JP6670948B2 - Electrode for electrolysis - Google Patents

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Description

本発明は、電解用電極及びその製造方法、並びに該電解用電極を備えた電解槽に関する。   The present invention relates to an electrode for electrolysis and a method for producing the same, and an electrolytic cell provided with the electrode for electrolysis.

イオン交換膜法食塩電解とは、電解用電極を用いて塩水を電気分解(電解)し、苛性ソーダ、塩素、及び水素を製造する方法である。イオン交換膜法食塩電解プロセスにおいては、消費電力量削減のため、低い電解電圧を長期間に亘って維持できる技術が求められている。
電解電圧の内訳を詳細に解析すると、理論的に必要な電解電圧以外に、イオン交換膜の抵抗及び電解槽の構造抵抗に起因する電圧、電解用電極である陽極及び陰極の過電圧、陽極と陰極との間の距離に起因する電圧等が含まれることが明らかになっている。また、長期に亘って電解を継続すると、塩水中の不純物等の種々の原因に惹起される電圧上昇等が生じることもある。
The ion exchange membrane method salt electrolysis is a method of electrolyzing (electrolyzing) salt water using an electrode for electrolysis to produce caustic soda, chlorine, and hydrogen. In the ion exchange membrane salt electrolysis process, a technology capable of maintaining a low electrolysis voltage for a long period of time is required to reduce power consumption.
When the breakdown of the electrolysis voltage is analyzed in detail, in addition to the theoretically required electrolysis voltage, the voltage caused by the resistance of the ion exchange membrane and the structural resistance of the electrolytic cell, the overvoltage of the anode and the cathode, and the anode and cathode It has been clarified that a voltage or the like due to the distance between the two is included. Further, if the electrolysis is continued for a long time, a voltage rise or the like caused by various causes such as impurities in the salt water may occur.

上述した電解電圧の中でも、塩素発生用の陽極の過電圧を低減させることを目的として、様々な検討が行われている。例えば、特許文献1には、ルテニウム等の白金族金属の酸化物をチタン基材上に被覆して成る不溶性陽極の技術が開示されている。この陽極は、DSA(登録商標、Dimension Stable Anode:寸法安定性陽極)と呼ばれる。また非特許文献1には、DSAを用いるソーダ電解技術の変遷が記載されている。   Among the above-mentioned electrolysis voltages, various studies have been made for the purpose of reducing the overvoltage of the anode for generating chlorine. For example, Patent Literature 1 discloses a technique of an insoluble anode in which an oxide of a platinum group metal such as ruthenium is coated on a titanium substrate. This anode is called DSA (registered trademark, Dimension Stable Anode: dimensionally stable anode). Non-Patent Document 1 describes the transition of soda electrolysis technology using DSA.

上述のDSAに関しては、これまでにも様々な改良がなされ、性能改善に向けた検討が行われてきた。
例えば、特許文献2には、白金族のうちパラジウムの低い塩素過電圧と高い酸素過電圧とに着目し、白金とパラジウムとを合金化した塩素発生用電極が報告されている。特許文献3及び特許文献4では、白金−パラジウム合金の表面を酸化処理し、表面に酸化パラジウムを形成させた電極が提案されている。また特許文献5には、スズの酸化物を主成分とし、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、及びニオブの各酸化物を含有する外部触媒層で被覆された電極が提案されている。この電極により、酸素濃度の低い高純度の塩素を得るために、塩素発生と同時に起こる、陽極における酸素発生反応を抑制しようとする試みがなされている。
Regarding the above-mentioned DSA, various improvements have been made so far, and studies for improving the performance have been made.
For example, Patent Literature 2 focuses on a low chlorine overvoltage and a high oxygen overvoltage of palladium in the platinum group, and reports a chlorine generation electrode in which platinum and palladium are alloyed. Patent Literature 3 and Patent Literature 4 propose an electrode in which the surface of a platinum-palladium alloy is oxidized to form palladium oxide on the surface. Patent Literature 5 proposes an electrode which is mainly composed of a tin oxide and is covered with an external catalyst layer containing ruthenium, iridium, palladium, and niobium oxides. In order to obtain high-purity chlorine having a low oxygen concentration by using this electrode, attempts have been made to suppress the oxygen generation reaction at the anode, which occurs simultaneously with the generation of chlorine.

特公昭46−021884号公報Japanese Patent Publication No. 46-021884 特公昭45−11014号公報Japanese Patent Publication No. 45-11014 特公昭45−11015号公報Japanese Patent Publication No. 45-11015 特公昭48−3954号公報JP-B-48-3954 特表2012−508326号公報JP 2012-508326 A

相川洋明著、「国立科学博物館 技術の系統化調査報告 第8集」、独立行政法人 国立科学博物館発行、2007年3月30日、p32Hiroaki Aikawa, "National Science Museum, Technology Systematization Survey Report Vol. 8", published by The National Science Museum, March 30, 2007, p. 32

しかしながら、特許文献1に記載のDSA等の従来の陽極では、電解開始直後における過電圧が高く、触媒の活性化によって低い過電圧に落ち着くまでに一定の期間を要するため、電解時に消費電力損失が生じてしまうという問題がある。
また、特許文献2〜4に記載の塩素発生用電極は、過電圧が高く、耐久性が低い場合がある。更に、特許文献3及び4に記載の電極の製造においては、基材自体に合金を用いる必要がある他、該基材上に熱分解により酸化物を形成した後、還元により合金化し、更に電解酸化で酸化パラジウム化する等の複雑な工程を要し、実用上でも製法的にも大きな改善が必要である。
特許文献5に記載の電極は、耐薬品性に乏しいパラジウムの電解持続時間(電極寿命)の向上に一定の効果はあるものの、塩素発生過電圧は十分に低いものとはいえない。
以上のとおり、特許文献1〜5及び非特許文献1に記載の技術では、電解初期の過電圧が十分に低く、かつ、長期に亘って低電圧・低消費電力量で電解可能な電解用電極を実現することができない。
However, in the conventional anode such as DSA described in Patent Literature 1, the overvoltage is high immediately after the start of electrolysis, and it takes a certain period of time to settle to a low overvoltage due to activation of the catalyst. Problem.
Further, the electrodes for chlorine generation described in Patent Documents 2 to 4 have high overvoltage and low durability in some cases. Furthermore, in the production of the electrodes described in Patent Documents 3 and 4, it is necessary to use an alloy for the base material itself, and after forming an oxide on the base material by thermal decomposition, alloying by reduction and further electrolytically A complicated process such as palladium oxide conversion by oxidation is required, and significant improvements are required both in practical use and in manufacturing methods.
Although the electrode described in Patent Document 5 has a certain effect in improving the electrolysis duration (electrode life) of palladium having poor chemical resistance, the chlorine generation overpotential cannot be said to be sufficiently low.
As described above, in the techniques described in Patent Literatures 1 to 5 and Non-Patent Literature 1, an electrolysis electrode capable of performing electrolysis with a sufficiently low overvoltage at the initial stage of electrolysis and low voltage and low power consumption for a long time is used. Can not be realized.

