JP5070483B2 - Ruthenic acid nanosheet and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、新規な構造を有するルテニウム酸ナノシート、その製造方法、および前記ルテニウム酸ナノシートを用いた電極を有する電気化学素子に関する。 The present invention relates to a ruthenate nanosheet having a novel structure, a method for producing the same, and an electrochemical device having an electrode using the ruthenate nanosheet.
従来、蓄電機能を有する電気化学素子の代表的なものとしては、電気二重層キャパシタ、擬似二重層キャパシタおよび二次電池などがあり、これらはそれぞれの特徴を生かした応用機器において実用化されている。二次電池は電気二重層キャパシタに比べ高エネルギー密度を有し、現在最も汎用の蓄電デバイスである。しかし、二次電池は電極と電解液との間の電気化学反応を利用して充放電するため、サイクル寿命が不十分であり、一定期間使用後は交換する必要がある。他方、活性炭電極表面と電解液との界面で生じる電気二重層容量に基づく電気二重層キャパシタは、二次電池に比べて高出力密度を有し寿命が長いことから、高信頼性が要求されるバックアップ電源などに用いられる。これに対し、擬似二重層キャパシタはRuO2、IrO2、Co3O4などの金属酸化物の表面と電解液との界面での電気化学吸着現象により発現する擬似容量を持っており、電気二重層キャパシタの特徴である高出力密度及び長寿命と、二次電池の特徴である高エネルギー密度とを併せ持つ蓄電デバイスとして近年開発が加速している。 Conventionally, typical electrochemical elements having a power storage function include electric double layer capacitors, pseudo double layer capacitors, and secondary batteries, and these have been put into practical use in application devices that make use of their respective characteristics. . Secondary batteries have a higher energy density than electric double layer capacitors, and are currently the most general-purpose power storage devices. However, since the secondary battery is charged and discharged using an electrochemical reaction between the electrode and the electrolytic solution, the cycle life is insufficient, and it is necessary to replace it after use for a certain period. On the other hand, the electric double layer capacitor based on the electric double layer capacity generated at the interface between the activated carbon electrode surface and the electrolyte solution has a high output density and a long life compared to the secondary battery, and therefore requires high reliability. Used for backup power supply. On the other hand, the pseudo double layer capacitor has a pseudo capacitance that is expressed by an electrochemical adsorption phenomenon at the interface between the surface of a metal oxide such as RuO 2 , IrO 2 , and Co 3 O 4 and the electrolytic solution. In recent years, development has been accelerated as a power storage device having both high output density and long life, which are characteristics of a multilayer capacitor, and high energy density, which is a characteristic of a secondary battery.
特にRuO2を用いる擬似二重層キャパシタは最も古くから研究開発が行われ、最近では一部で実用化されている。しかしルテニウムは貴金属であり高価なため、より一層の高活性化と有効活用が望まれている。最近、層状ルテニウム酸カリウムからイオン交換で得た層状ルテニウム酸を層間剥離してルテニウム酸ナノシートが合成され、高い電子導電性と高い静電容量が報告された(特許文献1及び非特許文献1)。
In particular, a pseudo double layer capacitor using RuO 2 has been researched and developed for the longest time, and recently has been put into practical use in part. However, since ruthenium is a noble metal and expensive, further higher activation and effective utilization are desired. Recently, ruthenic acid nanosheets were synthesized by delamination of layered ruthenic acid obtained by ion exchange from layered potassium ruthenate, and high electronic conductivity and high capacitance were reported (
しかしこのルテニウム酸カリウム由来のルテニウム酸ナノシートのシート厚は0.5nm程度と推定され、一層の厚さ方向に含有されるRuO2は2個に相当し、更に薄層化の余地が有りながら、RuO2一層に相当するルテニウム酸ナノシートの製法は知られていなかった。 However, the sheet thickness of the ruthenic acid nanosheet derived from this potassium ruthenate is estimated to be about 0.5 nm, and RuO 2 contained in one thickness direction corresponds to two, and there is room for further thinning, A method for producing a ruthenic acid nanosheet corresponding to one RuO 2 layer has not been known.
最近、α‐NaFeO2型構造をとる新規な層状ルテニウム酸NaRuO2の合成と構造解析が報告された(非特許文献2及び非特許文献3)。このNaRuO2は、一層に含有されるRuO2が一層で、極限まで薄いため、これを層間剥離してナノシートコロイド化出来れば、これまでのルテニウム酸ナノシートでは無駄になっていたRuとRuの層間を極限まで有効活用でき、より高い擬似二重層容量が期待できる。しかしルテニウム酸カリウム由来の層状ルテニウム酸に適用出来た層間剥離の手法はルテニウム酸ナトリウム由来の層状ルテニウム酸には適用困難であった。
Recently, synthesis and structural analysis of a novel layered ruthenate NaRuO 2 having an α-NaFeO 2 type structure have been reported (Non-patent
本発明は、MRuO2(M=アルカリ金属)型の層状ルテニウム酸アルカリ金属化合物由来のルテニウム酸の層間を剥離して得られる極限まで薄いルテニウム酸ナノシート、及びその製造方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide an extremely thin ruthenic acid nanosheet obtained by peeling off layers of ruthenic acid derived from an alkali metal ruthenate compound of the MRuO 2 (M = alkali metal) type, and a method for producing the same. To do.
上記の課題を解決するために、本発明は、0.4nm以下の厚みを有し、式(1):
[RuO2]x― (0<x<1) (1)
で表されるルテニウム酸ナノシートを提供する。
In order to solve the above problems, the present invention has a thickness of 0.4 nm or less, and the formula (1):
[RuO 2 ] x- (0 <x <1) (1)
The ruthenic acid nanosheet represented by this is provided.
また、本発明は、上記ルテニウム酸ナノシートが積層して形成される層状ルテニウム酸化合物の層間にアルキルアンモニウムイオンを含むアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を提供する。 The present invention also provides an alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound containing an alkylammonium ion between layers of the layered ruthenate compound formed by laminating the ruthenate nanosheets.
また、本発明は、上記ルテニウム酸ナノシートおよび/または上記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物と、溶媒とからなるコロイドを提供する。 The present invention also provides a colloid comprising the ruthenate nanosheet and / or the alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound and a solvent.
本発明はまた、上記ルテニウム酸ナノシートおよび/または上記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を含む電極を有する電気化学素子を提供する。 The present invention also provides an electrochemical device having an electrode containing the ruthenate nanosheet and / or the alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound.
本発明はまた、下記工程(a)〜(e):
(a)IV価以上の原子価の酸化ルテニウムとアルカリ金属化合物との混合物、またはIV価以上の原子価のルテニウム酸のアルカリ金属化合物を、金属ルテニウム粉末と混合し、得られた混合物を焼成または溶融することによって、III価のルテニウムを含むアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を得る工程、
(b)前記アルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を臭素溶液で処理し、層間のアルカリ金属イオンの少なくとも一部を除去してプロトン型層状ルテニウム酸を得る工程、
(c)前記プロトン型層状ルテニウム酸を水和処理してプロトン型層状ルテニウム酸水和物を得る工程、
(d)前記プロトン型層状ルテニウム酸水和物にアルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンを反応させてアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を得る工程、及び
(e)前記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を溶媒と混合し分散させて、層間剥離したルテニウム酸ナノシートコロイドを得る工程
を含む、0.4nm以下の厚みを有し、式:[RuO2]x―(0<x<1)で表されるルテニウム酸ナノシートの製造方法を提供する。
The present invention also includes the following steps (a) to (e):
(A) A mixture of ruthenium oxide having a valence of IV or higher and an alkali metal compound, or an alkali metal compound of ruthenium acid having a valence of IV or more is mixed with a metal ruthenium powder, and the resulting mixture is calcined or A step of obtaining an alkali metal layered ruthenate compound containing III-valent ruthenium by melting;
(B) treating the alkali metal-type layered ruthenate compound with a bromine solution to remove at least a portion of the alkali metal ions between the layers to obtain a proton-type layered ruthenate acid;
(C) a step of hydrating the proton-type layered ruthenium acid to obtain a proton-type layered ruthenium acid hydrate;
(D) a step of reacting the proton-type layered ruthenium acid hydrate with an alkylammonium compound and / or an alkylamine to obtain an alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound; and (e) the alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound. And having a thickness of 0.4 nm or less, including the step of mixing and dispersing with a solvent to obtain a delaminated ruthenic acid nanosheet colloid, and represented by the formula: [RuO 2 ] x− (0 <x <1) A ruthenic acid nanosheet manufacturing method is provided.
本発明のルテニウム酸ナノシートおよび/またはそれを積層したアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物は、レドックスキャパシタや燃料電池等の各種の電気化学素子の電極として用いることが出来る。シート厚みが薄くなったことによりルテニウムの利用効率が向上し、シート面上の電子導電性とシート間のプロトン導電性の両方が改善され、電極性能が著しく向上する。レドックスキャパシタ電極に用いた場合、従来の粒子状の酸化ルテニウムに比べると10倍以上、従来のルテニウム酸ナノシートに比べても10%以上、高いレドックスキャパシタ容量が得られる。 The ruthenic acid nanosheet of the present invention and / or the alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound laminated therewith can be used as an electrode for various electrochemical devices such as redox capacitors and fuel cells. Since the sheet thickness is reduced, the utilization efficiency of ruthenium is improved, both the electronic conductivity on the sheet surface and the proton conductivity between the sheets are improved, and the electrode performance is remarkably improved. When used for a redox capacitor electrode, a high redox capacitor capacity can be obtained, which is 10 times higher than that of the conventional particulate ruthenium oxide and 10% higher than that of the conventional ruthenic acid nanosheet.
本発明者等は、層厚が約0.3nmと、極限まで薄いことが報告された(上記非特許文献3の図3)Ru(III)価の層状ルテニウム酸ナトリウム(NaRuO2)を用い、従来法では困難であったその層間剥離の方法を鋭意検討した結果、先ず臭素処理によってナトリウムイオンをデインターカレートしてプロトン型層状ルテニウム酸(HRuO2)に変換し、次いで嵩高いアルキルアンモニウムイオンとプロトンのゲスト交換反応を行わせることにより、層間剥離が可能であることを見出した。この方法により、シート厚みが0.4nm以下と従来に無く薄いルテニウム酸ナノシートコロイドを得ることに成功した。ここでルテニウム酸ナノシートとは、厚みがnm〜サブオーダーで、縦および横がそれぞれ数百nm〜μmオーダーのサイズのシート状の結晶性ルテニウム酸化合物のことを言う。このようなルテニウム酸ナノシートは電気泳動法等で容易に積層させることが出来、擬似二重層キャパシタや燃料電池の電極に用いることができ、ルテニウムの利用効率を極限まで高めて電極を高性能化できることが判明した。
The present inventors have reported that the layer thickness is about 0.3 nm, which is as thin as possible (FIG. 3 of
本発明のルテニウム酸ナノシートは、Ru(III)価の層状ルテニウム酸アルカリ金属化合物を前駆体とすることにより、先に報告されたMxRuO2+0.5x・nH2O(Mはアルカリ金属イオン、0<x<1)を前駆体とするシート厚み約0.5nmのルテニウム酸ナノシート(以下、ルテニウム酸ナノシート・タイプ1と称する)とは異なり、式(1):[RuO2]x― (0<x<1)で表される〔以下、本発明のルテニウム酸ナノシートを、ルテニウム酸ナノシート(タイプ1)と区別してルテニウム酸ナノシート(タイプ2)と称する〕。本発明においては、上記Ru(III)価の層状ルテニウム酸アルカリ金属化合物としては、NaRuO2が好ましい。 The ruthenic acid nanosheet of the present invention is prepared by using a Ru (III) -valent layered ruthenate alkali metal compound as a precursor, thereby producing M x RuO 2 + 0.5x · nH 2 O (M is an alkali metal ion, Unlike a ruthenate nanosheet having a sheet thickness of about 0.5 nm (hereinafter referred to as ruthenate nanosheet type 1) with 0 <x <1) as a precursor, the formula (1): [RuO 2 ] x− (0 <X <1) [Hereinafter, the ruthenate nanosheet of the present invention is distinguished from the ruthenate nanosheet (type 1) and is referred to as a ruthenate nanosheet (type 2)). In the present invention, the Ru (III) -valent layered ruthenate alkali metal compound is preferably NaRuO 2 .
