JP6239412B2 - 酸化電極および電気化学装置 - Google Patents
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Description
図1乃至図4を用いて、本実施形態に係る酸化電極について説明する。本実施形態では、集電体101の表面に酸化触媒102が積層され、酸化触媒102の表面に窒素カチオン104を含む修飾有機分子105が形成される。これにより、反応効率の高い水の酸化反応を達成することができる。以下に、本実施形態について詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る酸化電極の構成を示す図である。
集電体101の表面に酸化触媒102を形成する方法としては、スパッタ法、蒸着法、またはALD(Atomic Layer Deposition)法等の既知の真空成膜方法、あるいは、電着または無電解メッキ等の既知の湿式成膜法が用いられる。また、酸化触媒102は、薄膜状に限らず、格子状、粒子状、またはワイヤー状であってもよい。
本実施形態では、集電体101の表面に酸化触媒102が積層され、酸化触媒102の表面に窒素カチオン104を含む修飾有機分子105が形成される。そして、酸化触媒102において、水の酸化反応が行われる。これにより、以下の効果を得ることができる。
以下に図5乃至図7を用いて、本実施形態に係る酸化電極を用いた光電気化学セルについて説明する。
2CO2+4H++4e− → 2CO+2H2O ・・・(2)
(1)式に示すように、酸化触媒層19付近において、H2Oが酸化されてO2とH+および電子が生成される。そして、酸化触媒層19側で生成されたH+は、後述するイオン移動経路を介して還元触媒層20側に移動する。
2CO2+2H2O+4e− → 2CO+4OH− ・・・(4)
(4)式に示すように、還元触媒層20付近において、CO2はH2Oとともに電子を受け取る還元反応をし、一酸化炭素(CO)とOH−が生成される。そして、還元触媒層20側で生成されたOH−は、後述するイオン移動経路を介して酸化触媒層19側に移動する。
以下に図8乃至図11を用いて、本実施形態に係る光電気化学セルを用いた光電気化学装置について説明する。
本実施形態に係る光電気化学装置は、酸化触媒層19、還元触媒層20、およびこれらの間に形成された多接合型太陽電池17の積層体で構成される光電気化学セルと、酸化触媒層19と還元触媒層20との間でイオンを移動させるイオン移動経路と、を備える例である。これにより、高い光反応効率で、酸化触媒層19側で生成されたH+を還元触媒層20へと移動させることができ、このH+によって還元触媒層20側で二酸化炭素を分解することができる。
以下に図12乃至図16を用いて、本実施形態に係る酸化電極の実施例について説明する。
実施例1における酸化電極は、酸化触媒102を酸化ニッケル(Ni−O)とし、修飾有機分子105をN−トリメトキシシリルプロピル−N,N,N−トリメチルアンモニウムテトラフルオロボレートとする例である。
まず、FTO基板(150mm×250mm、厚さ0.5mm)で構成される集電体101が、尿素を溶解させた95℃の塩化ニッケル水溶液に浸漬され、1時間保持される。これにより、水溶液から析出される酸化触媒の前駆体が集電体101上に形成される。次に、集電体101が350℃の大気中で1時間焼成されることで、酸化触媒102が集電体101表面上に形成される。酸化触媒102が形成されたことは、電子顕微鏡の観察によって確認することができる。観察の結果、酸化触媒102は、面方向に均一な膜厚を有し、その膜厚は100nmである。
実施例1における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって、以下のように評価した。
実施例2における酸化電極は、酸化触媒102をNi−Oとし、修飾有機分子105を1−メチル−3−(2−トリエトキシシリルエチル)イミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例1における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、窒素カチオン104)を変更した。実施例1と同様に、実施例2における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例3における酸化電極は、酸化触媒102をNi−Oとし、修飾有機分子105を1−メチル−4−(2−トリエトキシシリルエチル)ピリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例1における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、窒素カチオン104)を変更した。実施例1と同様に、実施例3における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例4における酸化電極は、酸化触媒102をNi−Oとし、修飾有機分子105を1−メチル−1−(2−トリエトキシシリルエチル)ピペリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例1における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、窒素カチオン104)を変更した。実施例1と同様に、実施例4における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例5における酸化電極は、酸化触媒102をNi−Oとし、修飾有機分子105を1−メチル−1−(2−トリエトキシシリルエチル)ピロリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例1における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、窒素カチオン104)を変更した。