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものである。従って本発明は、電解初期の過電圧を低減でき、かつ長期に亘って低電圧・低消費電力量で電解可能な電解用電極及びその製造方法、並びに該電解用電極を備えた電解槽を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problem. Accordingly, the present invention provides an electrode for electrolysis that can reduce overvoltage at the initial stage of electrolysis and can perform electrolysis with low voltage and low power consumption for a long period of time, a method for manufacturing the same, and an electrolytic cell provided with the electrode for electrolysis. The purpose is to:

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、所定の金属元素を所定の比率で含有する触媒層を有する電解用電極の電気二重層容量の指標となる数値を特定の範囲に調整することにより、電解初期の過電圧を低減でき、かつ長期に亘って低電圧・低消費電力量で電解可能であることを見出し、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
[1]
導電性基材と、
前記導電性基材の表面上に形成された触媒層と、
を備える電解用電極であって、
前記触媒層が、ルテニウム元素、イリジウム元素、チタン元素、並びに、Sc、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu及びZnからなる群より選択される少なくとも一種の第一遷移金属元素を含み、
前記触媒層に含まれる第一遷移金属元素の前記チタン元素1モルに対する含有割合が、0.25モル%以上3.4モル%未満であり、
前記電解用電極の電気二重層容量の指標となるD値が120C/m以上420C/m以下である、電解用電極。
[2]
前記第一遷移金属元素が、ルテニウム酸化物、イリジウム酸化物及びチタン酸化物の固溶体と、固溶体を形成している、[1]に記載の電解用電極。
[3]
前記第一遷移金属元素が、バナジウム、コバルト、銅及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素を含む、[1]又は[2]に記載の電解用電極。
[4]
前記第一遷移金属元素が、バナジウム元素を含む、[1]〜[3]のいずれかに記載の電解用電極。
[5]
前記触媒層に含まれる全ての金属元素に対する前記第一遷移金属元素の含有率が、10モル%以上30モル%以下である、[1]〜[4]のいずれかに記載の電解用電極。
[6]
前記触媒層に含まれる前記第一遷移金属元素の前記ルテニウム元素1モルに対する含有割合が、0.3モル以上2モル未満である、[1]〜[5]のいずれかに記載の電解用電極。
[7]
前記D値が、120C/m以上380C/m以下である、[1]〜[6]のいずれかに記載の電解用電極。
[8]
[1]〜[7]のいずれかに記載の電解用電極を製造するための方法であって、
ルテニウム化合物、イリジウム化合物、チタン化合物、及び、前記第一遷移金属元素を含む化合物を含有する塗工液を調製する工程と、
前記塗工液を前記導電性基材の少なくとも片面上に塗工して塗膜を形成する工程と、
前記塗膜を酸素含有雰囲気下で焼成して前記触媒層を形成する工程と、
を有する、電解用電極の製造方法。
[9]
[1]〜[7]のいずれかに記載の電解用電極を備える、電解槽。
The present inventors have intensively studied to solve the above-mentioned problems. As a result, by adjusting the numerical value which is an index of the electric double layer capacity of the electrode for electrolysis having a catalyst layer containing a predetermined metal element in a predetermined ratio to a specific range, it is possible to reduce the overvoltage at the beginning of electrolysis, and The present inventors have found that electrolysis can be performed with low voltage and low power consumption over a long period of time, and have accomplished the present invention.
That is, the present invention is as follows.
[1]
A conductive substrate;
A catalyst layer formed on the surface of the conductive substrate,
An electrode for electrolysis comprising:
The catalyst layer contains a ruthenium element, an iridium element, a titanium element, and at least one first transition metal element selected from the group consisting of Sc, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn,
A content ratio of the first transition metal element contained in the catalyst layer to 1 mol of the titanium element is 0.25 mol% or more and less than 3.4 mol%,
The D values indicative of the electric double layer capacity of the electrode for electrolysis is 120C / m 2 or more 420C / m 2 or less, the electrode for electrolysis.
[2]
The electrode for electrolysis according to [1], wherein the first transition metal element forms a solid solution with a solid solution of ruthenium oxide, iridium oxide, and titanium oxide.
[3]
The electrode for electrolysis according to [1] or [2], wherein the first transition metal element includes at least one metal element selected from the group consisting of vanadium, cobalt, copper, and zinc.
[4]
The electrode for electrolysis according to any one of [1] to [3], wherein the first transition metal element includes a vanadium element.
[5]
The electrode for electrolysis according to any one of [1] to [4], wherein a content of the first transition metal element with respect to all metal elements included in the catalyst layer is 10 mol% or more and 30 mol% or less.
[6]
The electrode for electrolysis according to any one of [1] to [5], wherein a content ratio of the first transition metal element contained in the catalyst layer to 1 mol of the ruthenium element is 0.3 mol or more and less than 2 mol. .
[7]
The electrode for electrolysis according to any one of [1] to [6], wherein the D value is 120 C / m 2 or more and 380 C / m 2 or less.
[8]
A method for producing an electrode for electrolysis according to any one of [1] to [7],
Ruthenium compound, iridium compound, titanium compound, and a step of preparing a coating solution containing a compound containing the first transition metal element,
A step of applying the coating liquid on at least one surface of the conductive substrate to form a coating film,
Baking the coating film under an oxygen-containing atmosphere to form the catalyst layer,
A method for producing an electrode for electrolysis, comprising:
[9]
An electrolytic cell comprising the electrode for electrolysis according to any one of [1] to [7].

本発明により、電解初期の過電圧を低減でき、かつ長期に亘って低電圧・低消費電力量で電解可能な電解用電極が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode for electrolysis which can reduce the overvoltage of the initial stage of electrolysis and can perform electrolysis with low voltage and low power consumption for a long period of time is provided.

図1は、本実施形態の電解槽の一例に係る断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view according to an example of the electrolytic cell of the present embodiment. 図2は、VとTiとの元素比(モル比)が異なる4試料について、XPS深さ方向分析により求めたV/Tiの実測値と、塗工液中の仕込みのV/Ti値をプロットし、直線近似した結果を示すグラフである。FIG. 2 is a plot of the measured V / Ti value obtained by XPS depth direction analysis and the V / Ti value of the charge in the coating liquid for four samples having different element ratios (molar ratios) of V and Ti. 4 is a graph showing the result of linear approximation.

以下、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について、詳細に説明する。以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。   Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter, simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The following embodiment is an exemplification for describing the present invention, and is not intended to limit the present invention to the following contents. The present invention can be appropriately modified and implemented within the scope of the invention.