また、本発明は、上記ルテニウム酸ナノシートが積層して形成される層状ルテニウム酸化合物の層間にアルキルアンモニウムイオンを含むアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を提供する。このアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物は、X線回折図形において(00L)の各面(但し、0≦2θ(CuKα)≦90°の範囲においてL=1〜nでありnは基本面間隔によって決まり5≦n≦35を満たす)に回折ピークを有することが好ましい。上記アルキルアンモニウムイオンとしては、構造式:(R)m(R’)n(R’’)p(R’’’)qNH4-(m+n+p+q) +(式中、R,R’,R’’,およびR’’’は夫々独立にHまたはCH3(CH2)rを示し、m,n,p及びqはそれぞれ0または1〜4の整数で、且つ0≦m+n+p+q≦4を満たし、そしてr=0〜18の整数である)で表されるカチオンが好ましい。特に、後述する工程(e)でのルテニウム酸ナノシートの層間剥離を促進するには、上記式中、R=R’=R’’=R’’’=n-CH3(CH2)3-のアンモニウム化合物、即ち四級(n-テトラブチル)アンモニウムイオンが好ましい。上記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物は、[(R)m(R’)n(R’’)p(R’’’)qNH4-(m+n+p+q) +]x(RuO2)(R,R’,R’’,R’’,m,n,p及びqは上記の通りであり、xは0<x<1の数である)で表されるものが好ましい。xは0.05〜0.3であるのが特に好ましい。 The present invention also provides an alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound containing an alkylammonium ion between layers of the layered ruthenate compound formed by laminating the ruthenate nanosheets. This alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound has (00L) faces in the X-ray diffraction pattern (provided that L = 1 to n in the range of 0 ≦ 2θ (CuKα) ≦ 90 °, and n depends on the basic plane spacing) It preferably has a diffraction peak). The alkylammonium ion has the following structural formula: (R) m (R ′) n (R ″) p (R ′ ″) q NH 4− (m + n + p + q) + (where R, R ′, R ′ ', And R''' each independently represent H or CH 3 (CH 2 ) r , m, n, p and q are each 0 or an integer of 1 to 4, and 0 ≦ m + n + p + q ≦ 4, And a cation represented by r = 0 to 18). In particular, in order to promote delamination of ruthenate nanosheets in the step (e) described later, in the above formula, R = R ′ = R ″ = R ′ ″ = n—CH 3 (CH 2 ) 3 − The ammonium compound, that is, a quaternary (n-tetrabutyl) ammonium ion is preferred. The alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound is [(R) m (R ′) n (R ″) p (R ′ ″) q NH 4− (m + n + p + q) + ] x (RuO 2 ) (R, R ′, R ″, R ″, m, n, p and q are as described above, and x is preferably 0 <x <1. x is particularly preferably 0.05 to 0.3.
さらに、本発明は、上記ルテニウム酸ナノシートおよび/または上記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物と、溶媒とを含むコロイドにも関する。本発明のルテニウム酸ナノシートおよび/またはアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物のコロイド溶液は、ルテニウム酸ナノシート・タイプ1およびそれに対応するアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物のコロイド溶液とは、ルテニウム酸ナノシートのプラズモン共鳴吸収の波長が異なることで識別可能である。即ち、UV・可視吸収スペクトルにおいて、公知のルテニウム酸ナノシート(タイプ1)およびそれに対応するアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物のコロイド溶液は、λmax 357−367nm領域に吸収極大を有するのに対し、本発明のルテニウム酸ナノシート(タイプ2)およびそれに対応するアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物のコロイド溶液は、λmax 340−350nm領域に吸収極大を有する。本発明のルテニウム酸ナノシート(タイプ2)は、ルテニウム酸ナノシート・(タイプ1)に比べてそのシート厚みが約1/2〜2/3と薄いため、量子サイズ効果としてのプラズモン共鳴吸収波長がブルーシフト(短波長化)したものと推測される。因みに、ナノシート化されない粒径3.01nm或いは2.05nmの球形水和酸化ルテニウムのコロイドのプラズモン吸収極大はそれぞれ397nm、394nmと報告されている〔Chi-Chang Hu 等、J. Electrochem. Soc., 151 (2), A281 (2004)〕。これらに比べると、本発明のルテニウム酸ナノシートコロイドの吸収波長のブルーシフトは一層顕著である。
上記コロイドの溶媒としては、水、アルコール、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびプロピレンカーボネートよりなる群から選択されるのが好ましく、水、アセトニトリルおよびジメチルホルムアミドが更に好ましい。
Furthermore, the present invention also relates to a colloid containing the ruthenate nanosheet and / or the alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound and a solvent. The ruthenic acid nanosheet and / or alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound colloidal solution of the present invention is composed of ruthenic
The colloidal solvent is preferably selected from the group consisting of water, alcohol, acetonitrile, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and propylene carbonate, more preferably water, acetonitrile and dimethylformamide.
本発明のルテニウム酸ナノシート(タイプ2)および/またはそれを積層したアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物は、レドックスキャパシタや燃料電池等の各種の電気化学素子の電極として用いることが出来る。該電極は、本発明の上記ルテニウム酸ナノシートおよび/または上記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物のコロイドを電極基質に被覆することにより製造し得る。本発明のルテニウム酸ナノシート(タイプ2)を含む電極の製造において、当該コロイドを電極基質に被覆する方法は当該分野で公知の方法を用いることが出来る。例えば、導電性の基質へはコロイド溶液からの電気泳動法が、多孔性の基質へは濾過法が、また非導電性・非多孔性の基質へはスピンコートや塗布法等が適用できる。ナノシートの易積層性の故にバインダー無しでも密着強度の高い被覆層を得ることが出来るが、用途によっては各種のバインダーを使用することも可能である。例えば、プロトン導電性を確保したい場合はパーフルオロスルフォン酸のアイオノマー、例えば、ナフィオン溶液(E.I DuPont de Nemourの登録商標)を用いることができる。ルテニウム酸ナノシート及びそれを積層したアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物のシート厚みが薄くなったことにより、ルテニウムの利用効率が向上し、シート面上の電子導電性とシート間のプロトン導電性の両方が改善され、電極性能が著しく向上する。レドックスキャパシタ電極に用いた場合、従来の粒子状の酸化ルテニウムに比べると10倍以上、ルテニウム酸ナノシート(タイプ1)に比べても10%以上、高いレドックスキャパシタ容量が得られる。 The ruthenic acid nanosheet (type 2) of the present invention and / or the alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound laminated therewith can be used as an electrode for various electrochemical devices such as redox capacitors and fuel cells. The electrode can be produced by coating the electrode substrate with a colloid of the ruthenate nanosheet and / or the alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound of the present invention. In the production of the electrode containing the ruthenate nanosheet (type 2) of the present invention, a method known in the art can be used as a method of coating the colloid on the electrode substrate. For example, electrophoresis from a colloidal solution can be applied to a conductive substrate, filtration can be applied to a porous substrate, and spin coating or coating can be applied to a non-conductive / non-porous substrate. A coating layer with high adhesion strength can be obtained without a binder because of the easy lamination of nanosheets, but various binders can be used depending on the application. For example, in order to ensure proton conductivity, an ionomer of perfluorosulfonic acid, for example, Nafion solution (registered trademark of EI DuPont de Nemour) can be used. Ruthenium acid nanosheets and alkylammonium-layered ruthenium acid intercalation compound laminated therewith have reduced sheet thickness, thereby improving the utilization efficiency of ruthenium and improving both the electronic conductivity on the sheet surface and the proton conductivity between the sheets. Is improved, and the electrode performance is remarkably improved. When used for a redox capacitor electrode, the capacity of the redox capacitor is 10 times higher than that of the conventional particulate ruthenium oxide and 10% higher than that of the ruthenic acid nanosheet (type 1).
<製造方法>
上述の通り、本発明のルテニウム酸ナノシート(タイプ2)は、
(a)IV価以上の原子価の酸化ルテニウムとアルカリ金属化合物との混合物、またはIV価以上の原子価のルテニウム酸のアルカリ金属化合物を、金属ルテニウム粉末と混合し、得られた混合物を焼成または溶融することによって、III価のルテニウムを含むアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を得る工程、
(b)前記アルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を臭素溶液で処理し、層間のアルカリ金属イオンの少なくとも1部を除去してプロトン型層状ルテニウム酸を得る工程、
(c )前記プロトン型層状ルテニウム酸を水和処理してプロトン型層状ルテニウム酸水和物を得る工程、
(d)前記プロトン型層状ルテニウム酸水和物にアルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンを反応させてアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を得る工程、および
(e)アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を溶媒中に分散処理して層間剥離させて、ルテニウム酸ナノシートを含むコロイドを得る工程
を含む製造方法によって製造される。
<Manufacturing method>
As described above, the ruthenic acid nanosheet (type 2) of the present invention is
(A) A mixture of ruthenium oxide having a valence of IV or higher and an alkali metal compound, or an alkali metal compound of ruthenium acid having a valence of IV or more is mixed with a metal ruthenium powder, and the resulting mixture is calcined or A step of obtaining an alkali metal layered ruthenate compound containing III-valent ruthenium by melting;
(B) treating the alkali metal layered ruthenium acid compound with a bromine solution to remove at least one part of the alkali metal ions between the layers to obtain a proton type layered ruthenium acid;
(C) hydrating the proton-type layered ruthenium acid to obtain a proton-type layered ruthenium acid hydrate;
(D) a step of reacting the proton-type layered ruthenium acid hydrate with an alkylammonium compound and / or an alkylamine to obtain an alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound; and (e) an alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound. It is manufactured by a manufacturing method including a step of obtaining a colloid containing a ruthenic acid nanosheet by dispersing in a solvent and delamination.
