JP5714433B2 - Electrolytic cell - Google Patents

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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

本発明は、酸化還元反応を利用する電解技術に関するものである。   The present invention relates to an electrolysis technique using a redox reaction.

分光電気化学法は、分光法と電気化学法を組み合わせた手法であり、作用電極に電位を印加して電解しながら、電解前後の分光特性を測定することができる。通常、電極反応活性物質を全電解するには時間を要するため、薄層型のセルに電極を挿入して電極近傍部分の電極反応活性物質のみを電解する方法により分光電気化学測定を行っている(例えば、非特許文献1)。   The spectroelectrochemical method is a method in which spectroscopic methods and electrochemical methods are combined, and the spectroscopic characteristics before and after electrolysis can be measured while applying a potential to the working electrode for electrolysis. Usually, since it takes time to electrolyze the electrode reactive substance, spectroelectrochemical measurement is performed by inserting an electrode into a thin-layer cell and electrolyzing only the electrode reactive substance in the vicinity of the electrode. (For example, Non-Patent Document 1).

分光法は、Lambert−Beerの法則に基づいて吸光度が定義される。すなわち、吸光度は、モル吸光係数と試料濃度と光路長との積となる。モル吸光係数は試料固有の係数である。薄層型のセルの光路長は0.1mm〜1.0mm程度と短いため、高い吸光度を得るためには試料濃度を高くしなくてはならない。さらに、光路長が短いためモル吸光係数が小さい試料には適さないとされている。また、電解中に試料を攪拌できないため、電解生成物をセルの光路上に集約しなければならない。そのため、作用電極をセルの光路上に設置する必要があり、光路を妨げない網状や光透過性電極を用いるなど、電極の構造にも制約を受ける。   In the spectroscopic method, the absorbance is defined based on Lambert-Beer's law. That is, the absorbance is the product of the molar extinction coefficient, the sample concentration, and the optical path length. The molar extinction coefficient is a coefficient specific to the sample. Since the optical path length of the thin-layer cell is as short as about 0.1 mm to 1.0 mm, the sample concentration must be increased in order to obtain high absorbance. Furthermore, since the optical path length is short, it is not suitable for a sample having a small molar extinction coefficient. Also, because the sample cannot be agitated during electrolysis, the electrolysis product must be concentrated on the optical path of the cell. Therefore, it is necessary to install the working electrode on the optical path of the cell, and the structure of the electrode is also restricted, such as using a net-like or light transmissive electrode that does not obstruct the optical path.

電気化学分野において、酸化還元反応を利用するバルク電解技術は、平衡論・反応機構論といった物理化学的な観点や、高精度絶対定量といった分析化学的な観点だけでなく、有機・無機合成化学的な観点においても極めて有用である。   In the electrochemistry field, bulk electrolysis technology using redox reactions is not only a physicochemical viewpoint such as equilibrium theory and reaction mechanism theory, but an analytical chemistry viewpoint such as high-precision absolute quantification, as well as organic and inorganic synthetic chemistry. It is extremely useful also from a viewpoint.

バルク電解を行う際、陽極反応生成物の陰極での再還元反応(あるいは、陰極反応生成物の陽極での再酸化反応)を防ぐため、陽極側と陰極側とを隔膜(または、液絡)を隔てて行わなければならないとされている。このような隔膜を電解セルの構成に加えると、電解セルの寸法上の制約により装置に設置できない場合や、適用できたとしてもオンラインで生成物を同時に測定する装置(例えば、各種分光分析法)との併用が困難となる場合がある。そのため、対電極の電極反応を主に溶媒の酸化還元反応に帰することで隔膜を必要としない無隔膜バルク電解法が提案されている(例えば、特許文献1、非特許文献2)。   When performing bulk electrolysis, the anode side and the cathode side are separated from each other (or liquid junction) to prevent re-reduction reaction of the anode reaction product at the cathode (or re-oxidation reaction of the cathode reaction product at the anode). It is said that it must be done separately. When such a diaphragm is added to the structure of the electrolysis cell, it cannot be installed in the apparatus due to restrictions on the dimensions of the electrolysis cell, or even if it can be applied, an apparatus that simultaneously measures the product online (for example, various spectroscopic methods) May be difficult to use together. Therefore, a non-diaphragm bulk electrolysis method has been proposed in which the electrode reaction of the counter electrode is mainly attributed to the oxidation-reduction reaction of the solvent and does not require a diaphragm (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).

無隔膜バルク電解法は、電位制御装置(ポテンショスタット)動作下、対電極に対する作用電極の面積を相対的に大きくすることで、作用電極で生成する電極反応活性物質の再酸化(あるいは、再還元)を無視できるほど小さくするものである。この時、対電極では、溶媒(支持電解質)の酸化あるいは還元が進行し、目的物質の再酸化(あるいは、再還元)は著しく抑制される。そして、電解反応の進行とともに、作用電極における電流が減少するため、対電極の電位が作用電極の電位に近づく。無隔膜バルク電解法は、例えば以下に示すように広く利用されつつある。   In the diaphragmless bulk electrolysis method, the area of the working electrode relative to the counter electrode is relatively increased under the action of a potential control device (potentiostat), thereby reoxidizing (or re-reducing) the electrode-reactive substance generated at the working electrode. ) Is negligibly small. At this time, oxidation or reduction of the solvent (supporting electrolyte) proceeds at the counter electrode, and reoxidation (or rereduction) of the target substance is remarkably suppressed. As the electrolytic reaction proceeds, the current in the working electrode decreases, so the potential of the counter electrode approaches the potential of the working electrode. The non-diaphragm bulk electrolysis method is being widely used as shown below, for example.

[電気化学合成]
バルク電解技術を適用した有機電解合成は、従来の有機合成のように有機溶剤を必要としない(すなわち、有機溶剤などの廃棄物が生じない)ことから、穏和でクリーンな反応を利用する技術とされている。また、電解条件を適宜設定することにより、その電解条件に応じた特定の酸化還元反応を起こすことができる(高選択性)ことから、優れた合成方法となる可能性がある点で注目されている(例えば、非特許文献3,4)。
[Electrochemical synthesis]
Organic electrosynthesis using bulk electrolysis technology does not require an organic solvent as in the case of conventional organic synthesis (ie, no organic solvent or other waste is generated). Has been. In addition, by setting the electrolysis conditions as appropriate, it is possible to cause a specific oxidation-reduction reaction according to the electrolysis conditions (high selectivity). (For example, Non-Patent Documents 3 and 4).

[電気化学分析方法]
標準酸化還元電位(E0)は、標準状態(25℃,1atm)での酸化還元反応(電解セルの電極表面で起こる酸化還元反応)時における電極の平衡電位を示すものであり、電気化学分析において極めて重要な熱力学的パラメータとして取り扱われ、一般的には標準水素電極(SHE)を基準として表現されている(例えば、非特許文献5)。
[Electrochemical analysis method]
The standard redox potential (E 0 ) indicates the equilibrium potential of the electrode during the redox reaction (redox reaction occurring on the electrode surface of the electrolytic cell) in the standard state (25 ° C., 1 atm). Are treated as extremely important thermodynamic parameters and are generally expressed with reference to a standard hydrogen electrode (SHE) (for example, Non-Patent Document 5).

例えば、電解液中の酸化体をO、還元体をRとすると、それら酸化体Oと還元体Rとの間で電子授受平衡「O+ne-=R」が成り立つ際の電極電位(E)は、標準酸化還元電位(E0)を用いて下記(1)式に示すネルンストの式で表現することができる。 For example, when the oxidant in the electrolyte is O and the reductant is R, the electrode potential (E) when the electron transfer equilibrium “O + ne = R” is established between the oxidant O and the reductant R is: Using the standard oxidation-reduction potential (E 0 ), it can be expressed by the Nernst equation shown in the following equation (1).

なお、(1)式の記号において、Rは気体定数(8.314J・mol-1・K-1)、Fはファラデー定数(96500C・mol-1)、Tは絶対温度(25℃のとき、298.15K)、[O]は酸化体濃度、[R]は還元体濃度を示すものとする。 In the symbol of the formula (1), R is a gas constant (8.314 J · mol −1 · K −1 ), F is a Faraday constant (96500 C · mol −1 ), T is an absolute temperature (at 25 ° C., 298.15K), [O] represents the oxidant concentration, and [R] represents the reductant concentration.

E=E0+(RT/nF)ln([O]/[R]) …(1)
(1)式から、酸化体Oと還元体Rとの活量の比(溶液の場合はモル濃度の比;以下、[O]/[R]と称する)が1の場合、理論的に「E=E0」が成り立つ。
E = E 0 + (RT / nF) ln ([O] / [R]) (1)
From the equation (1), when the ratio of the activity of the oxidant O and the reductant R (molar concentration ratio in the case of a solution; hereinafter referred to as [O] / [R]) is 1, theoretically “ E = E 0 ”holds.

ここで、実測で得られる電極電位EはE0ではなく、そのE0に近似した式量電位(E0’)であることが知られている。この式量電位E0’は、例えば種々の電極電位で[O]/[R]を測定し、「[O]/[R]=1」になる時の電位を読み取ることにより求めることが可能である。 Here, the electrode potential E obtained by actual measurement rather than E 0, it is known that its is E 0 to approximate the formula weight potential (E 0 '). This formula quantity potential E 0 ′ can be obtained, for example, by measuring [O] / [R] at various electrode potentials and reading the potential when “[O] / [R] = 1”. It is.

前記の[O]/[R]は、単にバルク電解セルを用いた構成(in situ)では測定することが困難であるが、被分析対象(酸化還元種)が光吸収するものである場合(酸化還元反応時に吸収スペクトルが変化する場合)には分光法によって比較的容易に求められる。そこで、バルク電解技術と分光法とを一体化した分光電気化学法が適用されている。この分光電気化学法としては、光透過性薄層セル(OTTLE)法や鏡面反射法によるものが知られている。(例えば、特許文献1、非特許文献4,6,7)。   The above [O] / [R] is difficult to measure simply by a configuration using a bulk electrolysis cell (in situ), but the analyte (redox species) absorbs light ( When the absorption spectrum changes during the oxidation-reduction reaction), it can be determined relatively easily by spectroscopy. Therefore, a spectroelectrochemical method in which a bulk electrolysis technique and a spectroscopic method are integrated is applied. As the spectroelectrochemical method, a method using a light-transmitting thin layer cell (OTTTL) method or a specular reflection method is known. (For example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 4, 6, and 7).

図21(A),(B)は、それぞれ光透過性薄層セル法に用いられる電解セルの正面図、電解セルの側面図の一例を示す概略説明図である。図21(A),(B)において、薄層セル80の作用電極81は、略平板状の一対のガラス部材(石英ガラスなどから成る部材)82a,82b間に対し、透明電極83を介在させるとともに、スペーサ(図示点線部)84を介して隙間81aを形成して構成される。透明電極83には、金や白金などから成るミニグリッド(網)、石英ガラス基板に金属が蒸着された薄膜、In23やSnO2などから成る導電性酸化薄膜が用いられる。 FIGS. 21A and 21B are schematic explanatory views showing an example of a front view of an electrolysis cell and a side view of the electrolysis cell used in the light-transmitting thin-layer cell method, respectively. 21A and 21B, the working electrode 81 of the thin cell 80 has a transparent electrode 83 interposed between a pair of substantially flat glass members (members made of quartz glass) 82a and 82b. At the same time, a gap 81a is formed through a spacer (dotted line portion in the figure) 84. As the transparent electrode 83, a mini grid (net) made of gold, platinum, or the like, a thin film in which a metal is deposited on a quartz glass substrate, or a conductive oxide thin film made of In 2 O 3 or SnO 2 is used.

電解液が保持される電解液容器85には測定対象となる電解液が保持される。そして、この電解液容器85に保持された電解液には、作用電極81の一部が浸漬されるとともに、対電極86,参照電極87が浸漬される。電解液中に浸漬された作用電極81の隙間81aには、その浸漬された箇所を介して電解液が浸入(毛細管現象により浸入)する。   The electrolyte solution 85 that holds the electrolyte solution holds the electrolyte solution to be measured. Then, a part of the working electrode 81 is immersed in the electrolytic solution held in the electrolytic solution container 85, and the counter electrode 86 and the reference electrode 87 are immersed therein. Into the gap 81a of the working electrode 81 immersed in the electrolytic solution, the electrolytic solution enters (through capillary action) through the immersed portion.

図21(A),(B)のように、バルク電解技術を適用した光透過性薄層セル法によれば、光吸収する酸化還元種を含んだ電解液について、分光法により、種々の電極電位で[O]/[R]を測定し、「[O]/[R]=1」になる時の電位、すなわち式量電位E0’を求めることが可能となる。 As shown in FIGS. 21A and 21B, according to the light-transmitting thin-layer cell method to which the bulk electrolysis technique is applied, various electrodes are obtained by spectroscopic methods for the electrolytic solution containing redox species that absorb light. By measuring [O] / [R] with the potential, it is possible to obtain the potential when “[O] / [R] = 1”, that is, the formula potential E 0 ′.

[生体物質に関する電気化学分析方法]
酸化還元電位E0’は、生体物質の機能などを分析する上でも重要なパラメータの一つとして取り扱われているが、信頼できるデータを得ることは必ずしも容易ではなかった。
[Electrochemical analysis method for biological materials]
The oxidation-reduction potential E 0 ′ is handled as one of the important parameters in analyzing the function of the biological material and the like, but it is not always easy to obtain reliable data.

一般的な電解セルを用いてタンパク質(P)を分析する場合、そのタンパク質と電解セルの電極との間における電子の授受は起こり難く、直接電解による平衡化は実際上不可能とされていた。このため、電解セルの作用電極及びタンパク質(P;Pox,Pred)における反応性がそれぞれ高い低分子物質(以下、メディエータ(M;Mox,Mred)と称する)を電解液中に介在させ、適当な還元剤あるいは酸化剤によってメディエータを滴定する方法が採られていた。 When protein (P) is analyzed using a general electrolytic cell, transfer of electrons between the protein and the electrode of the electrolytic cell is unlikely to occur, and equilibration by direct electrolysis is practically impossible. For this reason, low-molecular substances (hereinafter referred to as mediators (M; M ox , M red )) having high reactivity in the working electrode and protein (P; P ox , P red ) of the electrolytic cell are interposed in the electrolytic solution. And a method of titrating the mediator with an appropriate reducing agent or oxidizing agent has been employed.