実施例1と同様に、実施例5における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例6における酸化電極は、酸化触媒102をNi−Oとし、修飾有機分子105を1−ヘキシル−3−(2−トリエトキシシリルエチル)イミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例1における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、窒素カチオン104およびアルキル基106)を変更した。また、実施例2に対して、アルキル基106を変更した。実施例1と同様に、実施例6における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例7における酸化電極は、酸化触媒102をNi−Oとし、修飾有機分子105を1−ドデシル−3−(2−トリエトキシシリルエチル)イミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例1における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、窒素カチオン104およびアルキル基106)を変更した。また、実施例2に対して、アルキル基106を変更した。実施例1と同様に、実施例7における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例8における酸化電極は、酸化触媒102をNi−Oとし、修飾有機分子105を1−オクタデシル−3−(2−トリエトキシシリルエチル)イミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例1における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、窒素カチオン104およびアルキル基106)を変更した。また、実施例2に対して、アルキル基106を変更した。実施例1と同様に、実施例8における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例9における酸化電極は、酸化触媒102をNi−Oとし、修飾有機分子105をアミノプロピルトリメトキシシランとする例である。すなわち、実施例1における酸化電極に対して、修飾有機分子105を変更した。実施例1と同様に、実施例9における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
比較例1における酸化電極は、酸化触媒102をNi−Oとし、修飾有機分子105を形成しない例である。実施例1と同様に、比較例1における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
図12に示すように、実施例1〜5では、酸化触媒102を変化させず、修飾有機分子105を適宜変更した。より具体的には、実施例1〜5では、窒素カチオン104を4級カチオンとし、その種類を変更した。実施例1〜5における酸化電極は、修飾有機分子105を変更しても、比較例1に示す平板状の酸化ニッケル電極と比べて酸化電位が低い。これは、窒素カチオン104の材料にかかわらず、修飾有機分子105が水分解活性の向上に寄与するためだと考えられる。言い換えると、修飾有機分子105は、酸化反応に対して低いエネルギーで反応を進めることができる。
実施例10における酸化電極は、酸化触媒102を酸化コバルト(Co−O)とし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。
まず、FTO基板(150mm×250mm、厚さ0.5mm)で構成される集電体101が、尿素を溶解させた95℃の塩化コバルト水溶液に浸漬され、1時間保持される。これにより、水溶液から析出される酸化触媒の前駆体が集電体101上に形成される。次に、集電体101が350℃の大気中で1時間焼成されることで、酸化触媒102が集電体101表面上に形成される。酸化触媒102が形成されたことは、電子顕微鏡の観察によって確認することができる。観察の結果、酸化触媒102は、面方向に均一な膜厚を有し、その膜厚は100nmである。
実施例1と同様に、実施例10における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例11における酸化電極は、酸化触媒102をCo−Oとし、修飾有機分子105を1−エチル−3−(2−エチルホスホン酸)イミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例10における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例1と同様に、実施例11における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例12における酸化電極は、酸化触媒102をCo−Oとし、修飾有機分子105を1−ブチル−3−(2−エチルホスホン酸)イミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例10における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例1と同様に、実施例12における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例13における酸化電極は、酸化触媒102をCo−Oとし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−3−ヘキシルイミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例10における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例1と同様に、実施例13における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例14における酸化電極は、酸化触媒102をCo−Oとし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−3−オクチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例10における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例1と同様に、実施例14における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例15における酸化電極は、酸化触媒102をCo−Oとし、修飾有機分子105を1−ドデシル−3−(2−エチルホスホン酸)イミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例10における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例1と同様に、実施例15における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例16における酸化電極は、酸化触媒102をCo−Oとし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−3−オクタデシルイミダゾリウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例10における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例1と同様に、実施例16における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
[比較例2]
比較例2における酸化電極は、酸化触媒102をCo−Oとし、修飾有機分子105を形成しない例である。実施例1と同様に、比較例2における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
図13に示すように、実施例10〜16では、酸化触媒102を変化させず、修飾有機分子105を適宜変更した。より具体的には、実施例10〜16では、修飾有機分子105のアルキル基106(アルキル鎖の長さ)を変更した。実施例10〜16における酸化電極は、アルキル基106を変更しても、比較例2に示す平板状の酸化コバルト電極と比べて酸化電位が低い。これは、修飾有機分子105のアルキル基106にかかわらず、修飾有機分子105が水分解活性の向上に寄与するためだと考えられる。なお、アルキル鎖の長さが長くなるほど、修飾有機分子105の疎水性が強くなる分、水分解活性の向上への寄与が小さい。
実施例17における酸化電極は、酸化触媒102を酸化マンガン(Mn−O)とし、修飾有機分子105を1−メチル−4−(2−トリエトキシシリルエチル)ピリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。実施例1と同様に、実施例17における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例18における酸化電極は、酸化触媒102をMn−Oとし、修飾有機分子105を1−メチル−4−(2−トリエトキシシリルエチル)ピリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例17における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、対アニオン107)を変更した。実施例1と同様に、実施例18における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例19における酸化電極は、酸化触媒102をMn−Oとし、修飾有機分子105を1−ヘキシル−4−(2−トリエトキシシリルエチル)ピリジニウムジシアナミドとする例である。すなわち、実施例17における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、対アニオン107)を変更した。実施例1と同様に、実施例19における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例20における酸化電極は、酸化触媒102を酸化マンガン(Mn−O)とし、修飾有機分子105を1−オクチル−4−(2−トリエトキシシリルエチル)ピリジニウム炭酸水素塩とする例である。すなわち、実施例17における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、対アニオン107)を変更した。実施例1と同様に、実施例20における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例21における酸化電極は、酸化触媒102を酸化マンガン(Mn−O)とし、修飾有機分子105を1−ドデシル−4−(2−トリエトキシシリルエチル)ピリジニウム硝酸塩とする例である。すなわち、実施例17における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、対アニオン107)を変更した。実施例1と同様に、実施例21における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例22における酸化電極は、酸化触媒102を酸化マンガン(Mn−O)とし、修飾有機分子105を1−オクタデシル−4−(2−トリエトキシシリルエチル)ピリジニウム硫酸塩とする例である。すなわち、実施例17における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、対アニオン107)を変更した。実施例1と同様に、実施例22における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例23における酸化電極は、酸化触媒102を酸化マンガン(Mn−O)とし、修飾有機分子105を1−メチル−4−(2−トリエトキシシリルエチル)ピリジニウムホウ酸塩とする例である。すなわち、実施例17における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、対アニオン107)を変更した。