工程(a)
まず工程(a)では、IV価以上の高原子価の酸化ルテニウムとアルカリ金属塩、またはルテニウム酸のアルカリ金属化合物を、金属ルテニウム粉末と混合して焼成または熔融することにより、金属ルテニウムで高原子価の酸化ルテニウムまたはルテニウム酸のアルカリ金属化合物を還元して、III価のルテニウムからなるアルカリ金属層状ルテニウム酸化合物を得る。IV価以上の高原子価の酸化ルテニウムとしては、IV価の酸化ルテニウム(RuO2)、V価のRu2O5、VIII価のRuO4が挙げられるが、RuO2が好ましい。IV価以上の高原子価の酸化ルテニウムと組み合わせて使用する上記アルカリ金属塩としては、ナトリウム塩、例えば炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウムが挙げられるが、炭酸ナトリウムが好ましい。上記ルテニウム酸のアルカリ金属化合物としては、VI価のルテニウム酸アルカリ金属化合物が好適に用いられ、ルテニウム酸ナトリウム(Na2RuO4)が特に好ましい。
Step (a)
First, in step (a), ruthenium oxide having a high valence of IV or higher and an alkali metal salt, or an alkali metal compound of ruthenium acid is mixed with metal ruthenium powder and fired or melted. The alkali metal compound of valent ruthenium oxide or ruthenium acid is reduced to obtain an alkali metal layered ruthenium acid compound composed of trivalent ruthenium. The ruthenium oxide IV valent or higher-valent, ruthenium oxide (RuO 2) of IV-valent, although V-valent Ru 2 O 5, VIII-valent RuO 4 and the like, RuO 2 are preferred. Examples of the alkali metal salt used in combination with a high valence ruthenium oxide having a valence of IV or higher include sodium salts such as sodium carbonate and sodium nitrate, with sodium carbonate being preferred. As the ruthenium acid alkali metal compound, a VI-valent alkali metal ruthenate is preferably used, and sodium ruthenate (Na 2 RuO 4 ) is particularly preferred.
IV価以上の高原子価の酸化ルテニウム及びアルカリ金属塩と金属ルテニウムとの混合物、或いはルテニウム酸化合物と金属ルテニウムとの混合物の各組成およびそれらの混合物を焼成・熔融する条件は、III価のルテニウムからなるアルカリ金属型層状ルテニウム酸が最も効率良く得られる混合物組成および焼成・熔融条件が、適宜選択される。例えばVI価のルテニウム酸アルカリ金属化合物であるNa2RuO4を出発物質として用いる場合は、Na2RuO4:Ruの原子比を0.5:1〜1.5:1、好ましくは約1:1で仕込み、混合して不活性ガス雰囲気中、或いは不活性ガス置換した封管中で溶融することより、以下の式に従ってIII価のルテニウムを含むルテニウム酸ナトリウム(NaRuO2)が得られる。 Each composition of ruthenium oxide having a high valence of IV or higher and a mixture of an alkali metal salt and a metal ruthenium, or a mixture of a ruthenium acid compound and a metal ruthenium, and the conditions for firing and melting the mixture are as follows: The composition of the mixture and the firing / melting conditions under which the alkali metal layered ruthenic acid composed of the above can be most efficiently obtained are appropriately selected. For example, when Na 2 RuO 4 , which is a VI-valent alkali metal ruthenate, is used as a starting material, the atomic ratio of Na 2 RuO 4 : Ru is 0.5: 1 to 1.5: 1, preferably about 1: By charging in No. 1, mixing and melting in an inert gas atmosphere or in a sealed tube substituted with inert gas, sodium ruthenate (NaRuO 2 ) containing III-valent ruthenium is obtained according to the following formula.
Na2RuO4 + Ru → 2NaRuO2
この製法は非特許文献2および3によって公知である。
Na 2 RuO 4 + Ru → 2NaRuO 2
This production method is known from
他方、IV価の酸化ルテニウムRuO2を用いる場合は、酸化ルテニウムRuO2にアルカリ金属の炭酸塩、好ましくは炭酸ナトリウム(Na2CO3)を添加し、これと金属ルテニウム粉末を、RuO2:Na2CO3:Ruの原子比を2.5〜3.5:1.5〜2.5:1、好ましくは約3:2:1で混合し、熔融することにより、以下の式に従ってNaRuO2が得られる。 On the other hand, when IV-valent ruthenium oxide RuO 2 is used, an alkali metal carbonate, preferably sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), is added to ruthenium oxide RuO 2 , and this and the metal ruthenium powder are mixed with RuO 2 : Na. By mixing and melting an atomic ratio of 2 CO 3 : Ru of 2.5 to 3.5: 1.5 to 2.5: 1, preferably about 3: 2: 1, NaRuO 2 according to the following formula: Is obtained.
3RuO2 + 2Na2CO3 + Ru → 4NaRuO2 + 2CO2
この方法は従来知られていない新規な製法である。生成物NaRuO2は、上記の非特許文献3に記載のNaRuO2の物性(とりわけ粉末法X線回折パターン)との対比によって同定される。非特許文献3によれば、NaRuO2のRuO2層は、含まれるRuO2単位が厚み方向に1個のみで、厚さ0.4nm以下である。
3RuO 2 + 2Na 2 CO 3 + Ru → 4NaRuO 2 + 2CO 2
This method is a novel production method that has not been conventionally known. The product NaRuO 2 is identified by comparison with the physical properties of NaRuO 2 (particularly the powder X-ray diffraction pattern) described in
これらのルテニウム酸化合物の組成やルテニウムの原子価状態は、湿式重量分析、熱天秤―示唆熱分析(TG−DTA)、X線フォトエレクトロンスペクトロスコピー法(XPS)等、定法に従って決定される。ルテニウム濃度は、過酸化ナトリウム共存下での溶融によってルテニウムを完全に可溶化し、その溶液を誘導結合プラズマ法(ICP)で分析される。 The composition of these ruthenic acid compounds and the valence state of ruthenium are determined according to conventional methods such as wet gravimetric analysis, thermobalance-suggested thermal analysis (TG-DTA), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The ruthenium concentration is completely solubilized by melting in the presence of sodium peroxide, and the solution is analyzed by inductively coupled plasma (ICP).
以下の工程で得られるルテニウム酸化合物、ルテニウム酸ナノシートおよびそれらのコロイドの組成やルテニウムの原子価状態に関しても、同様に決定される。また、本発明のルテニウム酸化合物の層状構造やシート構造等の表面形態や微細構造は、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡、およびそれと組み合わされた電子線回折等、定法に従って観察・同定される。層状ルテニウム酸化合物やそのコロイドから再積層された層状ルテニウム酸のバルクの層状構造は、X線回折法によって回折パターンの周期構造から同定される。 The ruthenium acid compound, ruthenic acid nanosheets obtained in the following steps, the composition of their colloids and the valence state of ruthenium are also determined in the same manner. Further, the surface form and fine structure such as the layered structure and sheet structure of the ruthenic acid compound of the present invention are observed and identified according to a conventional method such as scanning electron microscope, transmission electron microscope, and electron beam diffraction combined therewith. The bulk layered structure of the layered ruthenate re-laminated from the layered ruthenate compound or its colloid is identified from the periodic structure of the diffraction pattern by the X-ray diffraction method.
本工程で得られるIII価のルテニウムを含むアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物は、好ましくは0.4nm以下の厚みを有する層状化合物で、好ましくはNaRuO2から成る。こうして得られたIII価のルテニウムを含むアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物は、特許文献1に報告された[RuO2+0.5x]x−型のIV価ルテニウムからなる層状ルテニウム酸とは異なり、水或いは希塩酸水溶液での直接的なイオン交換反応によっては、プロトン型層状ルテニウム酸へイオン交換することは困難である。水和処理によって一部のアルカリ金属イオンはプロトンへ交換されるが、高々7割程度であり、残りのアルカリ金属イオンは強固に層間に保持される。無理に強酸で処理すると層状構造の崩壊が起こり好ましくない。層間のアルカリ金属イオンの大半を除去してプロトン型層状ルテニウム酸を得るには、(b)の工程で、前記のIII価ルテニウムを含むアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を臭素溶液で処理する必要がある。
The alkali metal type layered ruthenium acid compound containing trivalent ruthenium obtained in this step is preferably a layered compound having a thickness of 0.4 nm or less, and preferably composed of NaRuO 2 . The alkali metal-type layered ruthenium acid compound containing III-valent ruthenium thus obtained is different from the layered ruthenium acid composed of [RuO 2 + 0.5x ] x- type IV-valent ruthenium reported in
工程(b)
(a)工程で得られたアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物の層間のアルカリ金属イオンの大半を除去してプロトン型層状ルテニウム酸を得るために、該アルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を臭素溶液、好適には臭素の有機溶媒溶液で処理する。該有機溶媒としては、極性有機溶媒、例えばアセトニトリル又はジメチルホルムアミド、が特に好ましい。この臭素処理は1回でも大半のアルカリ金属イオンを除去できるが、更に徹底して除去するには複数回繰り返しても良い。この臭素処理の工程で層間のアルカリカチオンがプロトン型へイオン交換されると同時に、ルテニウム酸はIII価のルテニウムの部分的な酸化が起こり、式(1):[RuO2]x−(0<x<1)で表されるように、(4−x)価(0<x<1)の酸化状態へ酸化される。
Step (b)
In order to remove most of the alkali metal ions between the layers of the alkali metal-type layered ruthenate compound obtained in the step (a) to obtain a proton-type layered ruthenate acid, the alkali metal-type layered ruthenate compound is preferably used as a bromine solution. Is treated with an organic solvent solution of bromine. As the organic solvent, polar organic solvents such as acetonitrile or dimethylformamide are particularly preferred. This bromine treatment can remove most of the alkali metal ions even once, but may be repeated multiple times to remove more thoroughly. In the bromine treatment step, the alkali cation between layers is ion-exchanged into the proton type, and at the same time, ruthenic acid undergoes partial oxidation of trivalent ruthenium, and the formula (1): [RuO 2 ] x− (0 < As represented by x <1), it is oxidized to an oxidation state of (4-x) valence (0 <x <1).
得られたプロトン型層状ルテニウム酸化合物は臭素の有機溶媒溶液から濾過によって回収され、臭素を含まない有機溶媒、好ましくは極性有機溶媒、更に好ましくはアセトニトリルで、濾液が無色透明になるまで十分洗浄される。本工程によって層状ルテニウム酸は、構造式中のアルカリ金属イオンがルテニウム1原子に対して、0.2当量以下、好ましくは0.1当量以下に低減される。 The obtained proton-type layered ruthenic acid compound is recovered from a bromine organic solvent solution by filtration and washed thoroughly with a bromine-free organic solvent, preferably a polar organic solvent, more preferably acetonitrile, until the filtrate is colorless and transparent. The By this step, the layered ruthenic acid has the alkali metal ion in the structural formula reduced to 0.2 equivalents or less, preferably 0.1 equivalents or less, per 1 ruthenium atom.
工程(c)
次いで工程(c)では、臭素処理済みルテニウム酸化合物の粉末を大過剰のイオン交換水中に懸濁させて室温で1〜48時間攪拌後、濾過して、脱イオン水で洗浄し、24時間〜72時間室温で乾燥させて、臭素処理済みルテニウム酸化合物の水和物を得る。
Step (c)
Next, in step (c), the brominated ruthenate compound powder is suspended in a large excess of ion-exchanged water, stirred at room temperature for 1 to 48 hours, filtered, washed with deionized water, and then washed for 24 hours to Dry at room temperature for 72 hours to obtain a brominated ruthenate compound hydrate.