このような滴定する方法においては、下記(2)式に示す反応によりメディエータとタンパク質とが平衡状態となるため、メディエータの平衡電位(E)はポテンショメトリーにより測定することができる。なお、(2)式において、「Mox」は酸化性のメディエータ濃度、「Mred」は還元性のメディエータ濃度、[Pox]は酸化性のタンパク質濃度、[Pred]は還元性のタンパク質濃度を示すものとする。 In such a titration method, the mediator and protein are in an equilibrium state by the reaction shown in the following formula (2), so that the equilibrium potential (E) of the mediator can be measured by potentiometry. In the formula (2), “M ox ” is an oxidizing mediator concentration, “M red ” is a reducing mediator concentration, [P ox ] is an oxidizing protein concentration, and [P red ] is a reducing protein. It shall indicate the concentration.

Figure 0005714433
Figure 0005714433

また、前記のようにメディエータの平衡電位(E)を測定すると同時に、前記タンパク質における酸化還元体の濃度比(以下、[Pox]/[Pred]と称する)を分光法により検出する。 In addition, the equilibrium potential (E) of the mediator is measured as described above, and at the same time, the concentration ratio of the redox substance in the protein (hereinafter referred to as [P ox ] / [P red ]) is detected by spectroscopy.

そして、下記(3)式に基づいて、間接的にタンパク質の式量電位E0’を求めることが可能となる。なお、(3)式におけるnM,nPは、それぞれ、メディエータ若しくはタンパク質1分子が反応した時に変化したメディエータの電子数、タンパク質の電子数を示すものである。
E=E0’(RT/nMF)ln([O]/[R])
=E0P+(RT/nPF)ln([Pox]/[Pred]) …(3)
前記のような滴定する方法を適用した場合、滴定試薬と目的物質との副反応、滴定による体積補正、還元剤と酸素との反応抑制などに留意する必要がある。また、滴定する系が平衡に達するのに長時間を要するだけでなく、その電位が何の平衡を検出しているかなどについて考慮する必要がある。
Then, based on the following formula (3), it is possible to indirectly obtain the formula potential E 0 ′ of the protein. In the formula (3), n M and n P indicate the number of electrons of the mediator and the number of electrons of the protein, respectively, which changed when one molecule of the mediator or protein reacted.
E = E 0 ′ (RT / n M F) ln ([O] / [R])
= E 0 'P + (RT / n P F) ln ([P ox] / [P red]) ... (3)
When the titration method as described above is applied, it is necessary to pay attention to side reactions between the titration reagent and the target substance, volume correction by titration, suppression of the reaction between the reducing agent and oxygen, and the like. In addition to taking a long time for the titration system to reach equilibrium, it is necessary to consider what equilibrium is detected by the potential.

これに対して、滴定試薬を用いる替わりにバルク電解技術を適用した場合には、原理上は電極にてメディエータをバルク電解することが可能とされ、[Pox]/[Pred]を測定することも容易となり、滴定試薬を用いた場合の問題点を解決できるとされている(例えば、非特許文献8)。 On the other hand, when a bulk electrolysis technique is applied instead of using a titration reagent, it is possible in principle to perform bulk electrolysis of the mediator with an electrode and measure [P ox ] / [P red ]. It is also easy to solve the problem in the case of using a titration reagent (for example, Non-Patent Document 8).

特開2005−76116号公報JP-A-2005-76116

“分光電気化学測定システム”、[online]、ビー・エー・エス株式会社、[平成23年6月1日検索]、インターネット〈URL:http://www.basj.com/1459.html〉“Spectroelectrochemical measurement system”, [online], B.S., Ltd., [Search June 1, 2011], Internet <URL: http://www.basj.com/1459.html> 栗山淳,外5名、「無隔膜全電解法の提案とその分光電気化学的応用」、Electrochemistry、2004、第72巻、第7号、p.484Satoshi Kuriyama, 5 others, “Proposal of Total Electrolysis Method of Non-diaphragm and Its Spectroelectrochemical Application”, Electrochemistry, 2004, Vol. 72, No. 7, p. 484 「第5版 電気化学便覧」、丸善、p.405“5th Edition Electrochemical Handbook”, Maruzen, p. 405 大堺利行,外2名、「ベーシック電気化学」、化学同人、128、p.129Toshiyuki Ohtsuki, 2 other people, “Basic Electrochemistry”, Chemistry Doujin, 128, p. 129 電気化学会編「電気化学測定マニュアル 基礎編」、丸善、p.13The Electrochemical Society, “Electrochemical Measurement Manual Basics”, Maruzen, p. 13 日本化学会編「電子移動の化学−電気化学入門」、朝倉書店、p.69“The Chemistry of Electron Transfer—Introduction to Electrochemistry” edited by the Chemical Society of Japan, Asakura Shoten, p. 69 電気化学会編「電気化学測定マニュアル 実践編」、丸善、p.46The Electrochemical Society, “Electrochemical Measurement Manual Practice”, Maruzen, p. 46 電気化学会関西支部「第28回電気化学講習会」、1998、丸善、p.57Electrochemical Society Kansai Branch “28th Electrochemical Workshop”, 1998, Maruzen, p. 57 化学工学便覧(改訂六版)、丸善、p.424、p.443Chemical Engineering Handbook (6th revised edition), Maruzen, p. 424, p. 443

上述のように電解効率を向上させるために薄層セルを用いると、光路長が短いため吸光度が小さくなり、モル吸光係数の小さな物質の測定が困難となる。また、薄層セルでは、電解液を攪拌することができないので、全電解できずクーロメトリーとしての分析精度が低下することが懸念される。   As described above, when a thin layer cell is used to improve the electrolysis efficiency, the optical path length is short, so that the absorbance becomes small, and it becomes difficult to measure a substance having a small molar extinction coefficient. In addition, since the electrolyte solution cannot be stirred in the thin-layer cell, there is a concern that total electrolysis cannot be performed and analysis accuracy as coulometry is lowered.

一方、電解液の攪拌を可能とするために光路長の長いセルを用いると、吸光度の値を大きくでき、モル吸光係数の小さな物質の測定精度を高められると期待できるものの、電解液量が多くなるため電解に要する時間が長くなることで、温度変動をはじめとする測定条件の変動の影響により測定精度が低下する懸念がある。   On the other hand, if a cell with a long optical path length is used to enable stirring of the electrolytic solution, the absorbance value can be increased and the measurement accuracy of a substance having a small molar extinction coefficient can be expected to be increased, but the amount of electrolytic solution is large. As a result, the time required for electrolysis becomes longer, and there is a concern that the measurement accuracy may be lowered due to the influence of fluctuations in measurement conditions including temperature fluctuations.

上記事情に鑑み、本発明は、合成または分析の精度や効率の向上に寄与する電解セル、電気化学合成方法及び、電気化学分析方法を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an electrolytic cell, an electrochemical synthesis method, and an electrochemical analysis method that contribute to improvement in accuracy or efficiency of synthesis or analysis.

上記目的を達成する本発明の電解セルは、少なくとも対向する一対の側面が光透過性を有する電解液容器と、前記電解液容器内の該電解液中に浸漬される作用電極が固定され、前記電解液容器に挿設される枠体と、前記電解液を攪拌する攪拌手段と、前記電解液中に浸漬される対電極、及び参照電極と、を有することを特徴としている。   In the electrolytic cell of the present invention that achieves the above object, an electrolytic solution container having at least a pair of side surfaces facing each other and a working electrode immersed in the electrolytic solution in the electrolytic solution container are fixed, It is characterized by having a frame body inserted in the electrolytic solution container, a stirring means for stirring the electrolytic solution, a counter electrode immersed in the electrolytic solution, and a reference electrode.

また、上記目的を達成する本発明の電気化学合成方法は、酸化還元種を含んだ電解液が保持された電解液容器に対して、少なくとも作用電極、対電極、参照電極を浸漬し、前記電解液を、攪拌手段を介して1000rpm以上の攪拌速度、または、攪拌レイノルズ数950以上にて攪拌するとともに、前記作用電極に電位を印加して前記の酸化還元種を合成することを特徴としている。   In addition, the electrochemical synthesis method of the present invention that achieves the above object includes immersing at least the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode in an electrolytic solution container holding an electrolytic solution containing a redox species, The liquid is stirred at a stirring speed of 1000 rpm or higher or a stirring Reynolds number of 950 or higher via a stirring means, and a potential is applied to the working electrode to synthesize the redox species.

また、上記目的を達成する本発明の電気化学分析方法は、被分析対象を含んだ電解液が保持された光透過性の電解液容器に対して、少なくとも作用電極、対電極、参照電極を浸漬し、前記電解液を、攪拌手段を介して1000rpm以上の攪拌速度、または、攪拌レイノルズ数950以上にて攪拌するとともに、前記作用電極に電位を印加し該作用電極の電流変化を検出し、分光法により前記電解液の吸光度変化を算出することを特徴としている。   In addition, the electrochemical analysis method of the present invention that achieves the above object includes immersing at least a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode in a light-transmitting electrolytic solution container holding an electrolytic solution containing an object to be analyzed. The electrolytic solution is stirred at a stirring speed of 1000 rpm or more or a stirring Reynolds number of 950 or more through a stirring means, and a potential is applied to the working electrode to detect a change in current of the working electrode. The method is characterized in that the change in absorbance of the electrolytic solution is calculated by a method.

以上の発明によれば、合成または分析の精度や効率の向上に寄与する電解セルを提供することができる。また、電気化学合成方法や電気化学分析方法において、精度あるいは効率の向上に寄与することができる。   According to the above invention, it is possible to provide an electrolysis cell that contributes to improvement in accuracy and efficiency of synthesis or analysis. In addition, in the electrochemical synthesis method and the electrochemical analysis method, it can contribute to improvement in accuracy or efficiency.

本発明の実施形態1に係る電解セルの一例を示す概略説明図であり、(A)電解セル正面図、(B)電解セルA−A矢視図、(C)電解セルが設けられるシステム構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic explanatory drawing which shows an example of the electrolytic cell which concerns on Embodiment 1 of this invention, (A) Electrolytic cell front view, (B) Electrolytic cell AA arrow line view, (C) System structure provided with an electrolytic cell FIG. 本発明の実施形態1に係る電解セルの一例を示す概略説明図であり、(A)セル構造の説明図、(B)作用電極が設けられる作用電極固定枠体の説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows an example of the electrolytic cell which concerns on Embodiment 1 of this invention, (A) It is explanatory drawing of a cell structure, (B) It is explanatory drawing of the working electrode fixed frame body provided with a working electrode. 実施例1の作用電極における電流の対数の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the logarithm of the electric current in the working electrode of Example 1. 実施例1の作用電極における電流の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the electric current in the working electrode of Example 1. 実施例1の電解セルにおける吸光度の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the light absorbency in the electrolytic cell of Example 1. 実施例2の作用電極における電流の対数の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the logarithm of the electric current in the working electrode of Example 2. 実施例2の作用電極における電流の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the electric current in the working electrode of Example 2. 攪拌Re数と反応速度定数pとの関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between stirring Re number and reaction rate constant p. 実施例2の電解セルにおける吸光度の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the light absorbency in the electrolytic cell of Example 2. 実施例3の作用電極における電流の対数の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the logarithm of the electric current in the working electrode of Example 3. 実施例3の作用電極における電流の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the electric current in the working electrode of Example 3. 実施例3の電解セルにおける吸光度の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the light absorbency in the electrolytic cell of Example 3. 実施例4の作用電極における電流の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the electric current in the working electrode of Example 4. 実施例4の電解セルにおける吸光度の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the light absorbency in the electrolytic cell of Example 4. 実施例5の電解セルにおける吸収スペクトル特性図である。6 is an absorption spectrum characteristic diagram in the electrolytic cell of Example 5. FIG. 実施例5におけるネルンストプロット図である。10 is a Nernst plot diagram in Example 5. FIG. 本発明の実施形態2に係る電解セルの一例を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows an example of the electrolytic cell which concerns on Embodiment 2 of this invention. 実施例6の作用電極における電流の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the electric current in the working electrode of Example 6. 実施例6の電解セルにおける吸光度の反応時間に対する変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change with respect to the reaction time of the light absorbency in the electrolytic cell of Example 6. 実施例7の電解セルにおける吸収スペクトル特性図である。6 is an absorption spectrum characteristic diagram in the electrolytic cell of Example 7. FIG. 薄層型分光電気化学セルの一例を示す概略説明図であり、(A)セル正面図、(B)セル側面図である。It is a schematic explanatory drawing which shows an example of a thin layer type | mold spectroelectrochemical cell, (A) Cell front view, (B) Cell side view.

本発明の実施の形態における電解セル、電気化学合成方法、電気化学分析方法について図面を参照して詳細に説明する。   An electrolytic cell, an electrochemical synthesis method, and an electrochemical analysis method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施形態1)
図1(A),(B)は、それぞれ本発明の実施形態における電解セルの光線が透過する側面側の図、当該電解セルのA−A矢視図を示す概略説明図である。
(Embodiment 1)
1A and 1B are schematic explanatory views showing a side view through which a light beam of an electrolytic cell in an embodiment of the present invention is transmitted and a view taken along the line AA of the electrolytic cell, respectively.

図1(A)に示すように、電解セル1は、光透過性容器2、攪拌子13、作用電極3、作用電極固定枠体4、対電極5、封止部材9を備える。以下、電解セル1の各構成要素について説明する。   As shown in FIG. 1A, the electrolysis cell 1 includes a light transmissive container 2, a stirrer 13, a working electrode 3, a working electrode fixing frame 4, a counter electrode 5, and a sealing member 9. Hereinafter, each component of the electrolytic cell 1 will be described.

[光透過性容器2]
光透過性容器2は、横断面が略矩形状の有底筒状の容器であり、この光透過性容器2の少なくとも対向する一対の側面は、測定に用いる光が透過可能な材質であるガラスや石英などの透明な材質からなる。この光透過性容器2内には被合成対象や被分析対象などを含んだ電解液10が保持される。電解液10の液量は、各種電極類が浸漬する程度は必要であり、液面が変動する攪拌状態にあっても同様である。
[Light transmissive container 2]
The light transmissive container 2 is a bottomed cylindrical container having a substantially rectangular cross section, and at least a pair of opposed side surfaces of the light transmissive container 2 is made of a material that can transmit light used for measurement. It is made of a transparent material such as quartz. In the light transmissive container 2, an electrolytic solution 10 including an object to be synthesized and an object to be analyzed is held. The amount of the electrolyte solution 10 is required to be immersed in various electrodes, and is the same even in a stirring state in which the liquid level varies.

[攪拌子13]
攪拌子13は、光透過性容器2に保持される電解液10を攪拌する。撹拌子13は、マグネチックスターラー(図示省略)により回転させられる。攪拌子13は、例えば、棒磁石をフッ素樹脂などで封止したもので、形状は細長い繭状であり棒状のもの、八角棒状のもの、風車の羽根状のものなどがあり、攪拌効率・負荷量などの用途によって使い分けられる。本発明の実施形態の説明では、汎用性に優れている棒状の攪拌子を使用したが、他形状の攪拌子も適用が可能である。
[Stirrer 13]
The stirrer 13 stirs the electrolytic solution 10 held in the light transmissive container 2. The stirrer 13 is rotated by a magnetic stirrer (not shown). The stirrer 13 is, for example, a bar magnet sealed with a fluororesin or the like, and has a long and narrow bowl-like shape such as a bar, octagonal bar, windmill blade, etc. It is properly used depending on the usage such as quantity. In the description of the embodiment of the present invention, a rod-shaped stirrer having excellent versatility is used, but stirrers having other shapes can also be applied.

[作用電極3]
作用電極3は、白金や金、カーボンなど被合成対象や被分析対象や電解液10に応じて適宜選択される。作用電極3は、後述の作用電極固定枠体4に固定され、電解液10に浸漬される。図1(A),(B)に示すように、作用電極3が白金や金の金網状である場合、作用電極3は、作用電極固定枠体4に巻きつけることによって固定される。なお、作用電極3には必要に応じてリード線3aなどの配線が接続される。
[Working electrode 3]
The working electrode 3 is appropriately selected according to an object to be synthesized such as platinum, gold, and carbon, an object to be analyzed, and the electrolytic solution 10. The working electrode 3 is fixed to a working electrode fixing frame 4 which will be described later, and is immersed in the electrolytic solution 10. As shown in FIGS. 1A and 1B, when the working electrode 3 is a wire mesh of platinum or gold, the working electrode 3 is fixed by being wound around the working electrode fixing frame 4. The working electrode 3 is connected to a wiring such as a lead wire 3a as necessary.

[作用電極固定枠体4]
作用電極固定枠体4は、略直方格子状の枠体であり、機械加工が可能であって耐薬品性の材料(例えば、ピーク樹脂、フッ素樹脂)より構成される。図2(A)に示すように、作用電極固定枠体4の底面には、攪拌子13の回転ガイド4aが形成され、この回転ガイド4a内で攪拌子13が回転して電解液10が撹拌される。
[Working electrode fixing frame 4]
The working electrode fixing frame 4 is a substantially rectangular lattice-shaped frame that can be machined and is made of a chemical-resistant material (for example, peak resin or fluororesin). As shown in FIG. 2A, a rotating guide 4a of a stirrer 13 is formed on the bottom surface of the working electrode fixed frame 4, and the stirrer 13 rotates in the rotating guide 4a to stir the electrolyte solution 10. Is done.

なお、作用電極固定枠体4を光透過性容器2内に装入することで電気化学合成や電気化学分析に使用する電解液量を低減できる。さらに、作用電極固定枠体4の外形を、光透過性容器2の内形と略等しくすることで、攪拌の影響を受けない光透過性容器2内のデッドスペ−スを少なくすることができ、合成または分析の精度や効率の向上に寄与する。また、図2(B)に示すように、作用電極固定枠体4の側面に作用電極3を固定する固定部4bを形成すると、作用電極固定枠体4に設けられる作用電極3が、光透過性容器2への作用電極固定枠体4の装入を妨げず好ましい。なお、作用電極固定枠体4の形態は、作用電極3を固定することができるものであればよく、作用電極固定枠体4の上部と底部の双方に四角形の枠形状のある図2に示す形態に限定されるものではない。   In addition, the amount of the electrolyte solution used for electrochemical synthesis or electrochemical analysis can be reduced by inserting the working electrode fixing frame 4 into the light transmissive container 2. Furthermore, by making the outer shape of the working electrode fixing frame 4 substantially equal to the inner shape of the light transmissive container 2, dead space in the light transmissive container 2 that is not affected by stirring can be reduced, Contributes to improving the accuracy and efficiency of synthesis or analysis. Further, as shown in FIG. 2B, when the fixing portion 4b for fixing the working electrode 3 is formed on the side surface of the working electrode fixing frame 4, the working electrode 3 provided on the working electrode fixing frame 4 becomes light transmissive. The working electrode fixing frame 4 is preferably not inserted into the conductive container 2 without hindering. The working electrode fixing frame 4 may be of any shape as long as it can fix the working electrode 3, and is shown in FIG. 2 having a rectangular frame shape on both the top and bottom of the working electrode fixing frame 4. The form is not limited.

また、作用電極3を固定する固定部4bは、図2(b)に示す形態に限定されるものではなく、作用電極3を係止する形態や作用電極3を作用電極固定枠体4間に嵌合させる形態であってもよい。さらに、作用電極3を固定する固定部4bの位置は、測定のための光路を妨げなければよく、図に示す形態に限定されるものではない。   Further, the fixing portion 4b for fixing the working electrode 3 is not limited to the form shown in FIG. 2B, and the form for locking the working electrode 3 or the working electrode 3 between the working electrode fixing frame 4 is not limited. A form to be fitted may be used. Further, the position of the fixing portion 4b for fixing the working electrode 3 is not limited to the form shown in the drawing as long as it does not interfere with the optical path for measurement.

[対電極5]
対電極5は、図1(A)に示すように、電解液10が保持された光透過性容器2を封止する封止部材9に設けられる。対電極5は、封止部材9が光透過性容器2に設けられた際、対電極5の下端部が電解液10に浸漬するように設けられる。対電極5は、通常の電気化学測定で用いられる電極(白金線やカーボン電極)を用いる。対電極5の浸漬面積は作用電極3の浸漬面積よりも小さくなるように設定する。
[Counter electrode 5]
As shown in FIG. 1A, the counter electrode 5 is provided on a sealing member 9 that seals the light transmissive container 2 in which the electrolytic solution 10 is held. The counter electrode 5 is provided such that the lower end portion of the counter electrode 5 is immersed in the electrolytic solution 10 when the sealing member 9 is provided in the light transmissive container 2. As the counter electrode 5, an electrode (platinum wire or carbon electrode) used in normal electrochemical measurement is used. The immersion area of the counter electrode 5 is set to be smaller than the immersion area of the working electrode 3.

[封止部材9]
封止部材9は、光透過性容器2の開口部を封止する部材であり、機械加工が可能であって耐薬品性の材料(例えば、ピーク樹脂、フッ素樹脂)より構成される。封止部材9には、対電極5の他に、参照電極6、光透過性容器2内にガス(アルゴンガス、窒素ガスなど、以下、導入ガスと称する)を導入するための導入管7、導入管7より導入された導入ガスを排出する排出管8が設けられる。参照電極6の先端部には、電解液10による汚染を防ぐためにセラミックスなどの薄膜6aが設けられる。
[Sealing member 9]
The sealing member 9 is a member that seals the opening of the light transmissive container 2 and is made of a chemical-resistant material (for example, peak resin or fluororesin) that can be machined. In addition to the counter electrode 5, the sealing member 9 has an introduction pipe 7 for introducing a gas (argon gas, nitrogen gas, etc., hereinafter referred to as introduction gas) into the reference electrode 6 and the light transmissive container 2, A discharge pipe 8 for discharging the introduced gas introduced from the introduction pipe 7 is provided. A thin film 6 a made of ceramics or the like is provided at the tip of the reference electrode 6 in order to prevent contamination with the electrolytic solution 10.

導入管7の先端部(導入口)は、導入ガスを電解液10の溶存酸素除去(以下、脱気処理と称する)に用いる際には電解液10中に浸漬し、導入ガスを光透過性容器2内の気相と置換する場合には電解液10から取り出す(電解液10の水面より上方に位置させる)ことが好ましい。   The distal end portion (introduction port) of the introduction tube 7 is immersed in the electrolytic solution 10 when the introduced gas is used for removing dissolved oxygen from the electrolytic solution 10 (hereinafter referred to as deaeration treatment), and the introduced gas is light-transmitting. When replacing with the gas phase in the container 2, it is preferably taken out from the electrolytic solution 10 (positioned above the water surface of the electrolytic solution 10).

[分析システム構成]
図1(A),(B)に示す電解セル1を用いて、図1(C)に示すシステムを構成し、電気化学測定及び分光法による測定を行う。なお、後述の実施例1〜7において、定電位電解による分析を行う場合も同様のシステム構成のものを用いた。
[Analysis system configuration]
Using the electrolytic cell 1 shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B), the system shown in FIG. 1 (C) is configured, and measurement by electrochemical measurement and spectroscopy is performed. In Examples 1 to 7 which will be described later, the same system configuration was used when performing analysis by constant potential electrolysis.

分析システム構成は、図1(C)に示すように、電解セル1を分光光度計15の計測領域(試料室)15a内にセットし、ポテンショスタット16a(及び、ファンクションジェネレータ16b)により、参照電極6に対して所定の電位を作用電極3に印加した。この状態で、発光部15bからの光線15cを電解セル1の光透過性容器2の光透過性を有する側面に対して垂直に照射し、その透過した光線15cを受光部15dで受光して吸光度を算出した。   As shown in FIG. 1C, the analysis system is configured by setting the electrolysis cell 1 in the measurement region (sample chamber) 15a of the spectrophotometer 15 and using the potentiostat 16a (and the function generator 16b) as a reference electrode. A predetermined potential with respect to 6 was applied to the working electrode 3. In this state, the light beam 15c from the light-emitting unit 15b is irradiated perpendicularly to the light-transmitting side surface of the light-transmitting container 2 of the electrolysis cell 1, and the transmitted light beam 15c is received by the light-receiving unit 15d and absorbed. Was calculated.

なお、実施例1〜5の電解セル1において、特に断りがない場合、光透過性容器2にはジーエルサイエンス社製の石英セル(二面石英製コード6210−11006、光路長10mm)、作用電極3にはニラコ社製の白金網(φ0.07mm、100メッシュ)を10mm×40mm、厚さ:0.07mm、表面積:14.8cm2の形状に切断し、この白金網を折り曲げて5mm×40mm、厚さ:0.14mm、表面積:14.8cm2としたもの、作用電極固定枠体4にはピーク樹脂から成るもの、対電極5には直径1mmの白金線を被覆し、先端1mmのみ露出させたもの、参照電極6には飽和塩化カリウム溶液に銀線を浸漬させたAg/AgCl電極、導入管7及び排出管8には直径1mmのガラス管、封止部材9にはピーク樹脂から成るものを用いた。また、対電極5の浸漬面積は0.039cm2に設定し、脱気処理には窒素ガスを用い、電解液10の撹拌は撹拌子13とマグネチックスターラーを用いて行った。 In addition, in the electrolysis cell 1 of Examples 1-5, if there is no notice in particular, the light transmissive container 2 includes a quartz cell manufactured by GL Sciences Inc. (double-faced quartz code 6210-11006, optical path length 10 mm), working electrode. In No. 3, a platinum net (φ0.07 mm, 100 mesh) made by Niraco was cut into a shape of 10 mm × 40 mm, thickness: 0.07 mm, surface area: 14.8 cm 2 , and the platinum net was bent to 5 mm × 40 mm. Thickness: 0.14 mm, surface area: 14.8 cm 2 , working electrode fixing frame 4 is made of peak resin, counter electrode 5 is covered with a platinum wire with a diameter of 1 mm, and only the tip of 1 mm is exposed. The reference electrode 6 is an Ag / AgCl electrode dipped in a saturated potassium chloride solution, the introduction tube 7 and the discharge tube 8 are glass tubes with a diameter of 1 mm, and the sealing member 9 is made of a peak resin. I used. Moreover, the immersion area of the counter electrode 5 was set to 0.039 cm < 2 >, nitrogen gas was used for the deaeration process, and stirring of the electrolyte solution 10 was performed using the stirring bar 13 and the magnetic stirrer.

[電解液の攪拌レイノルズ数の算出]
定電位電解試験では、反応進行に伴って電解セル1中の電解液10に濃度分布が生じないよう電解液濃度が均一な完全混合状態とすることが理想的である。しかし、高い攪拌効果を得るために、攪拌子13を高速回転で使用すると攪拌子13の回転軸がズレやすくなり、攪拌子13の脱調(飛び跳ね)の原因となるなど安定した回転が得られにくくなる。そのため、実用上は、回転数を抑え安定した混合状態を維持することが重要となる。そして、現実的には完全混合状態を形成することは極めて困難であるので、分析の精度や効率の向上させた定電位電解を行うために、攪拌状態を定量化することで、適切な攪拌条件を設定し試験を行う必要がある。
[Calculation of stirring Reynolds number of electrolyte]
In the constant potential electrolysis test, it is ideal that the electrolyte solution is in a completely mixed state with a uniform concentration so that no concentration distribution occurs in the electrolyte solution 10 in the electrolytic cell 1 as the reaction proceeds. However, when the stirrer 13 is used at a high speed rotation in order to obtain a high stirring effect, the rotation axis of the stirrer 13 is likely to be displaced, resulting in a stable rotation such as causing the step-out (jumping) of the stirrer 13. It becomes difficult. Therefore, in practice, it is important to suppress the number of rotations and maintain a stable mixed state. In reality, it is extremely difficult to form a completely mixed state. Therefore, in order to perform constant-potential electrolysis with improved accuracy and efficiency of analysis, the stirring state is quantified to obtain appropriate stirring conditions. It is necessary to set and test.