実施例1と同様に、実施例23における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例24における酸化電極は、酸化触媒102を酸化マンガン(Mn−O)とし、修飾有機分子105を1−エチル−4−(2−トリエトキシシリルエチル)ピリジニウムリン酸塩とする例である。すなわち、実施例17における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、対アニオン107)を変更した。実施例1と同様に、実施例24における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例25における酸化電極は、酸化触媒102を酸化マンガン(Mn−O)とし、修飾有機分子105を1−ヘキシル−4−(2−トリエトキシシリルエチル)ピリジニウム過塩素酸塩とする例である。すなわち、実施例17における酸化電極に対して、酸化触媒102と修飾有機分子105を変更した。実施例1と同様に、実施例25における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
比較例3における酸化電極は、酸化触媒102を酸化マンガン(Mn−O)とし、修飾有機分子105を形成しない例である。実施例1と同様に、比較例3における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
図14に示すように、実施例17〜25では、酸化触媒102を変化させず、修飾有機分子105を適宜変更した。より具体的には、実施例17〜25では、修飾有機分子105の対アニオン107を変更した。実施例17〜25における酸化電極は、対アニオン107を変更しても、比較例3に示す平板状の酸化マンガン電極と比べて酸化電位が低い。これは、修飾有機分子105の対アニオン107にかかわらず、修飾有機分子105が水分解活性の向上に寄与するためだと考えられる。対アニオン107は、修飾有機分子105の親水性に影響する。また、クロライドおよびテトラフルオロボラートアニオンの親水性が強いため、特に活性向上に寄与した。
実施例26における酸化電極は、酸化触媒102をMn−Oとし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピペリジニウム炭酸水素塩とする例である。実施例1と同様に、実施例26における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例27における酸化電極は、酸化触媒102を酸化鉄(Fe−O)とし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピペリジニウム炭酸水素塩とする例である。すなわち、実施例26における酸化電極に対して、酸化触媒102を変更した。実施例1と同様に、実施例27における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例28における酸化電極は、酸化触媒102をCo−Oとし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピペリジニウム炭酸水素塩とする例である。すなわち、実施例26における酸化電極に対して、酸化触媒102を変更した。実施例1と同様に、実施例28における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例29における酸化電極は、酸化触媒102をNi−Oとし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピペリジニウム炭酸水素塩とする例である。すなわち、実施例26における酸化電極に対して、酸化触媒102を変更した。実施例1と同様に、実施例29における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例30における酸化電極は、酸化触媒102を酸化イリジウム(Ir−O)とし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピペリジニウム炭酸水素塩とする例である。すなわち、実施例26における酸化電極に対して、酸化触媒102を変更した。実施例1と同様に、実施例30における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例28における酸化電極は、酸化触媒102を酸化スズ(Sn−O)とし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピペリジニウム炭酸水素塩とする例である。すなわち、実施例26における酸化電極に対して、酸化触媒102を変更した。実施例1と同様に、実施例31における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例32における酸化電極は、酸化触媒102を酸化インジウム(In−O)とし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピペリジニウム炭酸水素塩とする例である。すなわち、実施例26における酸化電極に対して、酸化触媒102を変更した。実施例1と同様に、実施例32における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例33における酸化電極は、酸化触媒102を酸化ルテニウム(Ru−O)とし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピペリジニウム炭酸水素塩とする例である。すなわち、実施例26における酸化電極に対して、酸化触媒102を変更した。実施例1と同様に、実施例33における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例34における酸化電極は、酸化触媒102を酸化ルテニウムおよび酸化インジウムの二元酸化物(Ru−In−O)とし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピペリジニウム炭酸水素塩とする例である。すなわち、実施例26における酸化電極に対して、酸化触媒102を変更した。実施例1と同様に、実施例34における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