本実施形態の電解用電極は、導電性基材と、前記導電性基材の表面上に形成された触媒層と、を備える電解用電極であって、前記触媒層が、ルテニウム元素、イリジウム元素、チタン元素、並びに、スカンジウム、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも一種の第一遷移金属元素(以下、これらの遷移金属元素を総称して「第一遷移金属元素」ともいう。)を含む。さらに、本実施形態の電解用電極は、前記触媒層に含まれる第一遷移金属元素の前記チタン元素1モルに対する含有割合が、0.25モル%以上3.4モル%未満であり、前記電解用電極の電気二重層容量の指標となるD値が120C/m以上420C/m以下となるように構成されている。
本実施形態では、触媒層において、ルテニウム元素、イリジウム元素及びチタン元素に加えて、第一遷移金属元素を用いることにより、X線光電子分光法(XPS)で測定されるRuOに由来するRu3d5/2に帰属されるピークのピーク位置が、RuOの280.5eVから高結合エネルギー側にシフトした電解用電極となる。なお、XPSの帯電補正はTi2p3/2の結合エネルギーが458.4eVになるように補正する。Ru3d5/2のピーク位置の高結合エネルギー側へのシフトは、Ruが電荷的により酸化された状態を示し、これは第一遷移金属元素の添加に起因するものと考えられる。例えば、第一遷移金属元素としてバナジウムを添加したときは、以下の分極が起こる。
RuO + VO → RuO δ+ + VO δ−
RuO δ+が塩素を吸着する活性な吸着サイトとなり、塩素吸着を促進することで塩素発生の過電圧を低減できる。
上記した作用機序に限定する趣旨ではないが、本実施形態の電解用電極は、上述した構成を有するため、当該電解用電極を用いて電解を行う場合、電解初期の過電圧を低減でき、かつ長期に亘って低電圧・低消費電力量で電解可能となる。本実施形態の電解用電極は、特にイオン交換膜法食塩電解に塩素発生用電極として好適に用いることができる。
The electrode for electrolysis of the present embodiment is an electrode for electrolysis comprising a conductive substrate and a catalyst layer formed on the surface of the conductive substrate, wherein the catalyst layer is a ruthenium element, an iridium element. , Titanium element, and at least one first transition metal element selected from the group consisting of scandium, vanadium, chromium, iron, cobalt, nickel, copper and zinc (hereinafter, these transition metal elements are collectively referred to as A transition metal element "). Furthermore, in the electrode for electrolysis of the present embodiment, the content ratio of the first transition metal element contained in the catalyst layer to 1 mol of the titanium element is 0.25 mol% or more and less than 3.4 mol%. D values indicative of the electric double layer capacity of use electrodes are configured to be 120C / m 2 or more 420C / m 2 or less.
In the present embodiment, in the catalyst layer, elemental ruthenium, in addition to the iridium and titanium element, by using a first transition metal element, from RuO 2 as measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) Ru3d5 / 2 is an electrode for electrolysis in which the peak position of the peak attributed to No. 2 is shifted from 280.5 eV of RuO 2 to the higher binding energy side. Note that the XPS charging correction is performed so that the binding energy of Ti2p3 / 2 becomes 458.4 eV. The shift of the peak position of Ru3d5 / 2 to the higher binding energy side indicates a state in which Ru is electrically oxidized, which is considered to be due to the addition of the first transition metal element. For example, when vanadium is added as the first transition metal element, the following polarization occurs.
RuO 2 + VO 2 → RuO 2 δ ++ VO 2 δ−
RuO 2 δ + becomes an active adsorption site for adsorbing chlorine, and by promoting chlorine adsorption, the overvoltage of chlorine generation can be reduced.
Although not intended to be limited to the above-described mechanism of action, the electrode for electrolysis of the present embodiment has the above-described configuration.When electrolysis is performed using the electrode for electrolysis, the overvoltage at the beginning of electrolysis can be reduced, and Electrolysis can be performed for a long time with low voltage and low power consumption. The electrode for electrolysis of the present embodiment can be suitably used as an electrode for chlorine generation particularly in ion exchange membrane method salt electrolysis.

(導電性基材)
本実施形態の電解用電極は、飽和に近い高濃度の食塩水中で、塩素ガス発生雰囲気で用いられる。そのため、本実施形態における導電性基材の材質としては、耐食性のあるバルブ金属が好ましい。バルブ金属としては、以下に限定されないが、例えば、チタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウム等が挙げられる。経済性及び触媒層との親和性の観点からチタンが好ましい。
導電性基材の形状は特に限定はなく、目的によって適切な形状を選択することができる。例えば、エキスパンド形状、多孔板、金網等の形状が好適に用いられる。導電性基材の厚みは、0.1〜2mmであることが好ましい。
導電性基材における触媒層との接触表面は、触媒層との密着性を向上させるために、表面積増大化処理を実施することが好ましい。表面積増大化処理の方法としては、以下に限定されないが、例えば、カットワイヤ、スチールグリッド、アルミナグリッド等を用いるブラスト処理;硫酸又は塩酸を用いる酸処理等が挙げられる。これらの処理の中でも、ブラスト処理により導電性基材の表面に凹凸を形成させた後、更に酸処理する方法が好ましい。
(Conductive substrate)
The electrode for electrolysis of this embodiment is used in a chlorine gas generating atmosphere in a saline solution having a high concentration close to saturation. Therefore, as a material of the conductive substrate in the present embodiment, a valve metal having corrosion resistance is preferable. Examples of the valve metal include, but are not limited to, titanium, tantalum, niobium, and zirconium. Titanium is preferred from the viewpoint of economy and affinity with the catalyst layer.
The shape of the conductive substrate is not particularly limited, and an appropriate shape can be selected depending on the purpose. For example, an expanded shape, a perforated plate, a wire mesh or the like is suitably used. The thickness of the conductive substrate is preferably 0.1 to 2 mm.
The surface of the conductive substrate that is in contact with the catalyst layer is preferably subjected to a surface area increasing treatment in order to improve the adhesion to the catalyst layer. The method of the surface area increasing treatment is not limited to the following, but includes, for example, a blast treatment using a cut wire, a steel grid, an alumina grid, or the like; an acid treatment using sulfuric acid or hydrochloric acid, and the like. Among these treatments, a method of forming irregularities on the surface of the conductive substrate by blast treatment and further performing an acid treatment is preferable.

(触媒層)
上述の処理を施した導電性基材の表面上に形成される触媒層は、ルテニウム元素、イリジウム元素、チタン元素及び第一遷移金属元素を含む。
ルテニウム元素、イリジウム元素、及びチタン元素は、それぞれ、酸化物の形態にあることが好ましい。
ルテニウム酸化物としては、以下に限定されないが、例えばRuO等が挙げられる。
イリジウム酸化物としては、以下に限定されないが、例えばIrO等が挙げられる。
チタン酸化物としては、以下に限定されないが、例えばTiO等が挙げられる。
(Catalyst layer)
The catalyst layer formed on the surface of the conductive substrate subjected to the above-described treatment contains a ruthenium element, an iridium element, a titanium element, and a first transition metal element.
The ruthenium element, the iridium element, and the titanium element are preferably each in the form of an oxide.
Examples of the ruthenium oxide include, but are not limited to, RuO 2 and the like.
Examples of the iridium oxide include, but are not limited to, IrO 2 and the like.
Examples of the titanium oxide include, but are not limited to, TiO 2 and the like.