攪拌状態を数値化する指標として、下記の撹拌レイノルズ数(以下、攪拌Re数とする)が知られている。攪拌レイノルズ数は、攪拌装置の設計や攪拌装置のスケ−ルアップなどに利用されている。
攪拌Re数=ρ・n・d2/μ
(ρ:電解液の密度[kg/m3]、n:攪拌子13の回転数[rps]、d:翼スパン(攪拌子13の長さ)[m]、μ:電解液の粘度[Pa・s])
一般に、流体の流れは、レイノルズ数が小さい内は層流であるが、レイノルズ数が大きくなると、乱流に転ずる。数値としては、大体4000以上で乱流域、2100以下を層流域、その間を遷移域として流れの状態をおおよそ大別することができる。
The following stirring Reynolds number (hereinafter referred to as stirring Re number) is known as an index for quantifying the stirring state. The stirring Reynolds number is used for the design of the stirring device, the scale-up of the stirring device, and the like.
Stirring Re number = ρ · n · d 2 / μ
(Ρ: Density of electrolyte [kg / m 3 ], n: Rotation speed [rps] of stirrer 13, d: Blade span (length of stirrer 13) [m], μ: Viscosity of electrolyte [Pa]・ S])
In general, the fluid flow is laminar when the Reynolds number is small, but turns into turbulent flow when the Reynolds number is large. As numerical values, it is possible to roughly divide the state of flow roughly with a turbulent flow region of 4000 or more, a laminar flow region of 2100 or less, and a transition region therebetween.

なお、本発明の実施例の説明において、攪拌Re数の算出にあたり、電解液10の温度は20℃とした。   In the description of the examples of the present invention, the temperature of the electrolytic solution 10 was set to 20 ° C. when calculating the stirring Re number.

[実施例1]攪拌条件と電解速度の関係
長さの異なる2つの攪拌子を用いて、攪拌状態が電解速度に与える影響を評価した。実施例1及び比較例1の攪拌子の形状はともに細長い繭状で棒状のものであり、下記のものを使用した。
実施例1:ジーエルサイエンス MC−7 φ2mm×7mm
比較例1:(株)アズワン マイクロ回転子D φ2mm×5mm
攪拌子13は、電解液10の攪拌を目的とするものであり、攪拌子13の長さ及び回転速度により電解液10の攪拌状況が変化する。よって、実施例1では、棒状の攪拌子13において、攪拌子13の直径及び回転速度を同一とし、攪拌子13の長さの違いによる電解速度の変化を評価した。
[Example 1] Relationship between stirring conditions and electrolysis rate Using two stirrers having different lengths, the influence of the stirring state on the electrolysis rate was evaluated. The shapes of the stirrers in Example 1 and Comparative Example 1 were both elongated and rod-shaped, and the following were used.
Example 1: GL Sciences MC-7 φ2mm × 7mm
Comparative Example 1: ASONE Co., Ltd. Microrotor D φ2mm × 5mm
The stirrer 13 is intended to stir the electrolytic solution 10, and the stirring state of the electrolytic solution 10 varies depending on the length and rotation speed of the stirrer 13. Therefore, in Example 1, in the rod-shaped stirrer 13, the diameter and rotation speed of the stirrer 13 were made the same, and the change in the electrolysis speed due to the difference in the length of the stirrer 13 was evaluated.

実施例1では、0.25mmol/lのヘキサシアノ鉄(II)酸イオン(Fe(CN)6 4-)を含んだ0.1mol/lのリン酸緩衝液(pH7.0)を試料S1(電解液10)として光透過性容器2内に1.0ml保持した。なお、試料S1の液量は、光透過性容器2にて攪拌中も各種電極類が大気中に露出せず十分浸漬するような水位レベルとなる液量とした。 In Example 1, 0.1 mol / l phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.25 mmol / l hexacyanoferrate (II) ion (Fe (CN) 6 4− ) was used as sample S1 (electrolysis). As a liquid 10), 1.0 ml was held in the light transmissive container 2. In addition, the liquid amount of the sample S1 was set to a liquid level that would allow the various electrodes to be sufficiently immersed in the light-transmitting container 2 without being exposed to the atmosphere even while stirring.

そして、窒素ガスにより試料S1の脱気処理を行った後、光透過性容器2に攪拌子13(実施例1)を入れ、1200rpm(rpm=1分間の回転数)で回転させて電解液10を攪拌した。そして、導入管7を介して試料S1内に窒素ガスをフローさせながら、作用電極3に対して0.5Vの電位(参照電極6を基準にした電位)を印加することにより定電位電解を行うとともに、作用電極3における電流の電解反応時間に対する変化を測定した。定電位電解により、Fe(CN)6 4-は酸化されてFe(CN)6 3-となった。さらに、定電位電解中に、Fe(CN)6 3-を選択的に特定可能な吸収ピ−ク波長である波長420nmを用いて電解液10の吸光度の時間変化を測定した。 Then, after degassing the sample S1 with nitrogen gas, the stirrer 13 (Example 1) is put into the light-transmitting container 2 and rotated at 1200 rpm (rpm = number of rotations per minute), and the electrolytic solution 10 Was stirred. Then, constant potential electrolysis is performed by applying a potential of 0.5 V (potential based on the reference electrode 6) to the working electrode 3 while flowing nitrogen gas into the sample S1 through the introduction tube 7. At the same time, the change of the current in the working electrode 3 with respect to the electrolytic reaction time was measured. Fe (CN) 6 4− was oxidized to Fe (CN) 6 3− by constant potential electrolysis. Further, during constant potential electrolysis, the time change of the absorbance of the electrolytic solution 10 was measured using a wavelength of 420 nm, which is an absorption peak wavelength capable of selectively specifying Fe (CN) 6 3− .

また、実施例1の比較例として、上記比較例1に係る攪拌子を用い、その他の条件は実施例1と同じ条件で定電位電解及び吸光光度測定を行った。表1に実施例1及び比較例1の測定条件及び測定結果(反応速度定数p、平衡吸光度とその到達時間、全電解時間)を示す。   In addition, as a comparative example of Example 1, the stirrer according to Comparative Example 1 was used, and the other conditions were the same as those in Example 1 and constant potential electrolysis and absorptiometry were performed. Table 1 shows the measurement conditions and measurement results (reaction rate constant p, equilibrium absorbance and arrival time, total electrolysis time) of Example 1 and Comparative Example 1.

Figure 0005714433
Figure 0005714433

実施例1(及び比較例1)では、電解によって、電解液10中のFe(CN)6 4-が、一次反応による酸化反応によりFe(CN)6 3-を生じる。この時、電解反応時間t(s)における電流値i(t)は、(4)式となる。なお、(4)式において、i(0)は、t=0の時に作用電極3に流れる電流値であり、pは、反応速度定数(1/s)である。
i(t)=i(0)exp(−pt) …(4)
また、反応速度定数pは、(5)式によって求めることができる。なお、(5)式において、mは、物質移動定数であり、Awは、作用電極の表面積(実施例1,比較例1ともに同一)、Vは、試料体積である。
p=mAw/V …(5)
(4)式より、反応速度定数pは、(6)式で求めることができる。
p=ln[i(0)/i(t)]/t …(6)
なお、i(0)は、t=0の時に作用電極3に流れる電流値ではあるが、実際には、電解開始後、瞬時にして作用電極3の近傍に電極反応活性物質の濃度の分布が生じ、この初期状態の電流値をi(0)と測定することとなる。そのため、攪拌状態が高いほど、電解開始瞬時での作用電極3の近傍の拡散層を薄くできるため、結果として、攪拌状態が高いほどi(0)も高い値が測定される。
In Example 1 (and Comparative Example 1), Fe (CN) 6 4− in the electrolytic solution 10 is produced by electrolysis, and Fe (CN) 6 3− is generated by an oxidation reaction by a primary reaction. At this time, the current value i (t) in the electrolytic reaction time t (s) is expressed by the equation (4). In the equation (4), i (0) is a current value flowing through the working electrode 3 when t = 0, and p is a reaction rate constant (1 / s).
i (t) = i (0) exp (-pt) (4)
Moreover, the reaction rate constant p can be calculated | required by (5) Formula. In Equation (5), m is a mass transfer constant, A w is the surface area of the working electrode (same in both Example 1 and Comparative Example 1), and V is the sample volume.
p = mA w / V (5)
From the equation (4), the reaction rate constant p can be obtained by the equation (6).
p = ln [i (0) / i (t)] / t (6)
Note that i (0) is a current value that flows through the working electrode 3 when t = 0, but in reality, the concentration distribution of the electrode reactive substance is instantaneously in the vicinity of the working electrode 3 after the start of electrolysis. As a result, the current value in this initial state is measured as i (0). Therefore, the higher the stirring state, the thinner the diffusion layer near the working electrode 3 at the start of electrolysis. As a result, the higher the stirring state, the higher i (0) is measured.

実施例1(及び比較例1)における反応速度定数pの算出においては、図3に示すように作用電極3における電流値の対数プロットを行い、t=50sにおける直線の傾きから反応速度定数pを求めた。   In the calculation of the reaction rate constant p in Example 1 (and Comparative Example 1), a logarithmic plot of the current value in the working electrode 3 is performed as shown in FIG. 3, and the reaction rate constant p is calculated from the slope of the straight line at t = 50 s. Asked.

図4に、実施例1、比較例1の条件で定電位電解を行った時の電流−時間曲線を示す。作用電極3を流れる電流は、定電位電解開始時には、試料S1中のFe(CN)6 4-濃度が高いので、このFe(CN)6 4-濃度に応じた酸化電流が大きく流れる。一方、酸化反応が進行すると、試料S1中のFe(CN)6 4-濃度が低くなるため、作用電極3を流れる酸化電流が小さくなる。そして、Fe(CN)6 4-がほぼFe(CN)6 3-に酸化されると、作用電極3を流れる電流は、残余電流と呼ばれ電流値0mAとはならないが、時間によらず一定値となる。この残余電流が測定される状態に至ると、全電解状態に到達したと判断される。 FIG. 4 shows a current-time curve when constant potential electrolysis was performed under the conditions of Example 1 and Comparative Example 1. Since the current flowing through the working electrode 3 has a high Fe (CN) 6 4− concentration in the sample S1 at the start of constant potential electrolysis, an oxidation current corresponding to this Fe (CN) 6 4− concentration flows greatly. On the other hand, when the oxidation reaction proceeds, the Fe (CN) 6 4− concentration in the sample S1 decreases, so that the oxidation current flowing through the working electrode 3 decreases. When Fe (CN) 6 4- is almost oxidized to Fe (CN) 6 3- , the current flowing through the working electrode 3 is called a residual current and does not become a current value of 0 mA, but is constant regardless of time. Value. When this residual current is measured, it is determined that the entire electrolytic state has been reached.

図4に示すように、電解時間に対する電流値変化から全電解時間は、実施例1でt=140s、比較例1でt=190sであった。   As shown in FIG. 4, the total electrolysis time from the change in the current value with respect to the electrolysis time was t = 140 s in Example 1, and t = 190 s in Comparative Example 1.

図5に、実施例1、比較例1の条件で定電位電解を行った時の吸光度の反応時間に対する変化を示す。全電解が完了すると、この吸光度が一定値となる平衡吸光度に達することから、電解液10中のFe(CN)6 3-を選択的に特定可能な吸収波長である420nmの吸光度の反応時間に対する変化によっても、全電解状態に到達したかを判断できる。 In FIG. 5, the change with respect to reaction time of the light absorbency when performing constant potential electrolysis on the conditions of Example 1 and Comparative Example 1 is shown. When the total electrolysis is completed, the absorbance reaches an equilibrium absorbance at which the absorbance becomes a constant value. Therefore, the absorbance at 420 nm, which is an absorption wavelength capable of selectively specifying Fe (CN) 6 3− in the electrolytic solution 10, with respect to the reaction time. It can be determined whether the entire electrolytic state has been reached also by the change.

図5に示すように、平衡吸光度は、実施例1、比較例1ともに0.22と測定され、また、吸光度の時間変化から全電解時間は、実施例1でt=140s、比較例1でt=200sとなり、比較例1は、実施例1に対して、全電解までに約1.5倍の時間を要した。   As shown in FIG. 5, the equilibrium absorbance was measured to be 0.22 in both Example 1 and Comparative Example 1, and the total electrolysis time from the change in absorbance over time was t = 140 s in Example 1 and in Comparative Example 1. t = 200 s, and Comparative Example 1 took about 1.5 times longer than Example 1 to complete electrolysis.

以上のように、攪拌子13の長さのみを変えることにより攪拌Re数を変化させて電解速度を比較したところ、攪拌Re数が高い方が、反応速度定数pが大きく、全電解時間と平衡濃度到達時間ともに短くなり、電解速度が大きくなることが分かった。   As described above, when the electrolysis speed was compared by changing the stirring Re number only by changing the length of the stirrer 13, the higher the stirring Re number, the larger the reaction rate constant p, and the equilibrium with the total electrolysis time. It was found that the concentration arrival time was shortened and the electrolysis rate was increased.