実施例35における酸化電極は、酸化触媒102を酸化コバルト、酸化ニッケル、および酸化鉄の三元酸化物(Co−Ni−Fe−O)とし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピペリジニウム炭酸水素塩とする例である。すなわち、実施例26における酸化電極に対して、酸化触媒102を変更した。実施例1と同様に、実施例35における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
比較例4における酸化電極は、酸化触媒102をFe−Oとし、修飾有機分子105を形成しない例である。実施例1と同様に、比較例4における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
比較例5における酸化電極は、酸化触媒102をIr−Oとし、修飾有機分子105を形成しない例である。実施例1と同様に、比較例5における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
比較例6における酸化電極は、酸化触媒102をSn−Oとし、修飾有機分子105を形成しない例である。実施例1と同様に、比較例6における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
比較例7における酸化電極は、酸化触媒102をIn−Oとし、修飾有機分子105を形成しない例である。実施例1と同様に、比較例7における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
比較例8における酸化電極は、酸化触媒102をRu−Oとし、修飾有機分子105を形成しない例である。実施例1と同様に、比較例8における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
比較例9における酸化電極は、酸化触媒102をRu−In−Oとし、修飾有機分子105を形成しない例である。実施例1と同様に、比較例9における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
比較例10における酸化電極は、酸化触媒102をCo−Ni−Fe−Oとし、修飾有機分子105を形成しない例である。実施例1と同様に、比較例10における酸化電極の水分解性能を光電気化学測定によって評価した。
図15に示すように、実施例26〜35では、修飾有機分子105を変化させず、酸化触媒102を適宜変更した。実施例26〜35における酸化電極は、酸化触媒102を変更しても、同じ修飾有機分子105を有する比較例1〜10に示す平板状の酸化電極と比べて酸化電位が低い。これは、酸化触媒102の材料にかかわらず、修飾有機分子105が水分解活性の向上に寄与するためだと考えられる。
実施例36における酸化電極は、酸化触媒102をRu−Oとし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−メチルピロリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。実施例36では、酸化電極を光電気化学セルおよび光電気化学装置に適用して、アミン酸化抑制性能(アミン分解性能)の測定を行う。
光電気化学セルは、以下の方法で作成した。CO2還元触媒としてAuが多接合型太陽電池17の裏面側の基板11上にスパッタ法で成膜される。また、酸化ルテニウムのナノ粒子をアルコール水溶液に分散するスプレー塗布法により、多接合型太陽電池17の表面側の酸化電極層18(集電体101)上に酸化触媒層19(酸化触媒102)が形成される。その後、実施例10と同様に、酸化触媒102上に修飾有機分子105が形成される。このようにしてできた光電気化学セルが150mm×250mmの大きさに切り出される。
光電気化学セルを光電気化学装置に組み込んで分解されるアミンの濃度を評価した。電解液には10%トリエタノールアミンを含む0.5M水酸化カリウム水溶液(CO2飽和水溶液)を用いた。また、イオン交換膜にはアニオン交換膜を用いた。酸化触媒層19側からソーラーシュミレータによるAM1.5(100mW/cm2)の光を照射し、酸化側の電解液に含まれるアミン分解物の濃度をGC/MSで定量分析した。
実施例37における酸化電極は、酸化触媒102をRu−Oとし、修飾有機分子105を1−エチル−1−(2−エチルホスホン酸)ピロリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例36における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例36と同様に、実施例37における酸化触媒のアミン分解性能を評価した。すなわち、比較例に対する実施例37のアミン分解物の濃度比を求めた。
実施例38における酸化電極は、酸化触媒102をRu−Oとし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−ヘキシルピロリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例36における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例36と同様に、実施例38における酸化触媒のアミン分解性能を評価した。すなわち、比較例に対する実施例38のアミン分解物の濃度比を求めた。
実施例39における酸化電極は、酸化触媒102をRu−Oとし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクチルピロリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例36における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例36と同様に、実施例39における酸化触媒のアミン分解性能を評価した。すなわち、比較例に対する実施例39のアミン分解物の濃度比を求めた。