本実施形態の触媒層において、ルテニウム酸化物、イリジウム酸化物、及びチタン酸化物は、固溶体を形成していることが好ましい。ルテニウム酸化物、イリジウム酸化物、及びチタン酸化物が固溶体を形成することによって、ルテニウム酸化物の耐久性が一層向上する。
固溶体とは、一般的に、2種類以上の物質が互いに溶け合い、全体が均一の固相となっているものをいう。固溶体を形成する物質としては、金属単体、金属酸化物等が挙げられる。特に本実施形態に好適な金属酸化物の固溶体の場合には、酸化物結晶構造における単位格子中の等価な格子点上に、2種類以上の金属原子が不規則に配列している。具体的には、ルテニウム酸化物とイリジウム酸化物とチタン酸化物とが相互に混合し、ルテニウム酸化物の側から見れば、ルテニウム原子がイリジウム原子若しくはチタン原子又はこれらの双方によって置換された置換型固溶体であることが好ましい。その固溶状態は特に限定されず、部分固溶の領域が存在していてもよい。
固溶によって、結晶構造における単位格子の大きさがわずかに変化する。この変化の度合いは、例えば、粉末X線回折の測定において、結晶構造に起因する回折パターンは変化せず、単位格子の大きさに起因するピーク位置が変化すること等から確認することができる。
In the catalyst layer of this embodiment, it is preferable that ruthenium oxide, iridium oxide, and titanium oxide form a solid solution. When the ruthenium oxide, the iridium oxide, and the titanium oxide form a solid solution, the durability of the ruthenium oxide is further improved.
A solid solution generally refers to a substance in which two or more types of substances are dissolved with each other and the whole is a uniform solid phase. Examples of the substance forming the solid solution include simple metals and metal oxides. In particular, in the case of a solid solution of a metal oxide suitable for the present embodiment, two or more types of metal atoms are irregularly arranged on equivalent lattice points in a unit cell in the oxide crystal structure. Specifically, ruthenium oxide, iridium oxide, and titanium oxide are mixed with each other, and when viewed from the ruthenium oxide side, a substitution type in which a ruthenium atom is replaced by an iridium atom or a titanium atom or both of them. It is preferably a solid solution. The solid solution state is not particularly limited, and a partial solid solution region may be present.
The solid solution slightly changes the size of the unit cell in the crystal structure. The degree of this change can be confirmed, for example, by measurement of the powder X-ray diffraction that the diffraction pattern caused by the crystal structure does not change and the peak position caused by the size of the unit cell changes.

本実施形態の触媒層において、ルテニウム元素、イリジウム元素、及びチタン元素の含有割合は、ルテニウム元素1モルに対して、イリジウム元素0.06〜3モルであり、かつ、チタン元素0.2〜8モルであることが好ましく;ルテニウム元素1モルに対して、イリジウム元素0.2〜3モルであり、かつ、チタン元素0.2〜8モルであることがより好ましく;ルテニウム元素1モルに対して、イリジウム元素0.3〜2モルであり、かつ、チタン元素0.2〜6モルであることがさらに好ましく;ルテニウム元素1モルに対して、イリジウム元素0.5〜1.5モルであり、かつ、チタン元素0.2〜3モルであることが特に好ましい。3種類の元素の含有割合を上述の範囲とすることによって、電解用電極の長期耐久性がより向上する傾向にある。イリジウム、ルテニウム、及びチタンは、それぞれ、酸化物以外の形態、例えば金属単体として触媒層に含まれていてもよい。   In the catalyst layer of the present embodiment, the content ratio of the ruthenium element, the iridium element, and the titanium element is 0.06 to 3 mol of the iridium element per 1 mol of the ruthenium element, and the titanium element is 0.2 to 8 mol. Mol; preferably 1 to 2 mol of ruthenium element, more preferably 0.2 to 3 mol of iridium element and 0.2 to 8 mol of titanium element; 1 mol of ruthenium element , The iridium element is preferably from 0.3 to 2 mol, and the titanium element is more preferably from 0.2 to 6 mol; the iridium element is from 0.5 to 1.5 mol per 1 mol of the ruthenium element; It is particularly preferable that the amount of the titanium element is 0.2 to 3 mol. When the content ratio of the three elements is within the above range, the long-term durability of the electrode for electrolysis tends to be further improved. Iridium, ruthenium, and titanium may each be included in the catalyst layer in a form other than the oxide, for example, as a simple metal.

本実施形態の触媒層は、上述のルテニウム元素、イリジウム元素、及びチタン元素と共に第一遷移金属元素を含む。第一遷移金属元素の存在形態は特に限定されず、例えば酸化物の形態であっても、金属単体であっても、合金であっても、触媒層に含まれていればよい。本実施形態において、触媒層の耐久性の観点から、第一遷移金属元素が、ルテニウム酸化物、イリジウム酸化物及びチタン酸化物の固溶体と、固溶体を形成していることが好ましい。このような固溶体を形成していることは、例えば、XRDにより確認することができる。また、触媒層を形成する際の焼成温度や第一遷移金属元素の添加量等を適切な範囲に調整することにより上記の固溶体を形成することができる。   The catalyst layer of the present embodiment contains a first transition metal element together with the ruthenium element, the iridium element, and the titanium element. The form in which the first transition metal element is present is not particularly limited. For example, whether it is in the form of an oxide, a simple metal, or an alloy, the first transition metal element may be contained in the catalyst layer. In the present embodiment, it is preferable that the first transition metal element forms a solid solution with a solid solution of ruthenium oxide, iridium oxide, and titanium oxide from the viewpoint of durability of the catalyst layer. The formation of such a solid solution can be confirmed by, for example, XRD. In addition, the above solid solution can be formed by adjusting the firing temperature and the amount of the first transition metal element added when forming the catalyst layer to an appropriate range.

本実施形態において、触媒層の電圧と耐久性の両立の観点から、第一遷移金属元素が、バナジウム、コバルト、銅及び亜鉛からなる群より選択される金属元素を含むことが好ましく、第一遷移金属元素が、バナジウム元素を含むことがより好ましい。   In the present embodiment, the first transition metal element preferably contains a metal element selected from the group consisting of vanadium, cobalt, copper and zinc, from the viewpoint of compatibility between voltage and durability of the catalyst layer. More preferably, the metal element contains a vanadium element.

本実施形態における触媒層に含まれる全ての金属元素に対する前記第一遷移金属元素の含有率は、10モル%以上30モル%以下であることが好ましく、10モル%超22.5モル%以下であることがより好ましく、12モル%以上20モル%以下であることが更に好ましい。第一遷移金属元素がバナジウムを含む場合、触媒層に含まれる全ての金属元素に対するバナジウムの含有率が上記範囲を満たすことがとりわけ好ましい。
上記含有割合は、主に、後述する好ましい電解用電極の製造方法において調製される塗工液中の各元素の仕込み比に由来するものであるが、後述する断面STEM−EDXやX線光電子分光法(XPS)による深さ方向分析によって確認することができる。
第一遷移金属元素の含有割合が10モル%以上である場合、塩素発生過電圧ないし電解電圧を電解初期から低減できる傾向にある。また、第一遷移金属元素の含有割合が30モル%以下である場合、ルテニウム酸化物の耐久性が十分に確保される傾向にある。
In the present embodiment, the content of the first transition metal element with respect to all the metal elements contained in the catalyst layer is preferably 10 mol% or more and 30 mol% or less, more than 10 mol% and 22.5 mol% or less. More preferably, it is 12 mol% or more and 20 mol% or less. When the first transition metal element contains vanadium, it is particularly preferable that the content of vanadium with respect to all metal elements contained in the catalyst layer satisfies the above range.
The above content ratio is mainly derived from the charging ratio of each element in the coating liquid prepared in the method for producing a preferable electrode for electrolysis described later, but is described later in section STEM-EDX or X-ray photoelectron spectroscopy. It can be confirmed by a depth direction analysis using the XPS method.
When the content ratio of the first transition metal element is 10 mol% or more, the chlorine overvoltage or the electrolysis voltage tends to be reduced from the initial stage of electrolysis. When the content ratio of the first transition metal element is 30 mol% or less, the durability of the ruthenium oxide tends to be sufficiently ensured.