なお、攪拌Re数の算出式から、攪拌子13の長さは、攪拌Re数に影響するが、攪拌子13は光透過性容器2の中で回転させるため、光透過性容器2の寸法の制約を受ける。そのため、攪拌子13の長さは、光透過性容器2の光路長(光透過性容器2の横断面が正方形である場合)よりも短いものを選択することとなる。   From the calculation formula of the stirring Re number, the length of the stirring bar 13 affects the stirring Re number. However, since the stirring bar 13 is rotated in the light transmissive container 2, the size of the light transmissive container 2 is determined. Limited. Therefore, the length of the stirrer 13 is selected to be shorter than the optical path length of the light transmissive container 2 (when the cross section of the light transmissive container 2 is square).

[実施例2]攪拌速度、攪拌Re数と電解速度の関係
実施例1の攪拌子13(φ2mm×7mm)の回転速度(以後、攪拌速度とする)、攪拌Re数が電解速度へ与える影響を評価した。実施例2では、攪拌子13の攪拌速度を、800rpm、1000rpm、1200rpm、1400rpmと変化させて定電位電解及び吸光光度測定を行った。なお、攪拌子13の攪拌速度と攪拌Re数以外の条件は、実施例1と同じ条件とした。
[Example 2] Relationship between stirring speed, number of stirring Re, and electrolysis speed The effect of the rotational speed of the stirrer 13 (φ2 mm × 7 mm) of Example 1 (hereinafter referred to as stirring speed) and the number of stirring Re on the electrolysis speed. evaluated. In Example 2, constant potential electrolysis and absorptiometry were performed by changing the stirring speed of the stirrer 13 to 800 rpm, 1000 rpm, 1200 rpm, and 1400 rpm. The conditions other than the stirring speed of the stirrer 13 and the number of stirring Re were the same as in Example 1.

表2に、各攪拌速度における測定条件及び測定結果(反応速度定数p、平衡吸光度とその到達時間、全電解時間)を示す。   Table 2 shows measurement conditions and measurement results (reaction rate constant p, equilibrium absorbance and arrival time, total electrolysis time) at each stirring speed.

Figure 0005714433
Figure 0005714433

表2に示すように、攪拌速度、攪拌Re数の上昇とともに、i(0)、反応速度定数pも上昇した。なお、実施例2における反応速度定数pの算出においては、図6に示すように作用電極3における電流値の対数プロットを行い、t=50sにおける直線の傾きから反応速度定数pを求めた。   As shown in Table 2, i (0) and reaction rate constant p increased with increasing stirring speed and Re Re number. In the calculation of the reaction rate constant p in Example 2, a logarithmic plot of the current value at the working electrode 3 was performed as shown in FIG. 6, and the reaction rate constant p was obtained from the slope of the straight line at t = 50 s.

図7に、攪拌子13の攪拌速度が異なる条件(攪拌Re数が異なる条件)で定電位電解を行った時の電流−時間曲線を示す。作用電極3を流れる電流が電解反応時間によらず一定値となる状態である全電解状態までに到達する時間(すなわち、全電解時間)は、攪拌Re数が950以下では、攪拌Re数の上昇とともに短くなるが、攪拌Re数が950以上(攪拌速度で約1000rpm相当以上)では、ほぼ一定となる結果が得られた。   FIG. 7 shows a current-time curve when constant potential electrolysis is performed under conditions where the stirring speed of the stirrer 13 is different (conditions where the stirring Re number is different). The time required for the current flowing through the working electrode 3 to reach a total electrolysis state in which the current is constant regardless of the electrolysis reaction time (that is, the total electrolysis time) is an increase in the stirring Re number when the stirring Re number is 950 or less. However, when the number of stirring Re was 950 or more (equivalent to about 1000 rpm or more at the stirring speed), the result was almost constant.

また、図8に攪拌Re数と反応速度定数pとの関係を整理した図を示す。図8から、攪拌Re数が950以上(攪拌速度で約1000rpm相当以上)であれば、反応速度定数pがほぼ0.270で一定となり、安定した電解反応が行えることが分かる。   FIG. 8 shows a chart in which the relationship between the number of stirring Re and the reaction rate constant p is arranged. From FIG. 8, it can be seen that when the number of stirring Re is 950 or more (equivalent to about 1000 rpm or more at stirring speed), the reaction rate constant p is constant at about 0.270, and stable electrolytic reaction can be performed.

図9に、電解液10の吸光度の電解反応時間に対する変化である吸光度−時間曲線を示す。図9に示すように、全電解が完了し吸光度が一定となる平衡吸光度到達時間は、攪拌Re数が950以上では同等の結果が得られたが、攪拌Re数が950以下では、攪拌Re数の低下とともに長くなった。   FIG. 9 shows an absorbance-time curve which is a change of the absorbance of the electrolytic solution 10 with respect to the electrolytic reaction time. As shown in FIG. 9, the equilibrium absorbance arrival time at which the total electrolysis is completed and the absorbance is constant was obtained when the stirring Re number was 950 or more, but when the stirring Re number was 950 or less, the stirring Re number was obtained. It became longer with the decline.

以上より、攪拌Re数が950より小さい(攪拌速度で約1000rpmより遅い)の場合、攪拌によるFe(CN)6 4-の作用電極3近傍への供給に律速され電解速度が遅くなると考えられる。一方、攪拌Re数が950以上(攪拌速度で約1000rpm以上)では、作用電極3の電解反応にのみに律速され、攪拌速度の違いによる変化がないものと考えられる。 From the above, it is considered that when the stirring Re number is smaller than 950 (the stirring speed is slower than about 1000 rpm), the rate of electrolysis is slowed by the rate of supply to the vicinity of the working electrode 3 of Fe (CN) 6 4- by stirring. On the other hand, when the number of stirring Re is 950 or more (the stirring speed is about 1000 rpm or more), it is considered that the rate is limited only by the electrolytic reaction of the working electrode 3 and there is no change due to the difference in the stirring speed.

[実施例3]電解液の液量と電解速度との関係
実施例3では、光透過性容器2に保持する電解液10の量(以後、電解液量とする)の違いによる電解速度の違いを評価した。実施例3では、電解液量を、1ml,1.2ml,1.5mlと変化させて定電位電解及び吸光光度測定を行った。なお、電解液量以外の条件は、攪拌子13(φ2mm×7mm)の攪拌速度を1400rpmとし、その他の条件を実施例1と同じ条件とした。表3に、各電解液量における測定条件及び測定結果(反応速度定数p、平衡吸光度とその到達時間、全電解時間)を示す。
[Example 3] Relationship between the amount of electrolytic solution and the rate of electrolysis In Example 3, the difference in electrolysis rate due to the difference in the amount of electrolytic solution 10 held in the light transmissive container 2 (hereinafter referred to as the amount of electrolytic solution) Evaluated. In Example 3, constant potential electrolysis and absorptiometry were performed with the amount of electrolyte changed to 1 ml, 1.2 ml, and 1.5 ml. The conditions other than the amount of the electrolytic solution were the same conditions as in Example 1 except that the stirring speed of the stirrer 13 (φ2 mm × 7 mm) was 1400 rpm. Table 3 shows the measurement conditions and the measurement results (reaction rate constant p, equilibrium absorbance and its arrival time, total electrolysis time) in each electrolytic solution amount.

なお、化学工学的には、攪拌条件の評価において電解液量を変化させることは、装置のスケ−ルアップまたはスケールダウンすることに相当する。そのため、実施例3での電解液量を変えた条件比較では、攪拌Re数を算出する際に、Re数の相似則にしたがって、攪拌子13の長さを計算上補正した上で、補正後の攪拌Re数(補正攪拌Re数)を求める必要がある。補正攪拌Re数は、次のようにして計算できる。   In terms of chemical engineering, changing the amount of the electrolyte in the evaluation of the stirring condition corresponds to scaling up or down of the apparatus. Therefore, in the condition comparison in which the amount of the electrolyte in Example 3 was changed, when calculating the stirring Re number, the length of the stirrer 13 was calculated and corrected after the correction according to the similarity rule of the Re number. It is necessary to determine the number of stirring Re (corrected stirring Re number). The corrected stirring Re number can be calculated as follows.

例えば、電解液量1(ml)の条件を基準として、電解液量1.2(ml)の補正攪拌Re数を求める。電解液量の比率をもとにスケ−ルアップの係数は、1.2/1.0=1.2となる。すなわち、電解液量1.2(ml)の攪拌条件において、電解液量1ml基準で攪拌子13の長さは、1/1.2倍に相当するので、7mm×(1/1.2)=5.8mmとして攪拌Re数の計算に使用すればよい。電解液量が1.5(ml)の場合も同様の方法で補正攪拌Re数を求めることができる。   For example, the corrected stirring Re number of the electrolyte amount of 1.2 (ml) is obtained based on the condition of the electrolyte amount of 1 (ml). Based on the ratio of the amount of electrolyte, the scale-up coefficient is 1.2 / 1.0 = 1.2. That is, the length of the stirrer 13 is equivalent to 1 / 1.2 times on the basis of 1 ml of the electrolytic solution amount under the stirring condition of the electrolytic solution amount of 1.2 (ml). Therefore, 7 mm × (1 / 1.2) What is necessary is just to use it for calculation of stirring Re number as = 5.8mm. When the amount of the electrolytic solution is 1.5 (ml), the corrected stirring Re number can be obtained by the same method.

Figure 0005714433
Figure 0005714433

表3に示すように、電解液量の減少とともに反応速度定数pの値が上昇している。なお、実施例における反応速度定数pの算出においては、図10に示すように作用電極3における電流値の対数プロットを行い、t=50sにおける直線の傾きから反応速度定数pを求めた。   As shown in Table 3, the value of the reaction rate constant p increases as the amount of the electrolytic solution decreases. In the calculation of the reaction rate constant p in the examples, a logarithmic plot of the current value in the working electrode 3 was performed as shown in FIG. 10, and the reaction rate constant p was obtained from the slope of the straight line at t = 50 s.

図11に、電解液量が異なる条件で定電位電解を行った時の電流−時間曲線を示す。図11に示すように、電解液量が増加すると、作用電極3を流れる電流値の減少速度が低下する。   FIG. 11 shows a current-time curve when constant potential electrolysis is performed under conditions where the amount of the electrolytic solution is different. As shown in FIG. 11, when the amount of the electrolytic solution increases, the decreasing rate of the current value flowing through the working electrode 3 decreases.

図12に、電解液10の吸光度の電解反応時間に対する変化である吸光度−時間曲線を示す。図12に示すように、吸光度が一定となる時間(すなわち、全電解が完了する時間)は、電解液量1ml,1.2ml,1.5mlの順に長くなった。   FIG. 12 shows an absorbance-time curve that is a change of the absorbance of the electrolytic solution 10 with respect to the electrolytic reaction time. As shown in FIG. 12, the time for the absorbance to become constant (that is, the time for complete electrolysis) became longer in the order of 1 ml, 1.2 ml, and 1.5 ml of the electrolyte solution.

以上のことは、表3の補正攪拌Re数を比較することにより説明される。すなわち、攪拌子13の長さと攪拌速度とを同じとした場合、電解液量の増加にしたがい、補正攪拌Re数が低下することから、反応速度定数、平衡吸光度到達時間、全電解時間などの数値は、攪拌Re数が低下することに対応した値となっている。   The above is explained by comparing the corrected stirring Re numbers in Table 3. That is, when the length of the stirrer 13 and the stirring speed are the same, the number of corrected stirring Re decreases as the amount of the electrolytic solution increases, so that numerical values such as the reaction rate constant, the equilibrium absorbance arrival time, the total electrolysis time, etc. Is a value corresponding to a decrease in the stirring Re number.

上記の考え方は、図8で示した攪拌Re数と反応速度定数pの関係と同様に、表3の補正攪拌Re数に対する反応速度定数pとの関係は、おおよそ近似曲線上にプロットできる。このことから、補正攪拌Re数によって、電解液量を最適化することが可能である。   Based on the above concept, the relationship between the number of Re stirring and the reaction rate constant p shown in FIG. 8 can be plotted on an approximate curve. From this, it is possible to optimize the amount of electrolyte by the corrected stirring Re number.

以上のことから、電解液10の液量変化は、攪拌状態に影響を及ぼすため注意する必要がある。そして、光透過性容器2に保持する電解液10の液量を増減したとしても、補正攪拌Re数を基づいて、十分な攪拌となるように測定条件を修正することで分析の精度や効率を維持した測定が可能となる。   From the above, it should be noted that the change in the amount of the electrolytic solution 10 affects the stirring state. And even if the amount of the electrolytic solution 10 held in the light transmissive container 2 is increased or decreased, the measurement conditions are modified so that sufficient agitation can be achieved based on the corrected agitation Re number, thereby improving the accuracy and efficiency of the analysis. Maintained measurement is possible.

なお、光透過性容器2に保持される電解液10の液量は、電解セル1における吸光度測定に支障がなく、且つ封止部材9に設けられる対電極5などの電極類が電解液10に浸漬される量が少なくとも必要である。   Note that the amount of the electrolyte solution 10 held in the light transmissive container 2 has no problem in measuring the absorbance in the electrolytic cell 1, and the electrodes such as the counter electrode 5 provided in the sealing member 9 are in the electrolyte solution 10. At least the amount to be immersed is necessary.