本工程によって層状ルテニウム酸は、構造式中の水和水はルテニウム1原子に対して0.2当量以上、好ましくは0.3当量以上に増加する。臭素処理を行わないアルカリ金属型層状ルテニウム酸の水和処理では、構造式中の水和水はルテニウム1原子に対してせいぜい0.2当量までしか入らないのに対し、臭素処理によって水和水を増加させることができるのは、臭素処理によってルテニウムがより多くIII価からIV価へと酸化され、層間の相互作用が弱まって層間に水和水が挿入されやすくなったためと推定される。 By this step, the layered ruthenic acid is such that the amount of hydrated water in the structural formula increases to 0.2 equivalents or more, preferably 0.3 equivalents or more, per ruthenium atom. In the hydration treatment of the alkali metal layered ruthenium acid without bromine treatment, the hydration water in the structural formula enters at most 0.2 equivalent per ruthenium atom, whereas the hydration water by bromine treatment. It is presumed that the amount of ruthenium is increased from the III valence to the IV valence by the bromine treatment, and the interaction between the layers is weakened to facilitate the insertion of hydrated water between the layers.
工程(d)
工程(c)で得られたプロトン型層状ルテニウム酸水和物は、次いで工程(d)において、アルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンの水溶液と反応させて、アルキルアンモニウムイオンを含むアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物に転換され、場合によっては、このアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を経て、層間剥離を起こしたルテニウム酸ナノシートコロイドに転換される。
Step (d)
The proton-type layered ruthenium hydrate obtained in step (c) is then reacted with an aqueous solution of an alkylammonium compound and / or an alkylamine in step (d) to obtain an alkylammonium-layered ruthenium containing an alkylammonium ion. It is converted into an acid intercalation compound, and in some cases, through this alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound, it is converted into a ruthenic acid nanosheet colloid causing delamination.
上記アルキルアンモニウム化合物としては、構造式:(R)m(R’)n(R’’)p(R’’’)qNH4-(m+n+p+q) + (式中、R,R’,R’’,およびR’’’は夫々独立にHまたはCH3(CH2)rを示し、m,n,p及びqはそれぞれ0または1〜4の整数で、且つ0≦m+n+p+q≦4を満たし、そしてr=0〜18の整数である)で表されるアルキルアンモニウムイオンを有するアルキルアンモニウム化合物が好ましい。特に、工程(e)でのルテニウム酸ナノシートの層間剥離を促進するには、上記式中、R=R’=R’’=R’’’=n-CH3(CH2)3-のアンモニウム化合物、即ち四級(n-テトラブチル)アンモニウム化合物、とりわけ四級(n-テトラブチル)アンモニウムハイドロオキサイドが好適に用いられる。 Examples of the alkylammonium compound include structural formulas: (R) m (R ′) n (R ″) p (R ′ ″) q NH 4− (m + n + p + q) + (wherein R, R ′, R ′ ', And R''' each independently represent H or CH 3 (CH 2 ) r , m, n, p and q are each 0 or an integer of 1 to 4, and 0 ≦ m + n + p + q ≦ 4, And an alkylammonium compound having an alkylammonium ion represented by r = 0 to 18). In particular, in order to promote delamination of the ruthenic acid nanosheet in the step (e), R = R ′ = R ″ = R ′ ″ = n—CH 3 (CH 2 ) 3 − ammonium in the above formula A compound, that is, a quaternary (n-tetrabutyl) ammonium compound, particularly a quaternary (n-tetrabutyl) ammonium hydroxide is preferably used.
また、上記アルキルアミンとしては、(R)m(R’)n(R’’)pNH3-(m+n+p) (式中、R,R’およびR’’は夫々独立にHまたはCH3(CH2)qを示し、m,n及びpはそれぞれ0または1〜3の整数で、且つ0≦m+n+p≦3を満たし、そしてq=0〜18の整数である)で表されるものが好ましい。特に、工程(e)でのルテニウム酸ナノシートの層間剥離を促進するには、R=R’=R’’=n-CH3(CH2)3-のアミン、即ちトリ(n-ブチル)アミンが好適に用いられる。アルキルアミンは水溶液中では水和して、対応するアルキルアンモニウムハイドロオキサイドとして機能する。
In addition, as the alkylamine, (R) m (R ′) n (R ″) p NH 3− (m + n + p) (wherein R, R ′ and R ″ are independently H or CH 3 ( CH 2 ) q , m, n and p are each 0 or an integer of 1 to 3, and satisfy 0 ≦ m + n + p ≦ 3, and q = 0 to 18 is preferable. . In particular, to promote delamination of ruthenic acid nanosheets in step (e), an amine of R = R ′ = R ″ = n—CH 3 (CH 2 ) 3 —, that is, tri ( n-butyl ) amine Are preferably used. Alkylamine hydrates in aqueous solution and functions as the corresponding alkylammonium hydroxide.
これらのアルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンの水溶液とプロトン型層状ルテニウム酸との反応は、プロトン型層状ルテニウム酸の粉末にアルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンの水溶液を加え、得られたスラリーを一定温度で一定時間攪拌保持することにより行われる。反応条件は、プロトンのアルキルアンモニウムイオンによるイオン交換反応、更には層間剥離が、効率的に進む条件が適宜選択される。液温は通常室温乃至70℃、好適には30℃〜60℃であり、反応時間は通常2時間〜96時間、好適には24時間〜72時間である。反応中、雰囲気は不活性ガスでパージすることが好ましい。特に四級アンモニウム化合物以外の、分子内に水素を含有するアンモニウム化合物やアルキルアミンを用いる場合は、プロトン型層状ルテニウム酸粉末を入れた反応器を予め不活性ガス置換した後にアンモニウム化合物やアルキルアミンを添加するのが好ましい。空気中で添加すると、アミン性水素のルテニウム酸を触媒とする酸化反応で発火する危険性がある。 The reaction between the aqueous solution of these alkylammonium compounds and / or alkylamines and proton-type layered ruthenic acid is carried out by adding the aqueous solution of alkylammonium compounds and / or alkylamines to the proton-type layered ruthenium acid powder, and the resulting slurry is kept constant. It is carried out by stirring at a temperature for a certain time. As the reaction conditions, conditions under which ion exchange reaction by proton alkylammonium ions and further delamination efficiently proceed are appropriately selected. The liquid temperature is usually room temperature to 70 ° C., preferably 30 ° C. to 60 ° C., and the reaction time is usually 2 hours to 96 hours, preferably 24 hours to 72 hours. During the reaction, the atmosphere is preferably purged with an inert gas. In particular, when using ammonium compounds or alkylamines containing hydrogen in the molecule other than quaternary ammonium compounds, the reactor containing the proton-type layered ruthenic acid powder is replaced with an inert gas in advance, and then the ammonium compounds and alkylamines are replaced. It is preferable to add. If added in the air, there is a risk of ignition by an oxidation reaction catalyzed by ruthenium acid, an amine hydrogen.
上記スラリー中のアルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンの濃度、プロトン型層状ルテニウム酸の濃度、並びにアルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンのプロトン型層状ルテニウム酸に対するモル比も、プロトンのアルキルアンモニウムイオンによるイオン交換反応、更には層間剥離が効率的に進む条件が適宜選択される。アルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンの濃度は、上記スラリーに対して質量%で通常1%〜70%、好ましくは5%〜60%、更に好ましくは10%〜50%である。プロトン型層状ルテニウム酸の濃度は、上記スラリーに対して質量%で通常0.001%〜20%、好ましくは0.01%〜10%、更に好ましくは0.05%〜5%である。アルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンのプロトン型層状ルテニウム酸に対するモル比は、通常1:1〜500:1、好適には5:1〜200:1、更に好適には10:1〜100:1である。該モル比が小さ過ぎると層間のプロトンのアルキルアンモニウムイオンによるイオン交換反応が不十分となることがあり、好ましくない。大きすぎると、過剰のアルキルアンモニウム化合物および/又はアルキルアミンが必要でコスト高になることがあり、好ましくない。 The concentration of the alkylammonium compound and / or alkylamine, the concentration of the proton-type layered ruthenic acid in the slurry, and the molar ratio of the alkylammonium compound and / or alkylamine to the proton-type layered ruthenium acid are also determined by ions of protons due to the alkylammonium ions Conditions under which the exchange reaction and further delamination efficiently proceed are appropriately selected. The concentration of the alkylammonium compound and / or alkylamine is usually 1% to 70%, preferably 5% to 60%, more preferably 10% to 50% by mass% with respect to the slurry. The concentration of the proton-type layered ruthenium acid is usually 0.001% to 20%, preferably 0.01% to 10%, more preferably 0.05% to 5% in terms of mass% with respect to the slurry. The molar ratio of the alkylammonium compound and / or alkylamine to the protonic layered ruthenic acid is usually 1: 1 to 500: 1, preferably 5: 1 to 200: 1, more preferably 10: 1 to 100: 1. It is. If the molar ratio is too small, the ion exchange reaction by alkylammonium ions of protons between layers may be insufficient, which is not preferable. If it is too large, an excess of alkylammonium compound and / or alkylamine is required, which may increase the cost, which is not preferable.
また上記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を得た後、これを更に第二のアルキルアンモニウム化合物を含む溶液と混合して反応させ、ゲスト交換反応によって、第二のアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を得ることもできる。 Moreover, after obtaining the said alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound, this is further mixed with the solution containing a 2nd alkylammonium compound, it is made to react, and a 2nd alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound is carried out by guest exchange reaction. You can also get
本工程で用いるアルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンの構造と反応条件を適宜選択することによって、生成物のアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物は、イオン交換後、層間剥離を起こさないで層状化合物の粉末として回収される。即ち、好適には、エチルアミンやエチルアンモニウムヒドロオキサイドのような、比較的小さな分子又は立体的に嵩張らない分子からなるアルキルアンモニウムイオン水溶液を用い、好適には30℃以下の比較的温和な反応条件でイオン交換し、得られたスラリーを濾過し、脱イオン水で洗浄後、真空乾燥することによって、アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物の粉末が得られる。 By appropriately selecting the structure and reaction conditions of the alkylammonium compound and / or alkylamine used in this step, the product alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound does not cause delamination after ion exchange, It is recovered as a powder. That is, preferably, an alkylammonium ion aqueous solution consisting of a relatively small molecule or a molecule that is not sterically bulky, such as ethylamine or ethylammonium hydroxide, is used, preferably under a relatively mild reaction condition of 30 ° C. or less. After ion exchange, the resulting slurry is filtered, washed with deionized water, and then vacuum-dried to obtain an alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound powder.