本実施形態における触媒層に含まれる前記第一遷移金属元素の前記ルテニウム元素1モルに対する含有割合は、0.3モル以上2モル未満であることが好ましく、0.5モル以上2モル未満であることがより好ましく、0.5モル以上1.8モル未満であることがさらに好ましい。第一遷移金属元素がバナジウムを含む場合、触媒層に含まれるルテニウム元素1モルに対するバナジウムの含有割合が上記範囲を満たすことがとりわけ好ましい。
上記含有割合は、主に、後述する好ましい電解用電極の製造方法において調製される塗工液中の各元素の仕込み比に由来するものであるが、後述する断面STEM−EDXやX線光電子分光法(XPS)による深さ方向分析によって確認することができる。
第一遷移金属元素の含有割合が、ルテニウム元素の1モルに対するモル数として0.3モル以上である場合、塩素発生過電圧ないし電解電圧を電解初期から低減できる傾向にあり、後述する電気二重層容量の指標となるD値を十分高くできる傾向にある。また、2モル未満である場合、ルテニウム酸化物の耐久性が十分に確保される傾向にある。
In the present embodiment, the content ratio of the first transition metal element contained in the catalyst layer to 1 mol of the ruthenium element is preferably 0.3 mol or more and less than 2 mol, and is 0.5 mol or more and less than 2 mol. More preferably, it is 0.5 mol or more and less than 1.8 mol. When the first transition metal element contains vanadium, it is particularly preferable that the content ratio of vanadium to 1 mol of the ruthenium element contained in the catalyst layer satisfies the above range.
The above content ratio is mainly derived from the charging ratio of each element in the coating liquid prepared in the method for producing a preferable electrode for electrolysis described later, but is described later in section STEM-EDX or X-ray photoelectron spectroscopy. It can be confirmed by a depth direction analysis using the XPS method.
When the content ratio of the first transition metal element is 0.3 mol or more per mol of the ruthenium element, the chlorine generation overvoltage or the electrolysis voltage tends to be reduced from the beginning of electrolysis, and the electric double layer capacity described later There is a tendency that the D value as an index of can be sufficiently increased. If the amount is less than 2 mol, the durability of the ruthenium oxide tends to be sufficiently ensured.

本実施形態における触媒層に含まれる前記第一遷移金属元素の前記チタン元素1モルに対する含有割合は、0.25モル以上3.4モル未満であり、0.25モル以上2.6モル未満であることが好ましい。第一遷移金属元素がバナジウムを含む場合、触媒層に含まれるチタン元素1モルに対するバナジウムの含有割合が上記範囲を満たすことがとりわけ好ましい。
上記含有割合は、主に、後述する好ましい電解用電極の製造方法において調製される塗工液中の各元素の仕込み比に由来するものであるが、後述する断面STEM−EDXやX線光電子分光法(XPS)による深さ方向分析によって確認することができる。
第一遷移金属元素の含有割合が、チタン元素の1モルに対するモル数として0.25モル以上である場合、塩素発生過電圧ないし電解電圧を電解初期から低減できる傾向にあり、後述する電気二重層容量の指標となるD値を十分高くできる傾向にある。また、3.4モル未満である場合、ルテニウム酸化物の耐久性が十分に確保される傾向にある。
In the present embodiment, the content ratio of the first transition metal element contained in the catalyst layer to 1 mol of the titanium element is from 0.25 mol to less than 3.4 mol, and from 0.25 mol to less than 2.6 mol. Preferably, there is. When the first transition metal element contains vanadium, it is particularly preferable that the content ratio of vanadium to 1 mol of the titanium element contained in the catalyst layer satisfies the above range.
The above content ratio is mainly derived from the charging ratio of each element in the coating liquid prepared in the method for producing a preferable electrode for electrolysis described later, but is described later in section STEM-EDX or X-ray photoelectron spectroscopy. It can be confirmed by a depth direction analysis using the XPS method.
When the content ratio of the first transition metal element is 0.25 mol or more per 1 mol of the titanium element, the chlorine overvoltage or the electrolysis voltage tends to be reduced from the initial stage of electrolysis, and the electric double layer capacity to be described later is reduced. There is a tendency that the D value as an index of can be sufficiently increased. When the amount is less than 3.4 mol, the durability of the ruthenium oxide tends to be sufficiently secured.

電解用電極における触媒層中のVとTiとの元素比(モル比)は、例えば断面STEM−EDXやX線光電子分光法(XPS)による深さ方向分析等で確認することができる。例えば、XPS深さ方向定量分析によりルテニウム元素、イリジウム元素、チタン元素及び第一遷移金属元素としてバナジウム元素を含む触媒層中のVとTiとの元素比(モル比)を求める方法を以下に示す。なお、ここでは導電性基材としてTi基材を用いるものとする。
XPS測定条件は、次のとおりとすることができる。
装置:アルバックファイ社製PHI5000VersaProbeII、
励起源:単色化AlKα(15kV×0.3mA)、
分析サイズ:約200μmφ、
光電子取出角:45°、
PassEnergy:46.95eV(Narrow scan)
また、Arスパッタ条件は、次のとおりとすることができる。
加速電圧:2kV、
ラスター範囲:2mm四方、
Zalar回転有り。
The element ratio (molar ratio) between V and Ti in the catalyst layer in the electrode for electrolysis can be confirmed by, for example, cross-sectional STEM-EDX or depth direction analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). For example, a method for obtaining an element ratio (molar ratio) between V and Ti in a catalyst layer containing a ruthenium element, an iridium element, a titanium element, and a vanadium element as a first transition metal element by XPS depth direction quantitative analysis is described below. . Here, a Ti base is used as the conductive base.
The XPS measurement conditions can be as follows.
Apparatus: PHI5000VersaProbeII manufactured by ULVAC-PHI,
Excitation source: monochromatic AlKα (15 kV × 0.3 mA),
Analysis size: about 200 μmφ,
Photoelectron extraction angle: 45 °
PassEnergy: 46.95 eV (Narrow scan)
Ar + sputtering conditions can be as follows.
Acceleration voltage: 2 kV,
Raster range: 2mm square,
There is Zalar rotation.