[実施例4]対電極面積とバルク電解速度の関係
対電極5の表面積(対電極5のうち電解液10に浸漬され、電極反応が起こりうる部分の表面積(浸漬面積))の違いによる電解速度の違いを評価した。実施例4では、対電極5として白金線(φ1mm×1mm、表面積:0.039cm2)と白金網(10mm×40mm、厚さ:0.07mm、表面積:14.8cm2)とを用い、電解液量を1ml、攪拌子13の攪拌速度を1400rpm(攪拌Re数は1140)に設定した。その他の条件は、実施例1と同じ条件で定電位電解及び吸光光度測定を行った。実施例4では、対電極面積の影響が明らかとなるように対電極5の表面積を380倍とした。作用電極3は、対電極に白金線を用いた場合も白金網を用いた場合も、同一寸法の白金網(5mm×40mm、厚さ:0.14mm、表面積:14.8cm2)を用いた。よって、対電極5の表面積(浸漬面積)に対する作用電極3の表面積(浸漬面積)の比(作用電極面積/対電極面積)は、それぞれ、380,1となった。表4に実施例4における試験条件を示す。
[Example 4] Relationship between counter electrode area and bulk electrolysis rate Electrolysis rate due to difference in surface area of counter electrode 5 (surface area (immersion area) of a portion of counter electrode 5 that is immersed in electrolyte solution 10 and can undergo electrode reaction)) The difference was evaluated. In Example 4, a platinum wire (φ1 mm × 1 mm, surface area: 0.039 cm 2 ) and a platinum net (10 mm × 40 mm, thickness: 0.07 mm, surface area: 14.8 cm 2 ) were used as the counter electrode 5 and electrolysis was performed. The liquid amount was set to 1 ml, and the stirring speed of the stirring bar 13 was set to 1400 rpm (the number of stirring Re was 1140). Other conditions were the same as those in Example 1, and constant potential electrolysis and absorptiometry were performed. In Example 4, the surface area of the counter electrode 5 was set to 380 times so that the influence of the counter electrode area becomes clear. As the working electrode 3, a platinum mesh (5 mm × 40 mm, thickness: 0.14 mm, surface area: 14.8 cm 2 ) having the same dimensions was used regardless of whether a platinum wire was used for the counter electrode or a platinum mesh. . Therefore, the ratio of the surface area (immersion area) of the working electrode 3 to the surface area (immersion area) of the counter electrode 5 (working electrode area / counter electrode area) was 380 and 1, respectively. Table 4 shows the test conditions in Example 4.

Figure 0005714433
Figure 0005714433

図13に、各条件で定電位電解を行った時の電流−時間曲線を示す。図13に示すように、対電極5の表面積が大きくなると、作用電極3を流れる電流値の減少速度が低下する。   FIG. 13 shows a current-time curve when constant potential electrolysis is performed under each condition. As shown in FIG. 13, when the surface area of the counter electrode 5 increases, the rate of decrease in the current value flowing through the working electrode 3 decreases.

電解反応時間t=100sにおいて、実施例4の条件で得られた作用電極3を流れる電流値を1とした場合、比較例2の条件で得られた作用電極3を流れる電流値の相対値は3となり、対電極5の表面積の増加に伴い全電解にかかる時間が長くなることを示している。   In the electrolytic reaction time t = 100 s, when the current value flowing through the working electrode 3 obtained under the conditions of Example 4 is 1, the relative value of the current value flowing through the working electrode 3 obtained under the conditions of Comparative Example 2 is 3, indicating that the time required for total electrolysis increases as the surface area of the counter electrode 5 increases.

図14に、電解液10の吸光度の電解反応時間に対する変化である吸光度−時間曲線を示す。図14に示すように、t=100sにおいて、対電極5の表面積が0.039cm2の場合の条件で電解した場合の吸光度を1とすると、対電極5の表面積が14.8cm2の場合の条件で電解した場合の吸光度は0.87となり、対電極5の面積の増加に伴い全電解する時間が長くなることを示している。 In FIG. 14, the light absorbency-time curve which is a change with respect to the electrolysis reaction time of the light absorbency of the electrolyte solution 10 is shown. As shown in FIG. 14, in t = 100s, to surface area of the electrode 5 when the absorbance is 1 in the case of electrolysis condition in the case of 0.039 cm 2, the surface area of the counter electrode 5 is in the case of 14.8 cm 2 When the electrolysis is performed under the conditions, the absorbance is 0.87, which indicates that the total electrolysis time becomes longer as the area of the counter electrode 5 increases.

これは、対電極5面積が小さい場合(白金線を用いた場合)、対電極5では、水素イオンが主に還元されているのに対して、対電極5の面積が大きい場合(白金網を用いた場合)、作用電極3で生成した電極反応活性物質Fe(CN)6 3-が再還元されFe(CN)6 4-となり、再度、作用電極3で酸化されているものと考えられる。なお、いずれの条件においても、定電位電解及び吸光光度測定が支障なく行うことができた。 This is because when the counter electrode 5 area is small (when a platinum wire is used), hydrogen ions are mainly reduced in the counter electrode 5 whereas the counter electrode 5 has a large area (platinum network). It is considered that the electrode reaction active substance Fe (CN) 6 3- produced at the working electrode 3 is reduced again to Fe (CN) 6 4- and oxidized again at the working electrode 3. Under any condition, constant potential electrolysis and absorptiometric measurement could be performed without any trouble.

以上より、対電極5の表面積は、作用電極3の表面積と比較して小さいほど、作用電極3の電極反応への影響を低減できる。一方、対電極5の表面積を小さくしすぎると、溶液の電解などの理由により対電極5表面で気泡が多量発生し、対電極5表面が気泡で覆われてしまい、対電極5と電解液10との接触が断たれる可能性が生じる。よって、作用電極面積/対電極面積は、380以下、より好ましくは、380以下1以上とすると作用電極3と対電極5との間に隔膜などを用いなくても電解セルの電解反応を測定することができる。なお、後述の実施形態2のように、作用電極3と対電極5との間に隔膜などを設けた場合には、対電極5の表面積を大きくした場合でも、作用電極3に影響が及びにくい。よって、作用電極3と対電極5との間に隔膜を設けた場合には、対電極5の表面積は、発生する気泡の影響を受けない程度の大きさとするとよい。   From the above, the influence of the working electrode 3 on the electrode reaction can be reduced as the surface area of the counter electrode 5 is smaller than the surface area of the working electrode 3. On the other hand, if the surface area of the counter electrode 5 is made too small, a large amount of bubbles are generated on the surface of the counter electrode 5 for reasons such as electrolysis of the solution, and the surface of the counter electrode 5 is covered with the bubbles. There is a possibility that contact with the Therefore, when the working electrode area / counter electrode area is 380 or less, more preferably 380 or less and 1 or more, the electrolytic reaction of the electrolytic cell is measured without using a diaphragm or the like between the working electrode 3 and the counter electrode 5. be able to. In addition, when a diaphragm or the like is provided between the working electrode 3 and the counter electrode 5 as in the second embodiment described later, even when the surface area of the counter electrode 5 is increased, the working electrode 3 is hardly affected. . Therefore, when a diaphragm is provided between the working electrode 3 and the counter electrode 5, the surface area of the counter electrode 5 is preferably set to a size that is not affected by the generated bubbles.

[実施例5]酸化還元電位と反応電子数の測定
実施例5では、還元体として知られているFe(CN)6 4-に関して、標準酸化還元電位(式量電位E0’)と酸化還元反応に関与する反応電子数nを求めた。
[Example 5] Measurement of redox potential and number of reaction electrons In Example 5, with respect to Fe (CN) 6 4- known as a reductant, standard redox potential (formula potential E 0 ') and redox The number n of reaction electrons involved in the reaction was determined.

まず、0.25mmol/lのFe(CN)6 4-を含んだ0.1mol/lのリン酸緩衝液(pH7.0)を試料S2として光透過性容器2内に1.0ml保持した。 First, 1.0 ml of a 0.1 mol / l phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.25 mmol / l Fe (CN) 6 4- was held in the light transmissive container 2 as a sample S2.

そして、窒素ガスにより試料S2の脱気処理を行った後、導入管7を介して試料S2内に窒素ガスをフローさせながら、作用電極3に対して140mV,180mV,220mV,260mVの電位(参照電極6を基準にした電位)を印加して定電位電解を行うとともに、紫外可視ダイオードアレイ分光光度計により波長250nm〜500nmにおける吸収スペクトルを測定した。   Then, after the sample S2 is degassed with nitrogen gas, potentials of 140 mV, 180 mV, 220 mV, and 260 mV are applied to the working electrode 3 while flowing the nitrogen gas into the sample S2 through the introduction pipe 7 (see (Potential based on the electrode 6) was applied to perform constant potential electrolysis, and an absorption spectrum at a wavelength of 250 nm to 500 nm was measured with an ultraviolet-visible diode array spectrophotometer.

図15の特性図に示すように、Fe(CN)6 4-とFe(CN)6 3-の酸化還元対のうち、酸化体であるFe(CN)6 3-を特定するピーク波長である波長420nmにおける吸光度から、設定した印加電圧に応じて吸収ピ−クが変化することが読み取れる。 As shown in the characteristic diagram of FIG. 15, it is a peak wavelength that identifies Fe (CN) 6 3- that is an oxidant among redox pairs of Fe (CN) 6 4- and Fe (CN) 6 3-. It can be read from the absorbance at a wavelength of 420 nm that the absorption peak changes according to the set applied voltage.

次に、各電位で測定された波長420nmの吸収スペクトル変化から、Lambert−Beerの法則に基づいて、[Fe(CN)6 3-]と[Fe(CN)6 4-]との濃度比([O]/[R])を算出し、(1)式に基づいて[O]/[R]と作用電極3の電極電位とのネルンストプロットを求めた。図16にネルンストプロットを示す。 Next, the concentration ratio of [Fe (CN) 6 3− ] and [Fe (CN) 6 4− ] based on Lambert-Beer's law from the change in absorption spectrum at a wavelength of 420 nm measured at each potential ( [O] / [R]) was calculated, and a Nernst plot of [O] / [R] and the electrode potential of the working electrode 3 was obtained based on the equation (1). FIG. 16 shows a Nernst plot.

図16に示した結果においてネルンスト解析を行い、その回帰式の切片からFe(CN)6 4-の式量電位E0’は210mV(SHE基準で換算(Ag/AgCl基準の電位に約197mVを足して換算)すると約407mV)であり、回帰式の傾きから反応電子数nは1であった。これら各数値は文献(例えば、非特許文献4)値と略一致した。 In the result shown in FIG. 16, Nernst analysis was performed, and from the intercept of the regression equation, the formula quantity potential E 0 ′ of Fe (CN) 6 4− was 210 mV (converted on the basis of SHE (approximately 197 mV on the Ag / AgCl reference potential). The total number of reaction electrons n was 1 from the slope of the regression equation. Each of these numerical values substantially coincided with literature (for example, non-patent literature 4) values.

ゆえに、本実施形態に係る電解セル1によれば、酸化還元種のどちらかを選択的に特定可能な吸収ピ−ク波長が存在する場合、分光電気化学法を適用して標準酸化還元電位(すなわち、式量電位E0’)、反応電子数nを測定でき、その測定値は十分な測定精度を有することが確認できた。 Therefore, according to the electrolytic cell 1 according to the present embodiment, when there is an absorption peak wavelength capable of selectively specifying either of the redox species, the spectroelectrochemical method is applied to apply the standard redox potential ( That is, the formula potential E 0 ′) and the number of reaction electrons n could be measured, and the measured values were confirmed to have sufficient measurement accuracy.

(実施形態2)
本発明の実施形態2に係る電解セル11の概略側面図を図17に示す。本発明の実施形態2に係る電解セル11は、実施形態1に係る電解セル1の対電極5をガラスフィルタ12aを介して電解液10と電気的に連結してなる対極室12に設けたこと以外は、実施形態1に係る電解セル1と同様である。よって、実施形態1に係る電解セル1と同様の構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 17 shows a schematic side view of the electrolysis cell 11 according to Embodiment 2 of the present invention. The electrolytic cell 11 according to Embodiment 2 of the present invention is provided in the counter electrode chamber 12 formed by electrically connecting the counter electrode 5 of the electrolytic cell 1 according to Embodiment 1 with the electrolytic solution 10 through the glass filter 12a. Except for this, it is the same as the electrolytic cell 1 according to Embodiment 1. Therefore, the same code | symbol is attached | subjected about the structure similar to the electrolytic cell 1 which concerns on Embodiment 1, and detailed description is abbreviate | omitted.

図17に示すように、実施形態2に係る電解セル11は、光透過性容器2、攪拌子13、作用電極3、作用電極固定枠体4、対電極5、対極室12、封止部材9を備える。   As shown in FIG. 17, the electrolytic cell 11 according to the second embodiment includes a light transmissive container 2, a stirrer 13, a working electrode 3, a working electrode fixing frame 4, a counter electrode 5, a counter electrode chamber 12, and a sealing member 9. Is provided.

対極室12は、円筒状のガラス管の一端にガラスフィルタ12aを設けて構成される。この対極室12には電解液(例えば、電極反応活性物質を含まないこと以外は電解液10と同じ組成の電解液)が保持され、この電解液に対電極5を浸漬した状態で、対極室12が電解液10に浸漬される。つまり、対極室12は、ガラスフィルタ12aを介して電解液10と電気的に連結される。   The counter electrode chamber 12 is configured by providing a glass filter 12a at one end of a cylindrical glass tube. The counter electrode chamber 12 holds an electrolyte solution (for example, an electrolyte solution having the same composition as the electrolyte solution 10 except that the electrode reaction active substance is not included), and the counter electrode chamber is immersed in the electrolyte solution. 12 is immersed in the electrolytic solution 10. That is, the counter electrode chamber 12 is electrically connected to the electrolyte solution 10 through the glass filter 12a.

