JP4851691B2 - 硫黄サイクルハイブリッド水素製造に用いられる電気分解槽用のアノード電極材料とこれを利用した硫黄サイクルハイブリッド水素製造用電気分解槽、並びに電子導電性セラミックス粉体と立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体 - Google Patents
硫黄サイクルハイブリッド水素製造に用いられる電気分解槽用のアノード電極材料とこれを利用した硫黄サイクルハイブリッド水素製造用電気分解槽、並びに電子導電性セラミックス粉体と立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体 Download PDFInfo
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0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつ当該Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアが還元処理されてなる電子導電性セラミックス粉体によって構成されていることを特徴とする硫黄サイクルハイブリッド水素製造に用いられる電気分解槽用のアノード電極材料である。
また、請求項6に記載の発明は、Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上(但し、Gd、Sm、Yb及びYを単独で用いる場合を除く)から成る複合酸化物 RE2-xTi2O7-δ であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつ当該Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアが還元処理されてなることを特徴とする電子導電性セラミックス粉体である。
0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつBサイトの一部が遷移金属元素Mで置換された複合酸化物 RE2-xTi2-yMyO7-δ (ただし MはCr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ptのうちの一つまたは二つ以上)であって、当該Bサイトにおける遷移金属元素Mの置換量yが
0<y≦0.2
の範囲内とされ、尚かつ当該立方晶系チタン酸化物パイロクロア(RE2-xTi2-yMyO7-δ)が還元処理されてなる電子導電性セラミックス粉体によって構成されていることを特徴とする硫黄サイクルハイブリッド水素製造に用いられる電気分解槽用のアノード電極材料である。
また、請求項7に記載の発明は、Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上から成る複合酸化物であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつBサイトの一部が遷移金属元素Mで置換された複合酸化物 RE 2-x Ti 2-y M y O 7-δ (ただし MはCr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ptのうちの一つまたは二つ以上)であって、当該Bサイトにおける前記遷移金属元素Mの置換量yが
0<y≦0.2
の範囲内とされ、尚かつ当該立方晶系チタン酸化物パイロクロア(RE 2-x Ti 2-y M y O 7-δ )が還元処理されてなることを特徴とする電子導電性セラミックス粉体である。
0<x<0.5
の範囲内とされる立方晶系チタン酸化物パイロクロア粉体が焼結され、その後還元処理されることによって形成されている立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体によって構成されていることを特徴とする硫黄サイクルハイブリッド水素製造に用いられる電気分解槽用のアノード電極材料である。
また、請求項8に記載の発明は、Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上(但し、Gd、Sm、Yb及びYを単独で用いる場合を除く)から成る複合酸化物 RE2-xTi2O7-δ であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
0<x<0.5
の範囲内とされる立方晶系チタン酸化物パイロクロア粉体が焼結され、その後還元処理されることによって形成されていることを特徴とする立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体である。
0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつBサイトの一部が遷移金属元素Mで置換された複合酸化物 RE2-xTi2-yMyO7-δ (ただし MはCr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ptのうちの一つまたは二つ以上)であって、当該Bサイトにおける遷移金属元素Mの置換量yが
0<y≦0.2
の範囲内とされる立方晶系チタン酸化物パイロクロア粉体が焼結され、その後還元処理されることによって形成されている立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体によって構成されていることを特徴とする硫黄サイクルハイブリッド水素製造に用いられる電気分解槽用のアノード電極材料である。
また、請求項9に記載の発明は、Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上から成る複合酸化物であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつBサイトの一部が遷移金属元素Mで置換された複合酸化物 RE 2-x Ti 2-y M y O 7-δ (ただし MはCr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ptのうちの一つまたは二つ以上)であって、当該Bサイトにおける前記遷移金属元素Mの置換量yが
0<y≦0.2
の範囲内とされる立方晶系チタン酸化物パイロクロア粉体が焼結され、その後還元処理されることによって形成されていることを特徴とする立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体である。