濃度の計算の方法について、Ru、Ir、Ti、Vの定量に用いる光電子ピークの分光学的準位はRu3d、Ir4f、Ti2p、V2p3/2である。Ti2pにはRu3p3/2が、Ir4fにはTi3sが、それぞれ重なるため、以下の手順により、定量を行うことができる。
(1)装置付随の解析ソフト「MaltiPak」を用い、各スパッタ時間(各深さ)でのRu3d、Ir4f(Ti3sを含む)、Ti2p(Ru3p3/2を含む)、V2p3/2のピークの面積強度(以下、ピーク面積強度)を求める。
(2)Ru3dのピーク面積強度を元にRu3p3/2のピーク面積強度を算出する。算出は、MaltiPakのCorrected RSF(パスエネルギーの値によって修正された相対的感度因子)の比を使って行う。これをRu3p3/2を含んだTi2pのピーク面積強度から差し引き、Ti2pのみのピーク面積強度を算出する。
(3)補正したTi2pのピーク面積強度を元にTi3sのピーク面積強度をCorrected RSFの比を利用して算出する。これをTi3sを含んだIr4fのピーク面積強度から差し引き、Ir4fのみのピーク面積強度を算出する。
Regarding the method of calculating the concentration, the spectral levels of the photoelectron peaks used for quantification of Ru, Ir, Ti, and V are Ru3d, Ir4f, Ti2p, and V2p3 / 2. Since Ru3p3 / 2 overlaps with Ti2p and Ti3s overlaps with Ir4f, quantification can be performed by the following procedure.
(1) Ru3d, Ir4f (including Ti3s), Ti2p (including Ru3p3 / 2), and V2p3 / 2 peak area intensity at each sputtering time (each depth) using the analysis software “MaltiPak” attached to the apparatus. (Hereinafter, peak area intensity).
(2) Calculate the peak area intensity of Ru3p3 / 2 based on the peak area intensity of Ru3d. The calculation is performed using the ratio of the corrected RSF (relative sensitivity factor corrected by the value of the path energy) of the MultiPak. This is subtracted from the peak area intensity of Ti2p containing Ru3p3 / 2, and the peak area intensity of only Ti2p is calculated.
(3) Based on the corrected peak area intensity of Ti2p, the peak area intensity of Ti3s is calculated using the ratio of Corrected RSF. This is subtracted from the peak area intensity of Ir4f containing Ti3s, and the peak area intensity of Ir4f alone is calculated.

XPS深さ方向定量分析により求める触媒層中のVとTiとの元素比(モル比)の実測値は、下記計算式に基づいて、Vが検出される触媒層の深さ範囲における各深さでのV2p3/2のピーク面積強度を積算し、V2p3/2のCorrected RSFで割った値と、各深さでのTi2pのピーク面積強度を積算し、Ti2pのCorrected RSFで割った値の比とする。各元素のピーク面積強度を積算する触媒層の深さ範囲は、例えば、触媒層が単層の場合には、最表面からTi基材由来のTiの信号が検出され始めるまでの深さ範囲とする。ここで、触媒層が多層の場合、Ti基材表面に直接形成されている触媒層以外の層については、各触媒層の深さ範囲とし、Ti基材表面に直接形成されている触媒層については、Ti基材由来のTiの信号が検出され始めるまでの深さ範囲とする。   The actual measured value of the element ratio (molar ratio) between V and Ti in the catalyst layer obtained by the XPS depth direction quantitative analysis is based on the following formula, and the respective depths in the depth range of the catalyst layer in which V is detected. And the ratio of the value obtained by integrating the peak area intensity of V2p3 / 2 and the value divided by the corrected RSF of V2p3 / 2 and the value obtained by integrating the peak area intensity of Ti2p at each depth and dividing by the corrected RSF of Ti2p. I do. The depth range of the catalyst layer in which the peak area intensity of each element is integrated is, for example, in the case where the catalyst layer is a single layer, the depth range from the start of detection of the signal of Ti derived from the Ti base material from the outermost surface. I do. Here, when the catalyst layer is a multilayer, the layers other than the catalyst layer directly formed on the surface of the Ti base are defined as the depth ranges of the respective catalyst layers, and the thickness of the catalyst layer directly formed on the surface of the Ti base is determined. Is a depth range until a signal of Ti derived from the Ti base material starts to be detected.

VとTiとの元素比(モル比)が異なる下記の4つの試料a〜dについて、上述した測定方法にてXPS深さ方向分析により求めたV/Tiの実測値と、塗工液中の仕込みのV/Ti値をプロットした結果を図2に示す。
(試料a)V/Ti仕込み比が0.11である電解用電極
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が、それぞれ、23.75:23.75:47.5:5になるように調合した塗工液aを用いて、導電性基材に塗工したこと以外は、後述する実施例1と同様の方法により得られた電解用電極。
(試料b)V/Ti仕込み比が0.22である電解用電極
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)がそれぞれ、22.5:22.5:45:10になるように調合した塗工液bを用いて、導電性基材に塗工したこと以外は、実施例1と同様の方法により得られた電解用電極。
(試料c)V/Ti仕込み比が0.35である電解用電極
後述する実施例1と同様の方法により得られた電解用電極。
(試料d)V/Ti仕込み比が1.13である電解用電極
後述する実施例3と同様の方法により得られた電解用電極。
With respect to the following four samples a to d having different element ratios (molar ratios) of V and Ti, the actually measured values of V / Ti obtained by the XPS depth direction analysis by the above-described measurement method and the values of V / Ti in the coating liquid FIG. 2 shows the results of plotting the charged V / Ti values.
(Sample a) Electrode for Electrolysis with V / Ti Charge Ratio of 0.11 The element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium was 23.75: 23.75: 47.5: 5, respectively. An electrode for electrolysis obtained by a method similar to that of Example 1 described later, except that the conductive liquid was applied to the conductive substrate using the coating liquid a prepared as follows.
(Sample b) Electrode for Electrolysis with V / Ti Charge Ratio of 0.22 The element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium is 22.5: 22.5: 45: 10, respectively. An electrode for electrolysis obtained by the same method as in Example 1 except that the conductive liquid was applied to the conductive substrate using the coating liquid b prepared in Example 1.
(Sample c) Electrode for Electrolysis with V / Ti Charge Ratio of 0.35 An electrode for electrolysis obtained by the same method as in Example 1 described later.
(Sample d) Electrode for Electrolysis with V / Ti Charge Ratio of 1.13 An electrode for electrolysis obtained by the same method as in Example 3 described later.

図2のとおり、V/Tiの実測値と仕込みの値は正の相関を示すことから、この検量線によりルテニウム元素、イリジウム元素、チタン元素及びバナジウム元素を含む触媒層中のVとTiとの元素比(モル比)を求めることができる。触媒層中に含まれる成分が変わった場合は、同様の方法でV/Tiの実測値と仕込みの値の検量線を作成することにより、触媒層中のVとTiとの元素比(モル比)を求めることができる。
なお、本実施形態の電解用電極において、触媒層は1層のみから構成されていてもよいし、2層以上の多層構造であってもよい。多層構造である場合は、その中の少なくとも1層に含まれる前記第一遷移金属元素の前記チタン元素1モルに対する含有割合が0.25モル以上3.4モル未満であればよく、その他の層は当該含有割合を満たさないものであってもよい。
As shown in FIG. 2, since the measured value of V / Ti and the value of the charge show a positive correlation, the calibration curve shows the relationship between V and Ti in the catalyst layer containing the ruthenium, iridium, titanium and vanadium elements. The element ratio (molar ratio) can be determined. When the components contained in the catalyst layer are changed, a calibration curve of the actually measured value of V / Ti and the charged value is prepared in the same manner to obtain an element ratio (molar ratio) of V and Ti in the catalyst layer. ).
In the electrode for electrolysis of the present embodiment, the catalyst layer may be composed of only one layer, or may have a multilayer structure of two or more layers. In the case of a multi-layer structure, the content ratio of the first transition metal element contained in at least one layer to 1 mol of the titanium element may be 0.25 mol or more and less than 3.4 mol. May not satisfy the content ratio.