他方、本工程において、R1、R2、R3及びR4の1つ以上が炭素数4以上の鎖長のアルキル基を有するアルキルアンモニウム化合物、或いはR1、R2、及びR3の1つ以上が炭素数4以上の鎖長のアルキル基を有するアルキルアミン等を使用し、立体的に嵩高い分子のアルキルアンモニウムイオン水溶液を用いてイオン交換する場合は、生成したアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物は、溶媒中で逐次的に層間剥離を起こしてルテニウム酸ナノシートのコロイドが得られる。通常、このアルキルアンモニウムイオンを過剰に含む粗製コロイドは、遠心分離法で濃縮分離される。その濃縮沈殿物は、イオン交換溶液中で生成したルテニウム酸ナノシートコロイドが再び積層してアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物となっている。濃縮沈殿物は過剰のアルキルアンモニウム化合物やアルキルアミンを含むので、これらを除去するために洗浄処理を行うことが好ましい。コロイドの濃縮沈殿物に、n−ヘプタンやn−オクタン等の長鎖の炭化水素溶媒を添加して分散後遠心分離処理によって洗浄する。濃縮・洗浄の為の遠心力は通常1,000g〜100,000g、好適には2,000g〜10,000gである。 On the other hand, in this step, one or more of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is an alkyl ammonium compound having an alkyl group having a chain length of 4 or more carbon atoms, or 1 of R 1 , R 2 and R 3 . When one or more alkylamines having an alkyl group with a chain length of 4 or more carbon atoms are used and ion exchange is carried out using an aqueous solution of alkylammonium ions of a sterically bulky molecule, the produced alkylammonium-layered ruthenic acid The intercalation compound sequentially undergoes delamination in a solvent to obtain a ruthenic acid nanosheet colloid. Usually, the crude colloid containing excessive alkylammonium ions is concentrated and separated by a centrifugal separation method. In the concentrated precipitate, the ruthenate nanosheet colloid produced in the ion exchange solution is laminated again to form an alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound. Since the concentrated precipitate contains excess alkylammonium compound and alkylamine, it is preferable to perform a washing treatment to remove these. A long-chain hydrocarbon solvent such as n-heptane or n-octane is added to the colloidal concentrated precipitate and dispersed and washed by centrifugation. The centrifugal force for concentration and washing is usually 1,000 to 100,000 g, preferably 2,000 to 10,000 g.
工程(e)
次いで工程(e)で、上記のアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を溶媒中に分散処理して層間剥離させて、厚み0.4nm以下のルテニウム酸ナノシートを含むコロイドを得る。溶媒としては高誘電率溶媒が好ましく、特に、水、アルコール、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびプロピレンカーボネートよりなる群から選択される少なくとも1種の溶媒が好ましい。分散処理には超音波分散が好適に使用できる。このようにして得られたルテニウム酸ナノシートの分散コロイドは、比較的弱い遠心力で遠心分離処理して、層間剥離しきれなかったアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物やルテニウム酸ナノシートコロイドの凝集物等からなる微量の不純物を除去することができる。この際の遠心力は通常100g〜1000g、好ましくは300g〜800gの範囲である。ルテニウム酸ナノシートコロイドに於けるルテニウムの濃度は特に限定されないが、通常0.001〜100g Ru/L、好ましくは0.01〜10g Ru/L、更に好ましくは0.1〜1.0g Ru/Lである。
Step (e)
Next, in step (e), the alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound is dispersed in a solvent and delaminated to obtain a colloid containing ruthenate nanosheets having a thickness of 0.4 nm or less. As the solvent, a high dielectric constant solvent is preferable, and at least one solvent selected from the group consisting of water, alcohol, acetonitrile, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and propylene carbonate is particularly preferable. Ultrasonic dispersion can be suitably used for the dispersion treatment. The dispersion colloid of the ruthenic acid nanosheets thus obtained was subjected to a centrifugal separation treatment with a relatively weak centrifugal force, and the alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound and the agglomerates of the ruthenic acid nanosheet colloid that could not be delaminated. The trace amount impurity which consists of can be removed. The centrifugal force at this time is usually in the range of 100 g to 1000 g, preferably 300 g to 800 g. The concentration of ruthenium in the ruthenic acid nanosheet colloid is not particularly limited, but is usually 0.001 to 100 g Ru / L, preferably 0.01 to 10 g Ru / L, and more preferably 0.1 to 1.0 g Ru / L. It is.
以下に、本発明の実施例を示すが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited to the following examples.
<実施例1>テトラブチルアンモニウム−ルテニウム酸(タイプ2)層間化合物の製造
工程(a):RuO2の還元によるNaRuO2の製造
ルテニウム粉末0.51g(フルカ製、平均粒径45μm)、炭酸ナトリウム1.06g(和光純薬工業製、特級99.5%)および酸化ルテニウム(RuO2)(エヌ・イー ケムキャット製、Ru含有量75%)2.02gを混合し、メノウ乳鉢を用いて30分間、窒素雰囲気のグローブボックス中で混合した。その後、混合粉末をアルミナ坩堝に入れて、環状炉にてアルゴンガス流通下、450℃で12時間焼成した。焼成後、一旦固体を取り出し、窒素雰囲気下のグローブボックス中、再度メノウ乳鉢で30分間混合した。再び混合物粉末をアルミナ坩堝に入れて環状炉でアルゴンガス流通下、900℃に1.5時間で昇温し、同温度に24時間保持した後、室温まで冷却して、黒色粉末3.13gを得た。なお、この生成物の組成は、誘導結合プラズマ発光(ICP)分析法、熱重量分析(TG/DTA)法、エネルギー分散型発光X線分析(EDX)法、蛍光X線分析法およびX線光電子分光法(XPS)を併用してNaRuO2と決定された(以下の工程においても同様に決定した)。
<Example 1> Production process of tetrabutylammonium-ruthenic acid (type 2) intercalation compound (a): Production of NaRuO 2 by reduction of RuO 2 0.51 g of ruthenium powder (Fluka, average particle size 45 μm), sodium carbonate 1.06 g (Wako Pure Chemical Industries, special grade 99.5%) and ruthenium oxide (RuO 2 ) (NE Chemcat,
この方法で得たNaRuO2粉末の粉末X線回折(XRD)パターンを図1(a)に示す。なお、XRDはローターフレックス型X線回折装置(株式会社リガク製、RINT2550H/PC)を用い、CuKα(グラファィト単色化、λ=0.15406nm)をX線源とし、管電圧40kV、管電流40mA、角送り速度2°min-1、測定範囲2θ=3〜80°で測定した。図1(a)から、本工程で得られたNaRuO2粉末には極微量の未反応Ru金属が残存していることが判る。
The powder X-ray diffraction (XRD) pattern of the NaRuO 2 powder obtained by this method is shown in FIG. XRD uses a rotor flex X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, RINT2550H / PC), CuK α (graphite monochromatization, λ = 0.15406 nm) as an X-ray source,
上記生成物の表面形態は、走査型電子顕微鏡SEM((株)日立ハイテクノロジーズS-300)によって観察した。試料は、導電性カーボン両面テープを用いて試料台に固定した(以下の実施例においても同様に生成物の表面形態を観察した)。NaRuO2のSEM像を図3(a)に示す。 The surface morphology of the product was observed with a scanning electron microscope SEM (Hitachi High-Technologies S-300). The sample was fixed to a sample stage using a conductive carbon double-sided tape (the surface morphology of the product was also observed in the following examples). An SEM image of NaRuO 2 is shown in FIG.
生成物の熱分解過程は、熱重量法および示唆熱分析法TG-DTAにより評価した。メノウ乳鉢で粒径をそろえた粉末試料をアルミナパン(5φx2.5mm、5μl)に充填し、熱分析装置((株)リガク製、TAS-200)を用いて測定した。準空気流通下、室温から900℃まで5℃min-1の昇温速度で測定した。 The thermal decomposition process of the product was evaluated by thermogravimetry and suggested thermal analysis TG-DTA. A powder sample having the same particle size in an agate mortar was filled in an alumina pan (5φ × 2.5 mm, 5 μl), and measured using a thermal analyzer (manufactured by Rigaku Corporation, TAS-200). The measurement was performed at a temperature increase rate of 5 ° C. min −1 from room temperature to 900 ° C. under a semi-air flow.
工程(b):臭素処理によるNaRuO2のデインターカレーション
工程(a)で製造したNaRuO2粉末1.00gをパイレックス(登録商標)製三ツ口フラスコに取り、臭素(和光純薬工業製、特級99.0%)5.11gとアセトニトリル(和光純薬工業製、特級99.5%)100mlを加え、側管に栓をして室温25℃で5日間攪拌した。攪拌終了後、吸引濾過を行い、濾過ケークをアセトニトリル50mlで6回洗浄を行った。洗浄後のケークを24時間室温で真空乾燥した。その後再度、上記操作を繰り返して臭素処理を行った。2回目の乾燥粉末としてNanRuO2(0<n<1)0.88gを得た。
Step (b): Deintercalation of NaRuO 2 by bromine treatment 1.00 g of the NaRuO 2 powder produced in step (a) was placed in a Pyrex (registered trademark) three-necked flask and bromine (Wako Pure Chemical Industries, special grade 99). .0%) 5.11 g and 100 ml of acetonitrile (made by Wako Pure Chemical Industries, special grade 99.5%) were added, and the side tube was capped and stirred at room temperature for 25 days. After completion of the stirring, suction filtration was performed, and the filter cake was washed 6 times with 50 ml of acetonitrile. The washed cake was vacuum dried at room temperature for 24 hours. Thereafter, the above operation was repeated again to carry out bromine treatment. As a second dry powder, 0.88 g of Na n RuO 2 (0 <n <1) was obtained.
ぞれぞれ臭素処理1回目及び2回目の生成物NanRuO2(0<n<1)の粉末のXRDパターンを図1(c)及び(d)に示す。また、臭素処理2回目後のNanRuO2のSEM像を図3(c)に示す。更に臭素処理2回目後のNanRuO2のTG/DTA曲線を図4(b)に示す。150℃までの質量減少は表面付着水の消失に帰属され、150〜400℃での質量減少は層間水の消失に帰属される。400〜600℃の質量減少は以下の式のような脱水縮合反応によると推測される。 The XRD patterns of the powders of the product Na n RuO 2 (0 <n <1) in the first and second bromine treatments are shown in FIGS. 1 (c) and (d), respectively. Further, an SEM image of Na n RuO 2 after the second bromine treatment is shown in FIG. Furthermore, the TG / DTA curve of Na n RuO 2 after the second bromine treatment is shown in FIG. The decrease in mass up to 150 ° C. is attributed to the disappearance of surface adhering water, and the decrease in mass at 150 to 400 ° C. is attributed to the disappearance of interlayer water. It is presumed that the mass decrease of 400 to 600 ° C. is caused by a dehydration condensation reaction represented by the following formula.
Ru-OH + Ru-OH → Ru-O-Ru + H2O
これらの結果から、臭素処理(2回目)後の生成物の組成は、H0.1RuO2・0.1H2Oと決定された。
Ru—OH + Ru—OH → Ru—O—Ru + H 2 O
From these results, the composition of the product after bromine treatment (second time) was determined to be H 0.1 RuO 2 .0.1H 2 O.
工程(c):臭素処理NanRuO2の水和物の製造
上記工程(b)で製造した臭素処理NanRuO2粉末0.50gに対し、イオン交換水150mlを加え、室温で15時間攪拌した。終了後、吸引濾過により沈殿物を回収した。これを室温で48時間乾燥し、臭素処理NanRuO2水和物0.513gを得た。
Step (c): Production of Brominated Na n RuO 2 Hydrate 150 ml of ion-exchanged water is added to 0.50 g of brominated Na n RuO 2 powder produced in the above step (b) and stirred at room temperature for 15 hours. did. After completion, the precipitate was collected by suction filtration. This was dried at room temperature for 48 hours to obtain 0.513 g of brominated Na n RuO 2 hydrate.
