive substrate is breathable. 電解質が、中性水溶液電解質である請求項29記載の電気化学素子。30. The electrochemical element according to claim 29, wherein the electrolyte is a neutral aqueous electrolyte. 負極の反応が、電解質に可溶の燃料物質から電気化学的に電子を取り出す酸化反応であることを特徴とする請求項29記載の電気化学素子。30. The electrochemical device according to claim 29, wherein the reaction of the negative electrode is an oxidation reaction in which electrons are electrochemically extracted from a fuel substance soluble in the electrolyte. 前記電解質に、糖類及びアルコール類の少なくとも1種が含まれている請求項29記載の電気化学素子。30. The electrochemical device according to claim 29, wherein the electrolyte contains at least one of saccharides and alcohols. 酸素の4電子還元を行う方法であって、
a)酵母含有物質を炭化して得られる炭化物を含む正極、b)負極及びc)電解質を含む電池を提供する電池提供工程、および
上記正極に酸素を供給することによって酸素の4電子還元を行う酸素供給工程
を含む還元方法。
A method for performing 4-electron reduction of oxygen,
a) a positive electrode containing a carbide obtained by carbonizing a yeast-containing substance, b) a negative electrode and c) a battery providing step for providing a battery containing an electrolyte, and four-electron reduction of oxygen by supplying oxygen to the positive electrode A reduction method including an oxygen supply step.
前記正極が、リン(P)及びカルシウム(Ca)の少なくとも1種を含む無機化合物を含む請求項43記載の還元方法。44. The reduction method according to claim 43, wherein the positive electrode contains an inorganic compound containing at least one of phosphorus (P) and calcium (Ca). 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収を示す請求項43記載の還元方法。44. The reduction method of claim 43, wherein the carbide exhibits infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range of about 1000 to 1200 cm −1 . 前記炭化物が、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収を示す請求項43記載の還元方法。44. The reduction method according to claim 43, wherein the carbide exhibits infrared absorption of a symmetric stretch of about 1600 cm −1 of carbon (C) = carbon (C). 前記炭化物が、約2100cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収を示す請求項43記載の還元方法。44. The reduction method according to claim 43, wherein the carbide exhibits infrared absorption of stretch of carbon (C) = oxygen (O) of about 2100 cm −1 . 前記炭化物が、約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す請求項43記載の還元方法。44. The reduction method according to claim 43, wherein the carbide exhibits infrared absorption of oxygen (O) -hydrogen (H) stretching at about 3000 cm −1 . 前記炭化物が、約1000から1200cm−1範囲の炭素(C)−酸素(O)−炭素(C)伸縮の赤外吸収、約1600cm−1の炭素(C)=炭素(C)の対称伸縮の赤外吸収、約2100cm−1の炭素(C)=酸素(O)の伸縮の赤外吸収、および約3000cm−1の酸素(O)−水素(H)の伸縮の赤外吸収を示す請求項43記載の還元方法。Infrared absorption of carbon (C) -oxygen (O) -carbon (C) stretch in the range of about 1000 to 1200 cm −1 , about 1600 cm −1 carbon (C) = symmetric stretch of carbon (C) An infrared absorption, an infrared absorption of about 2100 cm -1 carbon (C) = oxygen (O) stretch, and an infrared absorption of about 3000 cm -1 oxygen (O) -hydrogen (H). 44. The reduction method according to 43. 前記正極が金属及びその酸化物の少なくとも1種を含む請求項43記載の還元方法。44. The reduction method according to claim 43, wherein the positive electrode contains at least one of a metal and an oxide thereof. 前記酸化物が、MnO(ただし、yはマンガン(Mn)の価数で決まる酸素の原子数であって、2未満である。)で表されるマンガン低級酸化物である請求項50記載の還元方法。51. The manganese lower oxide according to claim 50, wherein the oxide is MnO y (wherein y is the number of oxygen atoms determined by the valence of manganese (Mn) and less than 2). Reduction method. 前記炭化物が粒子状であって、前記炭化物を含む電極材料が導電性基体に担持されて前記正極が構成されている請求項43記載の還元方法。44. The reduction method according to claim 43, wherein the carbide is in the form of particles, and an electrode material containing the carbide is supported on a conductive substrate to constitute the positive electrode. 導電性基体が、通気性である請求項52記載の還元方法。53. The reduction method according to claim 52, wherein the conductive substrate is breathable. 電解質が、中性水溶液電解質である請求項43記載の還元方法。44. The reduction method according to claim 43, wherein the electrolyte is a neutral aqueous electrolyte. 負極の反応が、電解質に可溶の燃料物質から電気化学的に電子を取り出す酸化反応であることを特徴とする請求項43記載の還元方法。44. The reduction method according to claim 43, wherein the negative electrode reaction is an oxidation reaction in which electrons are electrochemically extracted from a fuel substance soluble in the electrolyte. 前記電解質に、糖類及びアルコール類の少なくとも1種が含まれている請求項43記載の還元方法。44. The reduction method according to claim 43, wherein the electrolyte contains at least one of saccharides and alcohols.
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