本実施形態の電解用電極は、電気二重層容量の指標となるD値が120C/m以上420C/m以下であることを特徴とする。また、120C/m以上380C/m以下であることがより好ましく、150C/m以上360C/m以下であることがさらに好ましい。D値が120C/m以上であることにより、塩素発生過電圧を抑え、電解電圧を下げることができる。また420C/m以下であることにより、ルテニウム酸化物の耐久性を維持することができる。Electrode for electrolysis of this embodiment, D values indicative of the electric double layer capacitor is characterized in that at 120C / m 2 or more 420C / m 2 or less. Further, more preferably 120C / m 2 or more 380C / m 2 or less, and more preferably 150C / m 2 or more 360C / m 2 or less. When the D value is 120 C / m 2 or more, the chlorine generation overvoltage can be suppressed, and the electrolysis voltage can be reduced. Further, when the content is 420 C / m 2 or less, the durability of the ruthenium oxide can be maintained.

ここでいう電気二重層容量の指標となるD値とは、電気二重層容量の概念を利用して算出される値であり、電極の表面積(すなわち、電極上の触媒層の比表面積)が大きいほど、その値は大きくなると考えられる。また、例えば、第一遷移金属元素の含有量を上述した好ましい範囲に調整することで、D値を前述の範囲とすることができる。特に、第一遷移金属元素の含有量を大きくすることで、D値も大きくなる傾向にある。また、触媒層を形成する際の焼成温度(ポストベーク温度)を上げることでD値は小さくなる傾向にある。具体的には、後述する実施例に記載の方法、すなわちサイクリックボルタンメトリーにより、ある掃引速度(V/秒)に対して測定される電解電流密度(A/m)の値を用いて、算出することができる。より詳細には、掃引速度ごとに固有の電流密度差(正方向掃引時の電流密度と逆方向掃引時の電流密度の差)を得、縦軸を電流密度差と掃引範囲である0.3Vとの積とし、横軸を掃引速度とし、各データをプロットした上で、各プロットを直線近似した際の傾きをD値とする。ここで、電流密度差と、掃引範囲である0.3Vとの積は掃引速度によく比例することから、D値は下記式(a)により表現することができる。電気二重層容量の指標となるD値を上述の範囲とすることによって、得られる電解用電極の耐久性を損なうことなく、電解初期における過電圧を低減することができる。
D(C/m)=〔電解電流密度の差(A/m)×0.3(V)〕÷〔掃引速度(V/秒)〕 (a)
The D value as an index of the electric double layer capacity here is a value calculated using the concept of the electric double layer capacity, and the surface area of the electrode (that is, the specific surface area of the catalyst layer on the electrode) is large. It is considered that the value increases as the value increases. Further, for example, by adjusting the content of the first transition metal element to the above-described preferable range, the D value can be set to the above-described range. In particular, increasing the content of the first transition metal element tends to increase the D value. Further, the D value tends to decrease by increasing the firing temperature (post-bake temperature) when forming the catalyst layer. Specifically, the calculation is performed using the value of the electrolytic current density (A / m 2 ) measured for a certain sweep speed (V / sec) by the method described in the example described later, that is, cyclic voltammetry. can do. More specifically, a unique current density difference (a difference between the current density at the time of forward sweep and the current density at the time of reverse sweep) is obtained for each sweep speed, and the vertical axis represents the current density difference and the sweep range of 0.3 V. , The horizontal axis is the sweep speed, the respective data are plotted, and the slope when each plot is linearly approximated is the D value. Here, since the product of the current density difference and the sweep range of 0.3 V is well proportional to the sweep speed, the D value can be expressed by the following equation (a). By setting the D value, which is an index of the electric double layer capacity, in the above range, it is possible to reduce the overvoltage at the beginning of electrolysis without impairing the durability of the obtained electrode for electrolysis.
D (C / m 2 ) = [difference in electrolytic current density (A / m 2 ) × 0.3 (V)] ÷ [sweep speed (V / sec)] (a)

本実施形態における触媒層が、ルテニウム元素、イリジウム元素、チタン元素及び第一遷移金属元素を含有し、更に第一遷移金属元素とチタン元素の含有割合を特定の範囲とすることによって、電気二重層容量の指標となるD値の増加に伴う電解触媒としての機能が向上し、電解初期における過電圧を低減することができる。   The catalyst layer in the present embodiment contains a ruthenium element, an iridium element, a titanium element and a first transition metal element, and further has a content ratio of the first transition metal element and the titanium element in a specific range. The function as an electrocatalyst is improved with an increase in the D value, which is an index of the capacity, and the overvoltage at the beginning of electrolysis can be reduced.

本実施形態における触媒層は、構成元素として、上記に説明したルテニウム元素、イリジウム元素、チタン元素及び第一遷移金属元素のみを含有していてもよいし、これら以外に、他の金属元素を含んでいてもよい。他の金属元素の具体例としては、以下に限定されないが、タンタル、ニオブ、スズ、白金等から選ばれる元素が挙げられる。これら他の金属元素の存在形態としては例えば酸化物中に含まれる金属元素として存在すること等が挙げられる。
本実施形態における触媒層が、他の金属元素を含んでいる場合、その含有割合は、触媒層に含まれる金属元素の全部に対する他の金属元素のモル比として、20モル%以下であることが好ましく、10モル%以下であることがより好ましい。
本実施形態における触媒層の厚さは、0.1〜5μmであることが好ましく、0.5〜3μmであることがより好ましい。触媒層の厚さを上述の下限値以上とすることにより、初期電解性能を十分に維持できる傾向にある。また該触媒層の厚みを上述の上限値以下とすることにより、経済性に優れた電解用電極が得られる傾向にある。
The catalyst layer in the present embodiment may contain only the ruthenium element, the iridium element, the titanium element, and the first transition metal element described above as constituent elements, or may include other metal elements in addition to these. You may go out. Specific examples of other metal elements include, but are not limited to, elements selected from tantalum, niobium, tin, platinum, and the like. Examples of the form of the presence of these other metal elements include the presence as metal elements contained in oxides.
When the catalyst layer in the present embodiment contains another metal element, the content ratio may be 20 mol% or less as a molar ratio of the other metal element to all of the metal elements contained in the catalyst layer. It is more preferably at most 10 mol%.
In the present embodiment, the thickness of the catalyst layer is preferably from 0.1 to 5 μm, and more preferably from 0.5 to 3 μm. When the thickness of the catalyst layer is equal to or more than the above lower limit, the initial electrolytic performance tends to be sufficiently maintained. When the thickness of the catalyst layer is equal to or less than the above upper limit, an electrode for electrolysis having excellent economic efficiency tends to be obtained.