実施例40における酸化電極は、酸化触媒102をRu−Oとし、修飾有機分子105を1−ドデシル−1−(2−エチルホスホン酸)ピロリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例36における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例36と同様に、実施例40における酸化触媒のアミン分解性能を評価した。すなわち、比較例に対する実施例40のアミン分解物の濃度比を求めた。
実施例41における酸化電極は、酸化触媒102をRu−Oとし、修飾有機分子105を1−(2−エチルホスホン酸)−1−オクタデシルピロリジニウムテトラフルオロボレートとする例である。すなわち、実施例36における酸化電極に対して、修飾有機分子105(特に、アルキル基106)を変更した。実施例36と同様に、実施例41における酸化触媒のアミン分解性能を評価した。すなわち、比較例に対する実施例41のアミン分解物の濃度比を求めた。
図16に示すように、実施例36〜41では、酸化触媒102を変化させず、修飾有機分子105を適宜変更した。より具体的には、実施例36〜41では、修飾有機分子105はアルキル基106を変更した。実施例36〜41における酸化電極のアミン分解性能は、修飾有機分子を形成しない酸化電極(比較例)のアミン分解性能に比べて低い。これは、修飾有機分子105の材料(特に、アルキル基106)にかかわらず、修飾有機分子105がアミン分解の抑制に寄与するためだと考えられる。なお、修飾有機分子105はアルキル鎖の長さが長いほどアミンが酸化触媒に接近し難いため、分解抑制効果が高いと考えられる。
Claims (16)
- 集電体と、
前記集電体上に形成された酸化触媒と、
前記酸化触媒の表面に結合され、4級窒素カチオンを含む有機分子と、
を具備し、
前記4級窒素カチオンは、アルキルアンモニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、およびピロリジニウムカチオンの少なくとも1つを含む
ことを特徴とする酸化電極。 - 前記有機分子は、炭素数が1〜20のアルキル基の少なくとも1つをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の酸化電極。
- 前記有機分子は、親水性を有するアニオン性官能基をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の酸化電極。
- 前記アニオン性官能基は、テトラフルオロボレートアニオン、ジシアナミドアニオン、炭酸水素アニオン、硝酸アニオン、ホウ酸アニオン、硫酸アニオン、リン酸アニオン、過塩素酸アニオン、およびハロゲンアニオンの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項3に記載の酸化電極。
- 前記有機分子は、前記4級窒素カチオンと前記酸化触媒とを結合する反応性官能基をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の酸化電極。
- 前記反応性官能基は、カルボン酸基、ホスホン酸基、ハロゲン化シリル基、およびアルコキシシリル基の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項5に記載の酸化電極。
- 前記酸化触媒は、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、イリジウム、スズ、インジウム、およびルテニウムの少なくとも1つの酸化物を含むことを特徴とする請求項1に記載の酸化電極。
- 前記集電体、前記酸化触媒、および前記有機分子は、アミンまたはアミンカチオンを含む電解液内で水を酸化することを特徴とする請求項1に記載の酸化電極。
- 還元電極と、
集電体と、前記集電体上に形成された酸化触媒と、前記酸化触媒の表面に結合され、4級窒素カチオンを含む有機分子と、を含む酸化電極と、
前記還元電極および前記酸化電極に電気的に接続された電源素子と、
を具備し、
前記4級窒素カチオンは、アルキルアンモニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、およびピロリジニウムカチオンの少なくとも1つを含む
ことを特徴とする電気化学装置。 - 前記電源素子は、光エネルギーにより電荷分離する半導体層で構成されることを特徴とする請求項9に記載の電気化学装置。
- 前記半導体層は、前記酸化電極と前記還元電極との間に形成されることを特徴とする請求項10に記載の電気化学装置。
- 前記有機分子は、炭素数が1〜20のアルキル基の少なくとも1つをさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の電気化学装置。
- 前記有機分子は、親水性を有するアニオン性官能基をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の電気化学装置。
- 前記アニオン性官能基は、テトラフルオロボレートアニオン、ジシアナミドアニオン、炭酸水素アニオン、硝酸アニオン、ホウ酸アニオン、硫酸アニオン、リン酸アニオン、過塩素酸アニオン、およびハロゲンアニオンの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項13に記載の電気化学装置。
- 前記有機分子は、前記4級窒素カチオンと前記酸化触媒とを結合する反応性官能基をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の電気化学装置。
- 前記反応性官能基は、カルボン酸基、ホスホン酸基、ハロゲン化シリル基、およびアルコキシシリル基の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項15に記載の電気化学装置。
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