また、請求項7に記載の電子導電性セラミックス粉体、並びに請求項9に記載の立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体は、Aサイトを不定比化した上で還元処理し、酸素を欠損(欠損量δ)させているものであるため、d軌道電子を有するチタンの価数が+4価から+3価に変わり、室温近傍においても電子導電性を発現させることができる。また、チタン酸化物は、電気分解環境である濃硫酸中でも長時間に亘り高耐食性を示す。しかも、Bサイト元素であるチタンの一部を遷移金属に置換しており、このようなBサイトの異種元素による部分置換は触媒特性を低下させる可能性があるが、その置換量yを0<y≦0.20という僅かな量としているので、濃硫酸中の耐蝕性も維持できる上、CoやNi等の遷移金属元素を部分置換しているため、触媒特性のさらなる向上が期待できる。さらに、Gdを含む希土類元素から成る群から選ばれた元素をAサイトに用い、Bサイト元素にTiと、CoやNi等の遷移金属元素を用いているため、白金族を中心とした従来の酸化物電極材料に比べ低コスト化が期待できる。
1.1 材料合成
パイロクロア構造の基本構造式はA2B2O7である。供試したパイロクロア型セラミックスの焼成条件ならびに水素ガスを含む還元処理条件を表1に示す。なお、「水素ガスを含む還元処理」とは水素ガスを含む各種還元処理のことをいい、その中には水素で還元処理する「水素還元処理」が含まれる。
水素還元処理を施した作製したパイロクロア型セラミックスを5mm(幅)x5mm(高さ)x10mm(長さ)に切り出し、電気炉中、真空雰囲気下において、電気分解温度である80℃で、直流四端子法により導電率を測定した。
表1に示すセラミックス材料を電気分解環境である80℃, 50wt% H2SO4水溶液中で65時間、耐硫酸性を評価した。また、65時間浸漬試験の結果、耐硫酸性が良いとされたものに関しては、上記水溶液中に最大1,000時間浸漬し、長期耐硫酸性を評価した。試験装置を図2に示す。なお、図中の符号1は三口フラスコ、2はリービッヒ冷却管、3は油浴、4は熱電対、5はヒーター、6は温度調節器、7はスターラー、8は酸化物セラミックス、9は硫酸水溶液である。
2.1 結晶構造
2.1.1 Aサイトを不定比化したチタン酸化物パイロクロア
図3および図4にYb2-xTi2O7-δ(0≦x≦0.1)のXRD結果および回折結果から得られた格子定数と不定比との関係をそれぞれ示す。図3中の星印は、目的とするパイロクロア以外の相の形成を示す(他の図中の星印も同様)。また、cps は count per second を表している。図3より、x=0.1のときTiO2のピークが観察されること、つまり、結晶学的にTiO2の存在を示すX線強度がピークとして観察されることが明らかとなった。また、図4より、0≦x≦0.1において単一相のパイロクロアが形成されることが明らかとなった。なお、単一相とは他の結晶系や化学組成物を含まない相のこと、すなわちパイロクロアのみの相のことを指す。ちなみに、複合相(単一相以外の相)の導電率は単一相のそれに比して低くなる(例えば、半導体的性質を示すTiO2を含む場合、導電率は低下する)。なお、Yb2-xTi2O7-δ格子定数は、a = 10.024(1) Å、V =1007.08 Å3、Z = 8であった。
図24にGd2-xTi1.9Cr0.1O7-δ(0≦x≦0.28)のXRD結果を示す。これより、0<x≦0.28において単一相のパイロクロアが形成されることが明らかとなった。
Aサイトを不定比組成にし、BサイトにTi3+を安定に存在させたRE2-xTi2O7-dの導電率を電気分解温度である80℃で測定した。Aサイトイオン種により導電率が変化することは、上記から容易に予想される。そこで、Aサイトイオンの半径と導電率との関係を調べた。測定結果の一例をAサイトの不定比性との関係として図34にまとめる。これよりAサイトを不定比化すると導電率が発現することが判った。また、導電率をAサイトのイオン半径との関係として図35にまとめる。単斜晶系グループと立方晶系グループとに分類してみると、各グループ内ではイオン半径の増加とともに導電率も増加する傾向が見られた。なお、導電率が最も高かったのは、La1.9Ti2O7-δで5.1x10-3S/cm、最も低かったものはYb1.9Ti2O7-δで1.2x10-6S/cmであった。また、Bサイトを部分置換したRE2-xTi2-yMyO7-δ(M:Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt)についても、置換しないRE2-xTi2O7-δと同等の導電率が得られた。
硫黄サイクルハイブリッド水素製造法の電気分解環境を模擬した80℃、50wt%の硫酸(H2SO4)水溶液中において製作した電子伝導性酸化物セラミックスの耐食性を65時間〜1,000時間の範囲で調べた。
耐硫酸性評価試験65時間後のパイロクロア型酸化物の重量変化量およびICP-MS分析結果を表1および表2にそれぞれまとめる。
50wt% H2SO4水溶液中での耐食性が1%以下であったYb1.9Ti2O7-δ、Y1.9Ti2O7-δ、Gd2-xTi2O7-δ(0≦x≦0.28)、Sm2-xTi2O7-δ(0.1≦x≦0.4)およびGd2-xTi2-yMyO7-δ(M:遷移金属等)について、同溶液中で最大1,000時間の浸漬試験を実施し、溶解度の経時変化から長期健全性を評価した。重量変化から求めた溶解量の一例を図36および図37に示す。図36においては、重量変化が一定値(目的値)よりも低ければ耐酸性が満たされるものと考える。以上より、Yb1.9Ti2O7-δ、Y1.9Ti2O7-δ、Gd2-xTi2O7-δ(0≦x≦0.28)、Sm2-xTi2O7-δ(0.1≦x≦0.4)およびGd2-xTi2-yMyO7-δの耐硫酸性は1,000時間経過後も維持されることが明らかとなった。また、ICP-MS分析の結果、Tiの溶解量は、浸漬時間が65時間の場合と360時間以上の場合とで大差がなかったことから、Tiは浸漬初期に微量に溶解するものの、その後溶解し難いことが判った。また、高耐食性を示したパイロクロアはいずれも立方晶系(Yb1.9Ti2O7-δ、Y1.9Ti2O7-δ、Gd2-xTi2O7-δ、Sm2-xTi2O7-δ)であり、単斜晶系(La1.9Ti2O7-δ、Pr1.9Ti2O7-δ、Nd1.9Ti2O7-δ)は耐硫酸性が低かった。
Claims (9)
- Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上から成る複合酸化物 RE2-xTi2O7-δ であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつ当該Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアが還元処理されてなる電子導電性セラミックス粉体によって構成されていることを特徴とする硫黄サイクルハイブリッド水素製造に用いられる電気分解槽用のアノード電極材料。 - Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上から成る複合酸化物であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつBサイトの一部が遷移金属元素Mで置換された複合酸化物 RE2-xTi2-yMyO7-δ (ただし MはCr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ptのうちの一つまたは二つ以上)であって、当該Bサイトにおける前記遷移金属元素Mの置換量yが
0<y≦0.2
の範囲内とされ、尚かつ当該立方晶系チタン酸化物パイロクロア(RE2-xTi2-yMyO7-δ)が還元処理されてなる電子導電性セラミックス粉体によって構成されていることを特徴とする硫黄サイクルハイブリッド水素製造に用いられる電気分解槽用のアノード電極材料。 - Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上から成る複合酸化物 RE2-xTi2O7-δ であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
0<x<0.5
の範囲内とされる立方晶系チタン酸化物パイロクロア粉体が焼結され、その後還元処理されることによって形成されている立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体によって構成されていることを特徴とする硫黄サイクルハイブリッド水素製造に用いられる電気分解槽用のアノード電極材料。 - Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上から成る複合酸化物であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつBサイトの一部が遷移金属元素Mで置換された複合酸化物 RE2-xTi2-yMyO7-δ (ただし MはCr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ptのうちの一つまたは二つ以上)であって、当該Bサイトにおける前記遷移金属元素Mの置換量yが
0<y≦0.2
の範囲内とされる立方晶系チタン酸化物パイロクロア粉体が焼結され、その後還元処理されることによって形成されている立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体によって構成されていることを特徴とする硫黄サイクルハイブリッド水素製造に用いられる電気分解槽用のアノード電極材料。 - 請求項1〜4のいずれか1つに記載のアノード電極材料によってアノード電極が構成されていることを特徴とする硫黄サイクルハイブリッド水素製造用の電気分解槽。
- Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上(但し、Gd、Sm、Yb及びYを単独で用いる場合を除く)から成る複合酸化物 RE2-xTi2O7-δ であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつ当該Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアが還元処理されてなることを特徴とする電子導電性セラミックス粉体。 - Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上から成る複合酸化物であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
0<x<0.5
の範囲内とされ、尚かつBサイトの一部が遷移金属元素Mで置換された複合酸化物 RE2-xTi2-yMyO7-δ (ただし MはCr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ptのうちの一つまたは二つ以上)であって、当該Bサイトにおける前記遷移金属元素Mの置換量yが
0<y≦0.2
の範囲内とされ、尚かつ当該立方晶系チタン酸化物パイロクロア(RE2-xTi2-yMyO7-δ)が還元処理されてなることを特徴とする電子導電性セラミックス粉体。 - Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上(但し、Gd、Sm、Yb及びYを単独で用いる場合を除く)から成る複合酸化物 RE2-xTi2O7-δ であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
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の範囲内とされる立方晶系チタン酸化物パイロクロア粉体が焼結され、その後還元処理されることによって形成されていることを特徴とする立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体。 - Aサイトに希土類元素REを有する立方晶系チタン酸化物パイロクロアのうち、当該Aサイトの元素REがLu, Yb, Tm, Er, Ho, Y, Sc, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, Ceの各元素のうちの一つまたは二つ以上から成る複合酸化物であって、前記Aサイト元素REの不定比量xが当該Aサイト元素REに応じて
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の範囲内とされ、尚かつBサイトの一部が遷移金属元素Mで置換された複合酸化物 RE2-xTi2-yMyO7-δ (ただし MはCr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ptのうちの一つまたは二つ以上)であって、当該Bサイトにおける前記遷移金属元素Mの置換量yが
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の範囲内とされる立方晶系チタン酸化物パイロクロア粉体が焼結され、その後還元処理されることによって形成されていることを特徴とする立方晶系チタン酸化物パイロクロア焼結体。
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