次に、電解セル11を用いて、実施例6、7に示すように種々の試料に関して定電位電解による分析を行った。なお、実施例6、7の電解セル11において、光透過性容器2にはジーエルサイエンス社製の石英セル(二面石英製コード6210−11006、光路長10mm)、作用電極3にはニラコ社製の白金網(φ0.07mm、100メッシュ)を10mm×40mm、厚さ:0.07mm、表面積:14.8cm2の形状に切断し、この白金網を折り曲げて5mm×40mm、厚さ:0.14mm、表面積:14.8cm2としたもの、作用電極固定枠体4にはピーク樹脂から成るもの、対電極5には直径1mmの白金線を被覆し、先端10mmのみ露出させたもの、対極室12には、直径3mmのガラス管内にテトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェイト(TBAHFP)を0.1mol/l含む1,2−ジクロロエタン溶液を保持したもの、参照電極6にはTBAHFPを0.1mol/l含む1,2−ジクロロエタン溶液に銀線を浸漬させたAg電極、導入管7、排出管8には直径1mmのガラス管、封止部材9にはピーク樹脂から成るものを用いた。電解液10の撹拌はジーエルサイエンス社製の撹拌子13(MC−7 φ2mm×7mm)とマグネチックスターラーを用いて行った。 Next, using the electrolytic cell 11, various samples were analyzed by constant potential electrolysis as shown in Examples 6 and 7. In the electrolytic cells 11 of Examples 6 and 7, the light transmissive container 2 is a quartz cell manufactured by GL Sciences (double-faced quartz code 6210-11006, optical path length 10 mm), and the working electrode 3 is manufactured by Niraco. The platinum mesh (φ0.07 mm, 100 mesh) was cut into a shape of 10 mm × 40 mm, thickness: 0.07 mm, surface area: 14.8 cm 2 , and the platinum mesh was bent to 5 mm × 40 mm, thickness: 0.00. 14 mm, surface area: 14.8 cm 2 , working electrode fixed frame 4 made of peak resin, counter electrode 5 covered with a 1 mm diameter platinum wire, and only 10 mm tip exposed, counter electrode chamber 12, a 1,2-dichloroethane solution containing 0.1 mol / l of tetrabutylammonium hexafluorophosphate (TBAHFP) was held in a glass tube having a diameter of 3 mm. The reference electrode 6 is an Ag electrode in which a silver wire is immersed in a 1,2-dichloroethane solution containing 0.1 mol / l of TBAHFP, the introduction tube 7 and the discharge tube 8 are a glass tube having a diameter of 1 mm, and a sealing member 9 was made of a peak resin. Stirring of the electrolytic solution 10 was performed using a stirring bar 13 (MC-7 φ2 mm × 7 mm) manufactured by GL Science and a magnetic stirrer.

[実施例6]非水溶媒での分光電気化学測定
実施例6では、0.02mmol/lのテトラシアノキノジメタン(TCNQ)と0.1mol/lのテトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェイト(TBAHFP)を含む1,2−ジクロロエタン溶液を試料S3として光透過性容器2内に1.0ml保持した。
[Example 6] Spectroelectrochemical measurement in a non-aqueous solvent In Example 6, 0.02 mmol / l tetracyanoquinodimethane (TCNQ) and 0.1 mol / l tetrabutylammonium hexafluorophosphate (TBAHFP) 1.0 ml of the 1,2-dichloroethane solution containing was stored as a sample S3 in the light transmissive container 2.

そして、窒素ガスにより試料S3の脱気処理を行った後、光透過性容器2に攪拌子13(φ2mm×7mm)を入れ、1400rpmで回転させて電解液10を攪拌した。なお、この時の攪拌Re数は1554であり、十分な攪拌状態であった。そして、導入管7を介して試料S3内に窒素ガスをフローさせながら、作用電極3に対して0.1Vの電位(参照電極6(Ag/Ag+)を基準にした電位)を印加することにより定電位電解を行うとともに、その電解時の作用電極3における電流変化を測定した。定電位電解により、TCNQは還元されてTCNQ-・となった。さらに、定電位電解中に、試料S3に対して波長300〜1000nmの吸光度を測定した。 Then, after degassing the sample S3 with nitrogen gas, the stirrer 13 (φ2 mm × 7 mm) was placed in the light transmissive container 2 and rotated at 1400 rpm to stir the electrolyte solution 10. At this time, the number of stirring Re was 1554, which was a sufficient stirring state. Then, a potential of 0.1 V (potential based on the reference electrode 6 (Ag / Ag + )) is applied to the working electrode 3 while flowing nitrogen gas into the sample S3 through the introduction tube 7. Was used to perform constant-potential electrolysis, and the change in current at the working electrode 3 during the electrolysis was measured. TCNQ was reduced to TCNQ − · by constant potential electrolysis. Furthermore, the light absorbency of wavelength 300-1000nm was measured with respect to sample S3 during constant potential electrolysis.

また、実施例6の比較例として、対極室12を設けず、直接電解液10に対電極5(直径1mmの白金線を被覆し、先端10mmのみ露出させたもの)を浸漬して、実施例6と同じ条件で定電位電解及び吸光光度測定を行い比較例2とした。   Further, as a comparative example of Example 6, the counter electrode chamber 12 was not provided, and the counter electrode 5 (a platinum wire having a diameter of 1 mm was covered and only the tip 10 mm was exposed) was directly immersed in the electrolytic solution 10. A constant potential electrolysis and absorptiometric measurement were performed under the same conditions as in Example 6 to obtain Comparative Example 2.

図18に、実施例6、比較例2の条件で定電位電解を行った時の電流−時間曲線を示す。図18に示すように、実施例6の条件(対極室12あり)と比較して、比較例2の条件(対極室12なし)で電解を行うと、電流値の減少速度が遅くなった。電解反応時間t=100sにおいて、対極室12がある場合に作用電極3を流れる電流を1とすると、対極室12がない場合に作用電極3を流れる電流の相対値は9となった。すなわち、対極室12を設けることで、全電解に必要とされる時間が短くなった。   FIG. 18 shows a current-time curve when constant potential electrolysis was performed under the conditions of Example 6 and Comparative Example 2. As shown in FIG. 18, when the electrolysis was performed under the condition of Comparative Example 2 (without the counter electrode chamber 12) as compared with the condition of Example 6 (with the counter electrode chamber 12), the rate of decrease in the current value was slow. In the electrolytic reaction time t = 100 s, when the current flowing through the working electrode 3 is 1 when the counter electrode chamber 12 is present, the relative value of the current flowing through the working electrode 3 when the counter electrode chamber 12 is absent is 9. That is, providing the counter electrode chamber 12 shortened the time required for total electrolysis.

図19に、実施例6、比較例2の条件で定電位電解を行った時の吸光度の反応時間に対する変化を示す。電解液10中の酸化還元種であるTCNQとTCNQ-・のうち、TCNQ-・だけが、850nmに吸収ピークを有する。TCNQを含む電解液10を定電位電解すると、電解時間の経過とともに電解液10のTCNQ-・の濃度が上昇するので、電解液10に対する波長850nmの吸光度は時間とともに上昇し、全電解が完了すると一定値となる。図19に示すように、実施例6、比較例2の条件で定電位電解を行った場合の吸光度の時間変化はほぼ同じ挙動を示した。 In FIG. 19, the change with respect to the reaction time of the light absorbency when constant potential electrolysis was performed on the conditions of Example 6 and Comparative Example 2 is shown. Of TCNQ and TCNQ − · which are redox species in the electrolyte solution 10 , only TCNQ − · has an absorption peak at 850 nm. When the electrolytic solution 10 containing TCNQ is electrolyzed at a constant potential , the concentration of TCNQ − in the electrolytic solution 10 increases with the lapse of electrolysis time. Therefore, the absorbance at a wavelength of 850 nm with respect to the electrolytic solution 10 increases with time, and all electrolysis is completed. It becomes a constant value. As shown in FIG. 19, the time change of the absorbance when the constant potential electrolysis was performed under the conditions of Example 6 and Comparative Example 2 showed almost the same behavior.

以上のように、対極室12がある場合(実施例6)と対極室12がない場合(比較例2)とを比較すると、分光法による測定値には変化がなかったが、電流値の減少速度は、対極室12を設けることで顕著に減少した。これは、試料S3の定電位電解反応において、対電極5で1,2−ジクロロエタンまたはTBAHFPの電解によって生成した物質が、作用電極3でTCNQが電解されて生成したTCNQ-・と反応することに起因するものと考えられる。すなわち、実施例6の場合には、対電極5の反応で生成した生成物は、試料中に拡散することなく対極室12にとどまるが、比較例2の場合には、対極室12がないので生成物が拡散してTCNQ-・と反応したためと考えられる。 As described above, when the counter electrode chamber 12 is present (Example 6) and when the counter electrode chamber 12 is not present (Comparative Example 2), the measured value by the spectroscopic method is not changed, but the current value decreases. The speed was significantly reduced by providing the counter electrode chamber 12. This is because a substance generated by electrolysis of 1,2-dichloroethane or TBAHFP at the counter electrode 5 reacts with TCNQ generated by electrolysis of TCNQ at the working electrode 3 in the constant potential electrolysis reaction of the sample S3. It is thought to be caused. That is, in the case of Example 6, the product generated by the reaction of the counter electrode 5 remains in the counter electrode chamber 12 without diffusing into the sample, but in the case of Comparative Example 2, there is no counter electrode chamber 12. presumably because it reacted with & - product TCNQ diffuse.

ゆえに、対電極5での反応生成物が作用電極3の反応に影響を及ぼす場合には、対電極5を対極室12内に設けることで、対電極5の反応生成物が作用電極3での反応に及ぼす影響を防止することができる。   Therefore, when the reaction product at the counter electrode 5 affects the reaction of the working electrode 3, the counter electrode 5 is provided in the counter electrode chamber 12. The influence on the reaction can be prevented.

[実施例7]実施形態2に係る電解セルと薄層型分光電気化学セルとの比較
実施例7では、実施形態2に係る電解セル11と、図21(A),(B)を参照して説明した従来技術に係る薄層型分光電気化学セル80(比較例3)との比較を行った。
[Example 7] Comparison of electrolytic cell according to Embodiment 2 and thin-layered spectroelectrochemical cell In Example 7, the electrolytic cell 11 according to Embodiment 2 and FIGS. 21A and 21B were referred to. Comparison was made with the thin-layered spectroelectrochemical cell 80 (Comparative Example 3) according to the prior art described above.

実施例7において、定電位電解の条件は、実施例6と同様の条件で行った。また、比較例3の薄層型分光電気化学セル80において、薄層型分光電気化学セルに1.0mmol/lのテトラシアノキノジメタン(TCNQ)と0.1mol/lのテトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェイト(TBAHFP)を含む1,2−ジクロロエタン溶液を試料S4として用意し、この試料S4の定電位電解を行った。   In Example 7, the constant-potential electrolysis conditions were the same as in Example 6. Further, in the thin-layer spectroelectrochemical cell 80 of Comparative Example 3, 1.0 mmol / l tetracyanoquinodimethane (TCNQ) and 0.1 mol / l tetrabutylammonium hexafluoro were added to the thin-layer spectroelectrochemical cell. A 1,2-dichloroethane solution containing phosphate (TBAHFP) was prepared as Sample S4, and constant potential electrolysis of Sample S4 was performed.

実施形態2に係る電解セル11の光路長が10mmに対して、薄層型分光電気化学セル80の光路長が0.2mmであるので、同じ吸光度を得るためには、理論上50倍高い濃度が必要となる。よって、実施例7のTCNQ濃度と比較して、比較例3のTCNQの濃度を50倍とした。   Since the optical path length of the electrolysis cell 11 according to Embodiment 2 is 10 mm and the optical path length of the thin-layer spectroelectrochemical cell 80 is 0.2 mm, the concentration is theoretically 50 times higher to obtain the same absorbance. Is required. Therefore, the TCNQ concentration of Comparative Example 3 was 50 times that of the TCNQ concentration of Example 7.

図20に、実施例7及び比較例3の条件でバルク電解反応を行った場合の分光測定の測定結果を示す。バルク全電解反応が完了したことは、定電位電解反応において、作用電極3に流れる電流の時間変化がほぼ0となった場合をTCNQのほぼ全量がTCNQ-・に還元されたものと判断した。 In FIG. 20, the measurement result of the spectroscopic measurement at the time of performing bulk electrolytic reaction on the conditions of Example 7 and Comparative Example 3 is shown. Completion of the bulk total electrolysis reaction was determined that almost all of the TCNQ was reduced to TCNQ when the time change of the current flowing through the working electrode 3 in the constant potential electrolysis reaction was almost zero.

図20に示すように、TCNQ-・を特定する選択波長である850nmの吸光度を比較すると、実施例7では、吸光度が1.2であるのに対して、比較例3では、0.4となっている。これは、比較例4では、薄層型分光電気化学セル80に保持される電解液が攪拌されていないため、作用電極近傍の酸化還元種のみしか電解されていないことを示している。つまり、薄層型分光電気化学セル80においては、全酸化還元種のおよそ30%程度しか電解されていないと考えられる。 As shown in FIG. 20, when comparing the absorbance at 850 nm, which is the selected wavelength for identifying TCNQ −, the absorbance in Example 7 is 1.2, while that in Comparative Example 3 is 0.4. It has become. This indicates that in Comparative Example 4, since the electrolytic solution held in the thin-layer spectroelectrochemical cell 80 is not stirred, only the redox species near the working electrode are electrolyzed. That is, in the thin layer type spectroelectrochemical cell 80, it is considered that only about 30% of all redox species are electrolyzed.

以上、具体的な実施例を挙げて説明したように、本発明の電解セルによれば、精度の高い電気化学測定と、分光測定を行うことができる。   As described above, as described with reference to specific examples, according to the electrolysis cell of the present invention, highly accurate electrochemical measurement and spectroscopic measurement can be performed.

そして、分光測定用のセル(例えば、横断面形状10mm角)を用いることにより、光路長が長く、モル吸光係数の小さい試料でも低濃度で測定することができる。なお、分光測定用のセルの形状は、測定対象物質のモル吸光係数と試料濃度とを考慮し、測定誤差が少なくなり、かつ、電解液の十分な攪拌が可能であることを条件に適宜選択可能であり、分光測定用のセルの光路長を10mmに限定するものではない。   By using a spectroscopic measurement cell (for example, a cross-sectional shape of 10 mm square), a sample having a long optical path length and a small molar extinction coefficient can be measured at a low concentration. Note that the shape of the cell for spectroscopic measurement is appropriately selected in consideration of the molar extinction coefficient of the substance to be measured and the sample concentration, under the condition that the measurement error is reduced and the electrolyte can be sufficiently stirred. The optical path length of the spectroscopic measurement cell is not limited to 10 mm.