得られた臭素処理NanRuO2水和物について、XRDパターンを図1(e)に、SEM像を図3(d)に、そしてTG/DTA曲線を図4(c)に示す。150℃までの質量減少は表面付着水の消失に帰属される。150〜400℃の質量減少は層間水の消失に帰属される。400〜600℃の質量減少は脱水縮合反応に帰属される。 The resulting brominated Na n RuO 2 hydrate, an XRD pattern in FIG. 1 (e), the SEM image in FIG. 3 (d), and shows a TG / DTA curve in FIG. 4 (c). The decrease in mass up to 150 ° C is attributed to the disappearance of surface adhering water. The mass loss of 150-400 ° C is attributed to the disappearance of interlayer water. The mass loss of 400-600 ° C is attributed to the dehydration condensation reaction.
これらの結果から、臭素処理NanRuO2水和物の組成は、H0.1RuO2・0.3H2Oと同定された。 From these results, the composition of brominated Na n RuO 2 hydrate was identified as H 0.1 RuO 2 .0.3H 2 O.
工程(d):テトラブブチルアンモニウムのインターカレーション
上記工程(c)で製造した臭素処理NanRuO2水和物粉末0.50gに10%テトラブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液(和光純薬工業製、特級)920mlを加え、60℃にて72時間攪拌した。室温まで放冷後、攪拌を止め、得られた黒褐色コロイドを沈降式遠心分離機(コクサン製、H−103N)のガラス製沈降管に入れ、回転数4000rpm(2900g)で30分間遠心分離し、沈殿物を回収した。沈殿物にヘプタン200mlを加え、洗浄し、再度遠心分離した。この洗浄−遠心分離操作を5回繰り返した。最後の上澄み液をデカンテーションで捨て、沈降管に残った沈殿物を室温で24時間真空乾燥して、テトラブブチルアンモニウム(TBA+)−ルテニウム酸層間化合物〔(TBA+)xRuO2〕の黒色固体0.571gを得た。
Step (d): tetrabutoxide butyl intercalation the process brominated prepared in (c) Na n RuO 2 hydrate powder 0.50
(TBA+)xRuO2のXRDパターンを図2(b)に示す。この段階までは、まだ極微量ながら未反応のRu金属の混入が認められた。 The XRD pattern of (TBA + ) x RuO 2 is shown in FIG. Until this stage, contamination of unreacted Ru metal was observed even though it was very small.
(TBA+)xRuO2のSEM像を図3(e)に示す。 An SEM image of (TBA + ) x RuO 2 is shown in FIG.
(TBA+)xRuO2のTG/DDTA曲線を図4(d)に示す。150℃までの質量減少は表面付着水の消失に帰属される。200℃付近の急激な発熱は層間アミンの消失に帰属される。層間アミンの消失が起こった温度範囲を150〜250℃とすると、この間の質量減少は16%であり、本工程の処理で層間のプロトンの16%がTBAイオンにゲスト交換したと推定される。250〜400℃の質量減少は層間水の消失に帰属され、400〜600℃の質量減少は脱水縮合に帰属される。 A TG / DDTA curve of (TBA + ) x RuO 2 is shown in FIG. The decrease in mass up to 150 ° C is attributed to the disappearance of surface adhering water. The rapid exotherm around 200 ° C is attributed to the disappearance of the interlayer amine. Assuming that the temperature range where the disappearance of the interlayer amine occurs is 150 to 250 ° C., the mass reduction during this period is 16%, and it is estimated that 16% of the protons between the layers were guest-exchanged to TBA ions in the treatment of this step. A mass loss of 250 to 400 ° C is attributed to the disappearance of interlayer water, and a mass loss of 400 to 600 ° C is attributed to dehydration condensation.
これらの結果から、(TBA+)xRuO2の組成式は(TBA+)0.1RuO2・0.2H2Oと同定された。 From these results, the composition formula of (TBA + ) x RuO 2 was identified as (TBA + ) 0.1 RuO 2 .0.2H 2 O.
工程(e):ルテニウム酸ナノシート(タイプ2)コロイドの製造
工程(d)で、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液から遠心分離して回収した沈殿物をヘプタンで洗浄した後、真空乾燥する代わりに、脱イオン水600mlを加えて、30分間超音波分散処理を施し、均一な黒褐色コロイドを得た。このコロイドを1600rpm(460g)で30分間遠心分離し、層間剥離していない元の層状ルテニウム酸や一旦層間剥離したルテニウム酸ナノシートの凝集物等を沈殿物として除去し、上澄み液としてルテニウム酸ナノシート(タイプ2)を含むコロイド600mlを得た。湿式重量分析によると、Ru濃度は0.46g/Lであった。
Step (e): Production of ruthenic acid nanosheet (type 2) colloid In step (d), the precipitate collected by centrifugation from an aqueous solution of tetrabutylammonium hydroxide was washed with heptane, and then removed in place of vacuum drying. 600 ml of ionic water was added and ultrasonic dispersion treatment was performed for 30 minutes to obtain a uniform black-brown colloid. The colloid is centrifuged at 1600 rpm (460 g) for 30 minutes to remove the original layered ruthenic acid that has not been delaminated or aggregates of ruthenic acid nanosheets that have been once delaminated as precipitates, and a ruthenic acid nanosheet ( 600 ml of colloid containing type 2) were obtained. According to wet gravimetric analysis, the Ru concentration was 0.46 g / L.
ルテニウム酸ナノシート(タイプ2)コロイドを無反射シリコン基板上にキャストして室温で乾燥させた膜のXRDパターンを図2(c)に示す。工程(d)における(TBA+)0.1RuO2・0.2H2O粉末のXRDパターン(図2(b))で認められた微量のRu金属の混入に帰属されるピークは、本工程を経たルテニウム酸ナノシートコロイドにおいては検知されず、本工程において除去されたことが判る。 An XRD pattern of a film obtained by casting a ruthenic acid nanosheet (type 2) colloid on a non-reflective silicon substrate and drying at room temperature is shown in FIG. The peak attributed to the incorporation of a trace amount of Ru metal observed in the XRD pattern of the (TBA + ) 0.1 RuO 2 .0.2H 2 O powder in the step (d) (FIG. 2 (b)) It can be seen that the ruthenic acid nanosheet colloid having undergone the above process was not detected but removed in this step.
ルテニウム酸ナノシート(タイプ2)コロイドを脱イオン水で50倍に希釈した希釈コロイド水溶液のUV・可視吸収スペクトルを図5(a)に示す。UV・可視吸収スペクトルは、分光光度計(島津製作所製UV-2400PC)を用い、試料溶液を光路長10mmの石英セルに充填して900nm〜200nmの間をスキャン速度100nm/minで測定した。ルテニウム酸ナノシートの量子サイズ効果によるプラズモン吸収ピークがλmax346nmに検知された。 FIG. 5 (a) shows a UV / visible absorption spectrum of a diluted colloidal aqueous solution obtained by diluting a ruthenic acid nanosheet (type 2) colloid 50 times with deionized water. The UV / visible absorption spectrum was measured using a spectrophotometer (UV-2400PC manufactured by Shimadzu Corporation) with a sample solution packed in a quartz cell having an optical path length of 10 mm at a scanning speed of 100 nm / min. A plasmon absorption peak due to the quantum size effect of the ruthenate nanosheet was detected at λ max 346 nm.
<実施例2>テトラブチルアンモニウム−ルテニウム酸(タイプ2)層間化合物の製造
工程(a):Na 2 RuO 4 の還元によるNaRuO2の製造
実施例1の工程(a)で用いたと同じ二酸化ルテニウム1.01gと過酸化ナトリウム(和光純薬工業製)0.78gとを、窒素ガス置換したドライボックス中で乳鉢で混合した。この混合粉末をアルミナ坩堝に入れ、環状炉に仕込み、アルゴン流通下627℃で50時間焼成して、Na2RuO4の黒色粉末1.79gを得た。
<Example 2> Tetrabutylammonium - ruthenate (Type 2) the manufacturing process of the intercalation compound (a): Na 2 of Example 1 NaRuO 2 by reduction of RuO 4 step (a) the same ruthenium dioxide as used in 1 .01 g and 0.78 g of sodium peroxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed in a mortar in a dry box substituted with nitrogen gas. This mixed powder was put into an alumina crucible, charged in an annular furnace, and fired at 627 ° C. for 50 hours under an argon flow to obtain 1.79 g of a black powder of Na 2 RuO 4 .
得られた黒色粉末を、実施例1の工程(a)で用いたと同じ金属ルテニウムの粉末1.01gと、窒素ガス置換したドライボックス中で混合し、アルミナ坩堝に入れ、アルゴン流通下197℃で12時間焼成し、更に900℃で12時間焼成した。生成したNaRuO2は、実施例1の工程(a)で得られたNaRuO2と同様なX線回折パターンを示す。また、ここで得られたNaRuO2粉末のSEM写真を図8に示す。 The obtained black powder was mixed with 1.01 g of the same metal ruthenium powder used in step (a) of Example 1 in a dry box substituted with nitrogen gas, placed in an alumina crucible, and placed at 197 ° C. under argon flow. Baking for 12 hours, and further baking at 900 ° C. for 12 hours. The produced NaRuO 2 shows the same X-ray diffraction pattern as NaRuO 2 obtained in step (a) of Example 1. Moreover, the SEM photograph of the NaRuO 2 powder obtained here is shown in FIG.
このNaRuO2粉末を用いて、以下、実施例1の工程(b)、(c)、(d)及び(e)と同様に処理して、Ru濃度0.47g/Lのルテニウム酸ナノシートコロイド600mlを得た。このコロイドの無反射Si基板へのキャスト膜のXRDは、図2(c)に示される実施例1の工程(e)で得られた(TBA+)0.1RuO2・0.2H2Oと同様な回折パターンを示した。 Using this NaRuO 2 powder, the same treatment as in steps (b), (c), (d) and (e) of Example 1 was carried out, and then a ruthenic acid nanosheet colloid having a Ru concentration of 0.47 g / L, 600 ml. Got. XRD of the cast film on the colloidal non-reflective Si substrate was obtained in step (e) of Example 1 shown in FIG. 2 (c) (TBA + ) 0.1 RuO 2 .0.2H 2 O The same diffraction pattern was exhibited.
<比較例1>NaxRuO2・yH2Oの製造
実施例1の工程(a)で製造したNaRuO2粉末0.20gに対し、イオン交換水を500ml加え、室温25℃で3日間攪拌した。攪拌終了後、吸引濾過により沈殿物を回収し、室温で48時間乾燥し、NaxRuO2・yH2Oを0.184g得た。
<Comparative Example 1> Production of Na x RuO 2 · yH 2 O To 0.20 g of NaRuO 2 powder produced in step (a) of Example 1, 500 ml of ion-exchanged water was added and stirred at room temperature at 25 ° C for 3 days. . After completion of stirring, the precipitate was collected by suction filtration and dried at room temperature for 48 hours to obtain 0.184 g of Na x RuO 2 .yH 2 O.
得られたNaxRuO2・yH2OのXRDパターンを図1(b)に示す。このXRDパターンは、微量のRu金属ピークが検知される点を除いて、非特許文献3に記載されたNaxRuO2・yH2OのXRDパターンに一致している。
The XRD pattern of the obtained Na x RuO 2 .yH 2 O is shown in FIG. This XRD pattern matches the XRD pattern of Na x RuO 2 .yH 2 O described in
上記NaxRuO2・yH2OのSEM像を図3(b)に示す。 An SEM image of the Na x RuO 2 .yH 2 O is shown in FIG.
上記NaxRuO2・yH2OのTG/DTA曲線を図4(a)に示す。150℃までの質量減少は表面付着水の消失に帰属される。150〜400℃の質量減少は層間水の消失に帰属され、400〜600℃の質量減少はルテニウム酸からルチル型RuO2への結晶構造の変化に伴うものと推定される。 The TG / DTA curve of the Na x RuO 2 .yH 2 O is shown in FIG. The decrease in mass up to 150 ° C is attributed to the disappearance of surface adhering water. The mass reduction of 150 to 400 ° C. is attributed to the disappearance of interlayer water, and the mass reduction of 400 to 600 ° C. is presumed to be accompanied by a change in the crystal structure from ruthenic acid to rutile-type RuO 2 .
これらの結果から、上記NaxRuO2・yH2Oの組成式はNa0.3RuO2・0.2H2Oと決定された。 These results, the composition formula of the Na x RuO 2 · yH 2 O was determined to Na 0.3 RuO 2 · 0.2H 2 O .
<比較例2>ルテニウム酸ナノシート(タイプ1)コロイドの製造
特許文献1の製法に従い、以下のように操作した。
工程(a’):K0.2RuO2.1・xH2Oの製造
K2CO3(和光純薬工業製、特級99%)0.641gと、実施例1の工程(a)で用いたと同じニ酸化ルテニウムRuO2粉末1.01gとを混合し、混合物をアルゴンガス流通下850℃で12時間加熱焼成した。得られた固体を脱イオン水で濾液の電導度が100μS/cm以下となるまで洗浄した。65℃で16時間乾燥して、層状ルテニウム酸カリウムK0.2RuO2.1・xH2Oの粉末1.02gを得た。
Comparative Example 2 Production of Ruthenate Nanosheet (Type 1) Colloid According to the production method of
Step (a ′): Production of K 0.2 RuO 2.1 · xH 2 O K 2 CO 3 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, 99%) 0.641 g, used in step (a) of Example 1 The same ruthenium dioxide RuO 2 powder (1.01 g) was mixed, and the mixture was heated and fired at 850 ° C. for 12 hours under a flow of argon gas. The resulting solid was washed with deionized water until the filtrate conductivity was 100 μS / cm or less. By drying at 65 ° C. for 16 hours, 1.02 g of layered potassium ruthenate K 0.2 RuO 2.1 · xH 2 O powder was obtained.
工程(b’):H0.2RuO2.1・yH2Oの製造
工程(a’)で得たカリウム型層状ルテニウム酸1.00gに5%塩酸100mlを加え60℃で48時間攪拌した。冷却後濾過し、脱イオン水で濾液の電導度が100μs/cm以下となるまで洗浄した。このケークを65℃、16時間乾燥し、プロトン型層状ルテニウム酸H0.2RuO2.1・yH2Oの粉末0.92gを得た。
Step (b ′): Production of H 0.2 RuO 2.1 · yH 2 O 100 ml of 5% hydrochloric acid was added to 1.00 g of the potassium layered ruthenic acid obtained in step (a ′), and the mixture was stirred at 60 ° C. for 48 hours. . After cooling, the mixture was filtered and washed with deionized water until the conductivity of the filtrate reached 100 μs / cm or less. The cake was dried at 65 ° C. for 16 hours to obtain 0.92 g of proton-type layered ruthenate H 0.2 RuO 2.1 · yH 2 O powder.
工程(c’):エチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物の製造
上記工程(b’)で製造したプロトン型層状ルテニウム酸の粉末0.50gにアルゴン置換雰囲気で50%エチルアミン水溶液50mlを添加し、この混合物を室温25℃で24時間攪拌保持した。終了後スラリーを4000rpm(2900g)で30分遠心分離して濃縮し、最後に沈殿物にアセトン40mlを加えて洗浄し、再度遠心分離し、上澄み液を捨てた。沈殿物に再度アセトン40mlを加え、上記の洗浄工程を4回繰り返した。最後のアセトン洗浄の残渣を室温で24時間真空乾燥し、エチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物(EtNH3 +)0.2RuO2.1・0.3H2O粉末0.53gを得た。
Step (c ′): Production of Ethylammonium-Layered Ruthenic
工程(d’)ルテニウム酸ナノシート(タイプ1)の製造
上記工程(c’)で製造したエチルアンモニウム−層状ルテニウム酸粉末0.50gに10%テトラブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液(和光純薬工業製、特級)870mlを加え、30℃にて50時間攪拌した。室温まで放冷後攪拌を止め、得られた黒褐色コロイドを回転数4000rpm(2900g)で30分間遠心分離し、沈殿物を回収した。沈殿物にヘプタン200mlを加え、洗浄し、再度遠心分離した。この洗浄・遠心分離操作を5回繰り返した。最後の上澄み液をデカンテーションで捨て、沈殿物に脱イオン水550mlを加えて30分間超音波分散処理を施し、均一な黒褐色コロイドを得た。このコロイドを1600rpm(460g)で30分間遠心分離し、未剥離成分や凝集物を除去した。上澄み液Ru濃度0.43g/Lのルテニウム酸ナノシートコロイド(タイプ1)550mlを得た。
Step (d ′) Production of Ruthenate Nanosheet (Type 1) 10% tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution (special grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to 0.50 g of ethylammonium-layered ruthenate powder produced in the above step (c ′). ) 870 ml was added and stirred at 30 ° C. for 50 hours. After cooling to room temperature, stirring was stopped, and the resulting black-brown colloid was centrifuged at 4000 rpm (2900 g) for 30 minutes to collect a precipitate. 200 ml of heptane was added to the precipitate, washed and centrifuged again. This washing / centrifugation operation was repeated 5 times. The last supernatant was discarded by decantation, and 550 ml of deionized water was added to the precipitate and subjected to ultrasonic dispersion for 30 minutes to obtain a uniform black-brown colloid. The colloid was centrifuged at 1600 rpm (460 g) for 30 minutes to remove unpeeled components and aggregates. 550 ml of ruthenic acid nanosheet colloid (type 1) having a supernatant Ru concentration of 0.43 g / L was obtained.
上記工程(a’)、(b’)、及び(c’)でそれぞれ得られたK0.2RuO2.1・xH2O、H0.2RuO2.1・yH2O、および(EtNH3 +)0.2RuO2.1・yH2Oの各粉末、並びに上記工程(d’)で得られたルテニウム酸ナノシート(タイプ1)コロイドの無反射シリコン基板へのキャスト膜のXRDパターンは、特許文献1及び非特許文献1のそれぞれ対応する工程の生成物のXRDパターンに一致した。
K 0.2 RuO 2.1 · xH 2 O, H 0.2 RuO 2.1 · yH 2 O obtained in the steps (a ′), (b ′) and (c ′), respectively, and ( EtNH 3 + ) 0.2 RuO 2.1 · yH 2 O powders and ruthenium acid nanosheet (type 1) colloid obtained in the above step (d ') colloidal XRD pattern of cast film on non-reflective silicon substrate Corresponds to the XRD pattern of the product of the corresponding process of
ルテニウム酸ナノシート(タイプ1)コロイドを脱イオン水で50倍に希釈した希薄コロイド水溶液のUV・可視吸収スペクトルを図5(b)に示す。実施例1のルテニウム酸ナノシート(タイプ2)コロイドのUV・可視吸収スペクトル(図5(a))とは異なり、プラズモン吸収はλmax362nmであり、(タイプ2)コロイドより15nm長波長側に出現した。 FIG. 5B shows a UV / visible absorption spectrum of a dilute colloidal aqueous solution in which a ruthenic acid nanosheet (type 1) colloid is diluted 50 times with deionized water. Unlike the UV / visible absorption spectrum (FIG. 5A) of the ruthenate nanosheet (type 2) colloid of Example 1, the plasmon absorption was λmax 362 nm, and (type 2) appeared 15 nm longer than the colloid.
<比較例3>アルカリ金属型層状ルテニウム酸の鉱酸によるイオン交換
実施例1の工程(a)で得られたNaRuO2 粉末0.50gを用い、比較例2の工程(b’)と同様に、5%硫酸50mlを加え60℃で48時間攪拌した。冷却後濾過し、脱イオン水で濾液の電導度が100μs/cm以下となるまで洗浄した。このケークを65℃で16時間乾燥して、黒色粉末0.43gを得た。この粉末のSEM像を図9に示す。層状構造はもはや観察されず、微細な無定形粒子に分解していることが判った。この生成物の粉末法X線回折においては、図1(c)、(d)および(e)に見られるようなプロトン型層状ルテニウム酸の規則性回折ピークは検知されなかった。即ち、比較例2のK0.2RuO2.1の場合とは異なり、NaRuO2を鉱酸で処理すると層状構造が崩壊し、目的とするプロトン型層状ルテニウム酸は得られないことが判った。
<Comparative Example 3> Ion Exchange of Alkali Metal-Type Layered Ruthenic Acid with Mineral Acid Using 0.50 g of NaRuO 2 powder obtained in Step (a) of Example 1 and using Step (b ′) of Comparative Example 2 50 ml of 5% sulfuric acid was added and stirred at 60 ° C. for 48 hours. After cooling, the mixture was filtered and washed with deionized water until the conductivity of the filtrate reached 100 μs / cm or less. This cake was dried at 65 ° C. for 16 hours to obtain 0.43 g of black powder. An SEM image of this powder is shown in FIG. It was found that the layered structure was no longer observed and decomposed into fine amorphous particles. In powder X-ray diffraction of this product, a regular diffraction peak of proton-type layered ruthenic acid as seen in FIGS. 1 (c), (d) and (e) was not detected. That is, unlike the case of K 0.2 RuO 2.1 in Comparative Example 2, it was found that when NaRuO 2 was treated with mineral acid, the layered structure collapsed and the desired proton-type layered ruthenic acid could not be obtained. .