また、セル寸法や攪拌子の長さ、電解液の種類や量を変更する場合には、攪拌レイノルズ数を基に、実施例3で行ったような化学工学の手法によって、スケールアップあるいはスケールダウンによって電解セルの諸条件を算出できる。   In addition, when changing the cell size, the length of the stirrer, and the type and amount of the electrolytic solution, the scale-up or the scale-down is performed by the chemical engineering method as in Example 3 based on the stirring Reynolds number. Thus, various conditions of the electrolytic cell can be calculated.

そして、電解反応中に、電解セルに保持される電解液を攪拌する攪拌手段を備えることにより、迅速なバルク全電解を行うことができる。その場合、攪拌Re数950以上の攪拌条件にて電解反応を行うと、迅速に電解反応を行うことができる。また、電解液を攪拌することにより、電解液中の電解生成物(電解反応物)が均一に分布するため、光路上に電極を配置する必要がなくなる。その結果、試料に応じた電極(例えば、白金、金、カーボンなど)や電極構造を選択することが可能となる。この撹拌により、物質(酸化還元種)移動を促進させることができるとともに、攪拌速度を一定とすることで、作用電極への物質(酸化還元種)移動を一定にすることができる。その結果、電極近傍において拡散の影響を抑制し、精度良く式量電位EO’を測定することができる。 And by providing the stirring means which stirs the electrolyte solution hold | maintained at an electrolytic cell during an electrolytic reaction, rapid bulk electrolysis can be performed. In that case, when the electrolytic reaction is performed under the stirring condition with a stirring Re number of 950 or more, the electrolytic reaction can be rapidly performed. Moreover, since the electrolytic product (electrolytic reaction product) in the electrolytic solution is uniformly distributed by stirring the electrolytic solution, it is not necessary to arrange an electrode on the optical path. As a result, it becomes possible to select an electrode (for example, platinum, gold, carbon, etc.) or an electrode structure according to the sample. By this stirring, the movement of the substance (redox species) can be promoted, and the movement of the substance (redox species) to the working electrode can be made constant by making the stirring speed constant. As a result, the influence of diffusion can be suppressed in the vicinity of the electrode, and the expression potential E O ′ can be measured with high accuracy.

すなわち、光路長を長くすることで、吸光特性の小さい物質の測定を可能とし、且つ、電解液を攪拌することで、電解反応時間を短縮することができる。   That is, by increasing the optical path length, it is possible to measure a substance having a small light absorption characteristic, and it is possible to shorten the electrolytic reaction time by stirring the electrolytic solution.

また、本発明の電解セルは、作用電極を固定する作用電極固定枠体を、光透過性容器に装入する構成であるので、作用電極を光透過性容器の所定の箇所に容易に設けることができる。さらに、作用電極固定枠体により、光透過性容器の角部を閉塞し、光透過容器の中央部(すなわち、分光測定を行う部位)に電解液を保持することができる。よって、光透過性容器に保持される電解液量を減らした場合にも、精度よく分光測定を行うことができる。なお、光透過性容器に保持する電解液量を低減することにより、全電解反応に必要とされる時間を短縮することができる。   Moreover, since the electrolysis cell of this invention is the structure which inserts the working electrode fixing frame which fixes a working electrode in a light transmissive container, a working electrode is easily provided in the predetermined location of a light transmissive container. Can do. Furthermore, the working electrode fixing frame can block the corners of the light transmissive container, and can hold the electrolytic solution in the central part of the light transmissive container (that is, the part where the spectroscopic measurement is performed). Therefore, even when the amount of the electrolyte solution held in the light transmissive container is reduced, the spectroscopic measurement can be performed with high accuracy. In addition, the time required for the whole electrolysis reaction can be shortened by reducing the amount of the electrolyte solution retained in the light transmissive container.

また、作用電極固定枠体の下部に、電解液を攪拌する攪拌子のガイドを形成することにより、長い攪拌子を用いた場合や攪拌子の回転速度を上昇させた場合においても、攪拌子を良好に回転させることができる。すなわち、攪拌子の攪拌速度を上昇させた場合、ガイドによって攪拌子が良好に回転するので、電解反応を迅速に行うことができる。さらに、攪拌子が設けられる場所は、光透過性を必要としない部分であるため、分光測定を行うことに支障は生じない。よって、作用電極固定枠体の下部に攪拌子のガイドを形成することで、光透過性容器に余分な電解液を保持することを抑制して、より少ない電解液で分光測定を行うことができる。   In addition, by forming a stirrer guide that stirs the electrolyte under the working electrode fixing frame, the stirrer can be used even when a long stirrer is used or when the rotation speed of the stirrer is increased. It can be rotated well. That is, when the stirring speed of the stirrer is increased, the stirrer is rotated favorably by the guide, so that the electrolytic reaction can be performed quickly. Furthermore, since the place where the stirrer is provided is a portion that does not require light transmission, there is no problem in performing the spectroscopic measurement. Therefore, by forming a stirrer guide at the lower part of the working electrode fixing frame, it is possible to suppress the extra electrolyte solution from being held in the light-transmitting container and perform spectroscopic measurement with a smaller amount of electrolyte solution. .

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形及び修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形及び修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。   Although the present invention has been described in detail only for the specific examples described above, it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention. Such variations and modifications are naturally within the scope of the claims.

例えば、本実施形態の電解セルの電解反応において、ネルンスト解析を行って反応電子数(電気量)を求めることにより、電解反応に関与する物質の全モル数を算出することが可能となり、その電解セル(光透過性容器)が十分小さい構成(例えば、従来の電解セルと比較して十分小さい構成)であれば絶対微量定量を行うことも可能である。   For example, in the electrolytic reaction of the electrolytic cell of this embodiment, it is possible to calculate the total number of moles of a substance involved in the electrolytic reaction by performing a Nernst analysis and obtaining the number of reaction electrons (electric quantity). If the cell (light-transmitting container) has a sufficiently small structure (for example, a structure that is sufficiently small as compared with a conventional electrolytic cell), it is possible to perform absolute micro-quantification.

また、酸化還元測定対象となる酸化還元種(電極反応活性物質)は、実施例に限定されるものではなく、任意の酸化還元種において、酸化還元反応を検出することができる。また、酸化還元種において、酸化体のみ(若しくは、還元体のみ)に特有の吸収ピークを有するものであれば、その吸収ピークの波長の吸光度を測定することで、酸化体(若しくは、還元体)の濃度などを光学的測定により求めることができる。そして、攪拌レイノルズ数が950以上の攪拌条件で電解反応を行うことにより、任意の酸化還元種において、迅速に電解反応を行うことができる。   Further, the redox species (electrode reaction active substance) to be subjected to redox measurement is not limited to the example, and the redox reaction can be detected in any redox species. In addition, if the redox species has an absorption peak peculiar to only the oxidant (or only the reductant), the oxidant (or reductant) is measured by measuring the absorbance at the wavelength of the absorption peak. And the like can be obtained by optical measurement. Then, by performing an electrolytic reaction under a stirring condition having a stirring Reynolds number of 950 or more, an electrolytic reaction can be rapidly performed in any redox species.

また、電気化学分析では分析用途に応じて電解液の種類が変わるが、基本となる溶媒物性(粘度、密度)が明らかであれば、攪拌レイノルズ数の算出は可能であり、非水溶媒であっても攪拌Re数による攪拌状態の管理が可能である。   In electrochemical analysis, the type of electrolyte varies depending on the analytical application, but if the basic solvent properties (viscosity and density) are clear, the Stirling Reynolds number can be calculated. However, the stirring state can be managed by the stirring Re number.

また、作用電極の表面積に対して、対電極の表面積を十分小さくすることで、隔膜などを用いることなく、各種分光法を適用し、電解セルの分光電気化学測定を行うことができる。よって、その電解反応機構の解明、電解反応の制御などが容易(例えば、従来の電解セルと比較して容易)になる。   Further, by making the surface area of the counter electrode sufficiently small relative to the surface area of the working electrode, various spectroscopic methods can be applied and spectroelectrochemical measurement of the electrolytic cell can be performed without using a diaphragm. Therefore, elucidation of the electrolytic reaction mechanism, control of the electrolytic reaction, and the like are facilitated (for example, easier compared to conventional electrolytic cells).

作用電極の酸化還元反応が、対電極での反応生成物の影響を受ける場合には、支持電解液が水や非水溶媒にかかわらず、対極室を設けることにより、電解液の攪拌を妨げることなく、対電極での反応生成物の影響を低減させることができる。すなわち、対極室を設けることで、陽極反応生成物の陰極側への移動、陰極反応生成物の陽極側への移動を防止することができる。   When the oxidation / reduction reaction of the working electrode is affected by the reaction products at the counter electrode, the counter electrolyte chamber is prevented regardless of whether the supporting electrolyte is water or a non-aqueous solvent, thereby preventing stirring of the electrolyte. In addition, the influence of the reaction product at the counter electrode can be reduced. That is, by providing the counter electrode chamber, it is possible to prevent movement of the anode reaction product to the cathode side and movement of the cathode reaction product to the anode side.

そして、本発明の電解セル、電気化学合成方法、電気化学分析方法は、標準酸化還元電位の測定法、絶対微量定量法、ファインケミストリーを目指した新規電解合成法、作用電極に酸化還元酵素を固定したバイオ電極を用いて、生体反応特異性を付与したマイクロデバイス型電解セル、酸化還元酵素活性測定法に用いることができる。   The electrolytic cell, electrochemical synthesis method, and electrochemical analysis method of the present invention include standard redox potential measurement methods, absolute microquantitative methods, new electrolytic synthesis methods aimed at fine chemistry, and oxidoreductase is immobilized on the working electrode. The bioelectrode can be used for a microdevice-type electrolytic cell imparted with biological reaction specificity and a method for measuring oxidoreductase activity.

例えば、酸化還元酵素が固定化されたバイオ電極を作用電極として適用しマイクロデバイス型の電解セル(例えば、図1と同様の構成で、生体反応特異性を有する変換系ユニット)を構成することにより、前記の酵素に対する特異的な反応を起こす生体物質に関して、絶対微量定量を行うことが可能となる。さらにまた、酸化還元反応を起こし得る酵素であれば、その酵素の活性に関して分析することが可能となる。加えて、単一あるいは複数細胞の呼吸活性においても、微小な構成の電解セルを用いて酸素濃度を測定することにより分析が可能となる。   For example, by applying a bioelectrode on which an oxidoreductase is immobilized as a working electrode to form a microdevice-type electrolytic cell (for example, a conversion system unit having biological reaction specificity with the same configuration as in FIG. 1). Thus, it is possible to carry out absolute micro-quantification with respect to a biological substance that causes a specific reaction to the enzyme. Furthermore, an enzyme capable of causing a redox reaction can be analyzed for the activity of the enzyme. In addition, the respiratory activity of a single cell or a plurality of cells can be analyzed by measuring the oxygen concentration using an electrolytic cell with a minute structure.

1,11…電解セル
2…光透過性容器(電解液容器)
3…作用電極
4…作用電極固定枠体(枠体)
4a…ガイド
5…対電極
6…参照電極
7…導入管
8…排出管
9…封止部材
10…電解液
12…対極室
13…攪拌子(攪拌手段)
1, 11 ... Electrolytic cell 2 ... Light transmissive container (electrolyte container)
3 ... working electrode 4 ... working electrode fixed frame (frame)
4a ... guide 5 ... counter electrode 6 ... reference electrode 7 ... introducing tube 8 ... discharge tube 9 ... sealing member 10 ... electrolytic solution 12 ... counter electrode chamber 13 ... stirring bar (stirring means)

Claims (7)

電気化学測定及び分光法による測定に供される電解セルであって、
少なくとも対向する一対の側面が光透過性を有する電解液容器と、
前記電解液容器内の該電解液中に浸漬される作用電極が設けられ、前記電解液容器に挿設される枠体と、
前記電解液を攪拌する攪拌手段と、
前記電解液中に浸漬される対電極、及び参照電極と、
を有し、
前記枠体の端部に、前記攪拌手段のガイドを形成する
ことを特徴とする電解セル。
An electrolytic cell for electrochemical measurements and spectroscopic measurements,
An electrolyte container having at least a pair of side surfaces facing each other and having light permeability;
A working electrode immersed in the electrolytic solution in the electrolytic solution container is provided, and a frame body inserted into the electrolytic solution container;
Stirring means for stirring the electrolyte solution;
A counter electrode immersed in the electrolyte, and a reference electrode;
Have
An electrolysis cell , wherein a guide for the stirring means is formed at an end of the frame .
前記枠体に、前記作用電極を固定する固定溝を形成する
ことを特徴とする請求項1に記載の電解セル。
The electrolytic cell according to claim 1 , wherein a fixing groove for fixing the working electrode is formed in the frame.
前記対電極の浸漬面積に対する前記作用電極の浸漬面積の割合は、380以下である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電解セル。
3. The electrolytic cell according to claim 1, wherein a ratio of an immersion area of the working electrode to an immersion area of the counter electrode is 380 or less.
前記対電極の浸漬面積に対する前記作用電極の浸漬面積の割合は、1以上である
ことを特徴とする請求項3に記載の電解セル。
4. The electrolytic cell according to claim 3 , wherein a ratio of an immersion area of the working electrode to an immersion area of the counter electrode is 1 or more.
前記電解液容器内の電解液と隔膜を介して電気的に連結してなる対極室に前記対電極を設ける
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電解セル。
5. The electrolytic cell according to claim 1, wherein the counter electrode is provided in a counter electrode chamber electrically connected to the electrolyte in the electrolyte solution container via a diaphragm. 6. .
前記攪拌手段の攪拌速度は、1000rpm以上である
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電解セル。
The electrolysis cell according to any one of claims 1 to 5 , wherein the stirring speed of the stirring means is 1000 rpm or more.
前記電解液の攪拌レイノルズ数が950以上となるように、前記攪拌手段が前記電解液を攪拌する
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電解セル。
The electrolytic cell according to any one of claims 1 to 5 , wherein the stirring means stirs the electrolytic solution so that a stirring Reynolds number of the electrolytic solution is 950 or more.
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