<実施例3>電気化学的特性評価
(分散液作成法)
粉末試料の場合、試料10mgに脱イオン水10mlを加えて1時間超音波分散処理を行い、1.0g/Lの分散液を調製した。実施例1及び比較例2のルテニウム酸ナノシートコロイド溶液の場合はそのまま使用した。
(電極作成法)
非晶質炭素(以下GCと略す)(東海カーボン(株)製、GC-20SS、φ5mmx30mm)の切断面をNo.3000のエメリー紙(丸本工業(株)製)で乾式研磨して平滑化した。イオン交換水で、次いでエタノールで、約3分間超音波洗浄をそれぞれ2回繰り返し、その後乾燥して炭素担体とした。上記方法で調製した試料分散液をGC研磨面にマイクロピペッターで20μl滴下し、60℃で30分乾燥した。次いで5wt.%ナフィオン(登録商標)溶液(Aldrich製)を脱イオン水で5倍に希釈して得た1%ナフィオン(登録商標)溶液を20μl滴下して再度60℃で30分乾燥し、試験電極とした。
(電気化学的測定)
試験電極の電気化学特性をサイクリックボルタンメトリー(CV)で評価した。ビーカー式三極セルを用い、対極にPtメッシュ((株)ニラコ製、99.98%、150メッシュ)、参照極にAg/AgCl電極(東亜電波工業(株)製、HS-205C)を用いた。作用極である試験電極を試料担持面(見掛け表面積19mm2)のみを残し全てテフロン(登録商標)テープで覆った。電解液として0.5M H2SO4水溶液を用いた。測定装置として、HZ3000システム及びHSV100システム(いずれもポテンショ/ガルバノスタット、ファンクションゲネレータ、及び測定ソフトを含む)(北斗電工(株)製)を用いた。測定前に25℃に保持した恒温槽中に測定セルを設置し、窒素ガス(岡谷酸素(株)製、99.99995%)を流して40分間バブリング置換して電解液中の溶存酸素を除去し、測定中もバブリングを継続した。最初に0.2〜1.2V対RHEの電位走査範囲を電位走査速度50mV/sで500サイクル走査して安定化処理を行った後、500、200、50、20、5、及び2 mV/sの電位走査速度でCV測定を行った。
<Example 3> Electrochemical property evaluation (dispersion preparation method)
In the case of a powder sample, 10 ml of deionized water was added to 10 mg of the sample and subjected to ultrasonic dispersion treatment for 1 hour to prepare a 1.0 g / L dispersion. The ruthenic acid nanosheet colloidal solutions of Example 1 and Comparative Example 2 were used as they were.
(Electrode creation method)
A cut surface of amorphous carbon (hereinafter abbreviated as GC) (Tokai Carbon Co., Ltd., GC-20SS, φ5 mm × 30 mm) was designated No. It was smoothed by dry polishing with 3000 emery paper (manufactured by Marumoto Kogyo Co., Ltd.). Ultrasonic cleaning with ion-exchanged water and then with ethanol was repeated twice for about 3 minutes each and then dried to obtain a carbon carrier. 20 μl of the sample dispersion prepared by the above method was dropped on the GC polished surface with a micropipette and dried at 60 ° C. for 30 minutes. Then 5 wt. 1% Nafion (registered trademark) solution obtained by diluting 5% Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich) with
(Electrochemical measurement)
The electrochemical properties of the test electrode were evaluated by cyclic voltammetry (CV). Using a beaker-type triode cell, Pt mesh (99.98%, 150 mesh manufactured by Nilaco Co., Ltd.) is used for the counter electrode, and Ag / AgCl electrode (HS-205C, manufactured by Toa Denpa Kogyo Co., Ltd.) is used for the reference electrode. It was. All the test electrodes as working electrodes were covered with Teflon (registered trademark) tape, leaving only the sample carrying surface (apparent surface area 19 mm 2 ). A 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution was used as the electrolytic solution. As a measuring device, HZ3000 system and HSV100 system (both including a potentio / galvanostat, a function generator, and measurement software) (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) were used. Before measurement, install the measuring cell in a thermostatic chamber maintained at 25 ° C, and purge with nitrogen gas (Okaya Oxygen Co., Ltd., 99.99995%) for 40 minutes to remove dissolved oxygen in the electrolyte. The bubbling was continued during the measurement. First, after performing a stabilization process by scanning a potential scanning range of 0.2 to 1.2 V versus RHE for 500 cycles at a potential scanning speed of 50 mV / s, 500, 200, 50, 20, 5, and 2 mV / CV measurement was performed at a potential scanning speed of s.
比較例1のNa0.3RuO2・0.2H2O、実施例1のH0.1RuO2・0.3H2O、及び実施例1のルテニウム酸ナノシートコロイド(タイプ2)のサイクリックボルタモグラムを、それぞれ図6(a)、図6(b)、及び図6(c)に示す。 Na 0.3 RuO 2 · 0.2H 2 O of Comparative Example 1, the cyclic of H 0.1 RuO 2 · 0.3H 2 O of Example 1, and Example 1 of ruthenate nanosheets colloid (type 2) Voltammograms are shown in FIGS. 6 (a), 6 (b), and 6 (c), respectively.
表1に、電位走査速度と比静電容量の関係を、また表2に、電位走査速度と比静電容量保持率の関係を示す。 Table 1 shows the relationship between potential scanning speed and specific capacitance, and Table 2 shows the relationship between potential scanning speed and specific capacitance retention.
比較例1のNa0.3RuO2・0.2H2Oから製造された電極の比静電容量は187F/g RuO2であるのに対し、実施例1の臭素処理後水和物H0.1RuO2・0.3H2Oの電極の比静電容量は435F/g RuO2(いずれも電位走査速度2mV/S時の値)であり、著しく増加した。実施例1では臭素処理により層間のNaイオンが除去され、プロトン導電性が上昇して静電容量が増加したものと推測される。またNa0.3RuO2・0.2H2Oから製造された電極は比静電容量保持率も低く、プロトン導電性が阻害されている。 The specific capacitance of the electrode produced from Na 0.3 RuO 2 .0.2H 2 O of Comparative Example 1 is 187 F / g RuO 2 , whereas the brominated hydrate H 0 of Example 1 The specific capacitance of the .1 RuO 2 .0.3H 2 O electrode was 435 F / g RuO 2 (both values at a potential scanning speed of 2 mV / S), which was remarkably increased. In Example 1, it is presumed that Na ions between layers were removed by bromine treatment, proton conductivity increased, and capacitance increased. Further, an electrode manufactured from Na 0.3 RuO 2 .0.2H 2 O has a low specific capacitance retention, and proton conductivity is inhibited.
実施例1のルテニウム酸ナノシートコロイド(タイプ2)電極の比静電容量は730F/g RuO2(電位走査速度2mV/S時)であり、実施例1の臭素処理後水和物H0.1RuO2・0.3H2O電極よりも更に比静電容量が増加した。層間剥離によりナノシート化されたことによりH0.1RuO2・0.3H2Oよりも活性面積が一層増加した為と推測される。また実施例1のルテニウム酸ナノシートコロイド(タイプ2)電極の比静電容量は、既報のルテニウム酸ナノシートコロイド(タイプ1)電極よりも1〜2割以上高い比静電容量を示した。ルテニウム酸ナノシートの厚みが薄くなってルテニウムの利用効率が向上したものと推定される。 The specific capacitance of the ruthenate nanosheet colloid (type 2) electrode of Example 1 is 730 F / g RuO 2 (at a potential scanning rate of 2 mV / S), and the hydrate H 0.1 after bromine treatment of Example 1 is 0.1. The specific capacitance further increased as compared with the RuO 2 .0.3H 2 O electrode. It is presumed that the active area was further increased as compared to H 0.1 RuO 2 .0.3H 2 O due to the formation of nanosheets by delamination. Moreover, the specific capacitance of the ruthenate nanosheet colloid (type 2) electrode of Example 1 was 10 to 20% higher than the previously reported ruthenate nanosheet colloid (type 1) electrode. It is presumed that the utilization efficiency of ruthenium has been improved by reducing the thickness of the ruthenium acid nanosheet.
図6(a)、図6(b)及び図6(c)の各サイクリックボルタモグラムから、Na0.3RuO2・0.2H2O、H0.1RuO2・0.3H2O及びルテニウム酸ナノシート(タイプ2)コロイドの電気二重層容量はそれぞれ57F/g RuO2、201F/g RuO2及び420F/g RuO2と読み取られた。
From the cyclic voltammograms of FIGS. 6 (a), 6 (b) and 6 (c), Na 0.3 RuO 2 .0.2H 2 O, H 0.1 RuO 2 .0.3H 2 O and electric double layer capacity of the ruthenium acid nanosheet (type 2) colloids were respectively read as 57F / g RuO 2, 201F /
結晶性RuO2の単位表面積あたりの電気二重層容量を80μF/cm2と仮定すると、Na0.3RuO2・0.2H2O、H0.1RuO2・0.3H2O、及びルテニウム酸ナノシート(タイプ2)コロイドのそれぞれの活性表面積は70、250、及び525m2/g RuO2と計算される。 Assuming that the electric double layer capacity per unit surface area of crystalline RuO 2 is 80 μF / cm 2 , Na 0.3 RuO 2 .0.2H 2 O, H 0.1 RuO 2 .0.3H 2 O, and ruthenium each active surface area of the acid nanosheet (type 2) colloid is calculated to 70,250, and 525m2 / g RuO 2.
電気二重層容量以外に、電位0.6〜0.7V及び0.8〜1.0V(対RHE)にレドックスピークが観察された。このレドックスピークは、ルテニウム酸ナノシートの表面および裏面へのイオン種の吸脱着に起因するものと推定される。 In addition to the electric double layer capacity, redox peaks were observed at potentials of 0.6 to 0.7 V and 0.8 to 1.0 V (vs. RHE). This redox peak is presumed to be caused by adsorption / desorption of ionic species on the front and back surfaces of the ruthenate nanosheet.
Claims (16)
(a)IV価以上の原子価の酸化ルテニウムとアルカリ金属化合物の混合物、またはIV価以上の原子価のルテニウム酸のアルカリ金属化合物を、金属ルテニウム粉末と混合し、得られた混合物を焼成または溶融することによって、III価のルテニウムを含むアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を得る工程、
(b)前記アルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を臭素溶液で処理し、層間のアルカリ金属イオンの少なくとも一部を除去してプロトン型層状ルテニウム酸を得る工程、
(c)前記プロトン型層状ルテニウム酸を水和処理してプロトン型層状ルテニウム酸水和物を得る工程、
(d)前記プロトン型層状ルテニウム酸水和物にアルキルアンモニウム化合物および/またはアルキルアミンを反応させてアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を得る工程、及び
(e)前記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を溶媒と混合し分散させて、層間剥離したルテニウム酸ナノシートコロイドを得る工程
を含む、請求項1記載のルテニウム酸ナノシートの製造方法。 The following steps (a) to (e):
(A) A mixture of ruthenium oxide having a valence of IV or higher and an alkali metal compound, or an alkali metal compound of ruthenium acid having a valence of IV or more and a metal ruthenium powder, and firing or melting the resulting mixture A step of obtaining an alkali metal layered ruthenium acid compound containing trivalent ruthenium,
(B) treating the alkali metal-type layered ruthenate compound with a bromine solution to remove at least a portion of the alkali metal ions between the layers to obtain a proton-type layered ruthenate acid;
(C) a step of hydrating the proton-type layered ruthenium acid to obtain a proton-type layered ruthenium acid hydrate;
(D) a step of reacting the proton-type layered ruthenium acid hydrate with an alkylammonium compound and / or an alkylamine to obtain an alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound; and (e) the alkylammonium-layered ruthenate intercalation compound. The method for producing a ruthenic acid nanosheet according to claim 1, comprising a step of mixing and dispersing with a solvent to obtain a delaminated ruthenic acid nanosheet colloid.
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