触媒層は、一層のみから成っていてもよいし、二層以上であってもよい。
触媒層が二層以上である場合には、そのうちの少なくとも一層が本実施形態における触媒層であればよい。触媒層が二層以上である場合には、少なくとも最外層が本実施形態における触媒層であることが好ましい。本実施形態における触媒層を、同じ組成又は異なる組成で二層以上有している態様も、好ましい。
触媒層が二層以上である場合であっても、本実施形態における触媒層の厚さは、上記のとおり、0.1〜5μmであることが好ましく、0.5〜3μmであることがより好ましい。
The catalyst layer may be composed of only one layer or two or more layers.
When there are two or more catalyst layers, at least one of them may be the catalyst layer in the present embodiment. When there are two or more catalyst layers, at least the outermost layer is preferably the catalyst layer in the present embodiment. A mode in which the catalyst layer in the present embodiment has two or more layers of the same composition or different compositions is also preferable.
Even when the number of the catalyst layers is two or more, as described above, the thickness of the catalyst layer in the present embodiment is preferably 0.1 to 5 μm, more preferably 0.5 to 3 μm. preferable.

(電解用電極の製造方法)
次に、本実施形態の電解用電極の製造方法の一例について、詳細に説明する。
本実施形態の電解用電極は、例えば、前述の表面積増大化処理を施した導電性基材上に、ルテニウム元素、イリジウム元素、チタン元素及び第一遷移金属元素を含む触媒層を形成することにより、製造することができる。該触媒層の形成は熱分解法により行うことが好ましい。
熱分解法による製造方法では、導電性基材上に、上記元素を含有する化合物(前駆体)の混合物を含む塗工液を塗工した後、酸素含有雰囲気下で焼成し、塗工液中の成分を熱分解させることにより、触媒層を形成することができる。この方法によると、従来の製造方法よりも少ない工程数で、高い生産性で、電解用電極を製造することができる。
(Method of manufacturing electrode for electrolysis)
Next, an example of the method for manufacturing the electrode for electrolysis of the present embodiment will be described in detail.
The electrode for electrolysis of the present embodiment, for example, by forming a catalyst layer containing a ruthenium element, an iridium element, a titanium element and a first transition metal element on a conductive substrate subjected to the surface area increasing treatment described above. , Can be manufactured. The formation of the catalyst layer is preferably performed by a thermal decomposition method.
In the production method based on the thermal decomposition method, a coating solution containing a mixture of compounds (precursors) containing the above elements is applied on a conductive substrate, and then fired in an oxygen-containing atmosphere, and By thermally decomposing the above component, a catalyst layer can be formed. According to this method, the electrode for electrolysis can be manufactured with high productivity with fewer steps than the conventional manufacturing method.

ここでいう熱分解とは、前駆体となる金属塩等を酸素含有雰囲気下で焼成して、金属酸化物又は金属と、ガス状物質と、に分解することを意味する。原料として塗工液に配合される前駆体に含まれる金属種、金属塩の種類、熱分解を行う雰囲気等により、得られる分解生成物を制御することができる。通常、酸化性雰囲気下においては、多くの金属は酸化物を形成し易い傾向にある。電解用電極の工業的な製造プロセスにおいて、熱分解は、通常、空気中で行われている。本実施形態においても、焼成の際の酸素濃度の範囲は特に限定されず、空気中で行うことで十分である。しかしながら、必要に応じて焼成炉内に空気を流通し、或いは酸素を供給してもよい。   The term “thermal decomposition” as used herein means that a metal salt or the like serving as a precursor is fired in an oxygen-containing atmosphere to be decomposed into a metal oxide or metal and a gaseous substance. The decomposition products obtained can be controlled by the type of metal, the type of metal salt, the atmosphere in which the thermal decomposition is carried out, and the like contained in the precursor mixed in the coating solution as a raw material. Usually, in an oxidizing atmosphere, many metals tend to easily form oxides. In an industrial production process of an electrode for electrolysis, thermal decomposition is usually performed in air. Also in the present embodiment, the range of the oxygen concentration at the time of firing is not particularly limited, and it is sufficient to perform the firing in air. However, if necessary, air may be circulated in the firing furnace or oxygen may be supplied.

本実施形態の電解用電極の製造方法の好ましい態様としては、ルテニウム化合物、イリジウム化合物、チタン化合物、及び、第一遷移金属元素を含む化合物を含有する塗工液を調製する工程と;前記塗工液を導電性基材の少なくとも片面上に塗工して塗膜を形成する工程と;前記塗膜を酸素含有雰囲気下で焼成して触媒層を形成する工程と、を有することが好ましい。なお、ルテニウム化合物、イリジウム化合物、チタン化合物、及び、第一遷移金属元素を含む化合物は、本実施形態における触媒層に含まれる金属元素を含有する前駆体に該当する。上述の方法により、均一な触媒層を有する電解用電極を製造することができる。   As a preferable mode of the method for producing an electrode for electrolysis according to the present embodiment, a step of preparing a coating liquid containing a ruthenium compound, an iridium compound, a titanium compound, and a compound containing a first transition metal element; The method preferably includes a step of applying a liquid on at least one surface of the conductive substrate to form a coating film; and a step of firing the coating film in an oxygen-containing atmosphere to form a catalyst layer. Note that the ruthenium compound, the iridium compound, the titanium compound, and the compound containing the first transition metal element correspond to the precursor containing the metal element contained in the catalyst layer in the present embodiment. By the above method, an electrode for electrolysis having a uniform catalyst layer can be manufactured.

塗工液に含まれる化合物において、ルテニウム化合物、イリジウム化合物、及びチタン化合物は、酸化物であってもよいが、必ずしも酸化物である必要はない。例えば、金属塩等であってもよい。これらの金属塩としては、以下に限定されないが、例えば、塩化物塩、硝酸塩、ジニトロジアンミン錯体、ニトロシル硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、及び金属アルコキシドからなる群より選ばれるいずれか1つが挙げられる。
ルテニウム化合物の金属塩としては、以下に限定されないが、例えば、塩化ルテニウム、硝酸ルテニウム等が挙げられる。
イリジウム化合物の金属塩としては、以下に限定されないが、例えば、塩化イリジウム、硝酸イリジウム等が挙げられる。
チタン化合物の金属塩としては、以下に限定されないが、例えば、四塩化チタン等が挙げられる。
In the compounds contained in the coating liquid, the ruthenium compound, the iridium compound, and the titanium compound may be oxides, but need not necessarily be oxides. For example, a metal salt or the like may be used. Examples of these metal salts include, but are not limited to, any one selected from the group consisting of chloride salts, nitrates, dinitrodiammine complexes, nitrosyl nitrates, sulfates, acetates, and metal alkoxides.
Examples of the metal salt of the ruthenium compound include, but are not limited to, ruthenium chloride and ruthenium nitrate.
Examples of the metal salt of the iridium compound include, but are not limited to, iridium chloride and iridium nitrate.
Examples of the metal salt of the titanium compound include, but are not limited to, titanium tetrachloride and the like.

塗工液に含まれる化合物において、第一遷移金属元素を含有する化合物は、酸化物であってもよいが、必ずしも酸化物である必要はない。例えば、バナジウムのオキソ酸、並びにその塩;バナジウムの塩化物;バナジウムの硝酸塩から成る群より選ばれる1種以上であることが好ましい。   Among the compounds contained in the coating liquid, the compound containing the first transition metal element may be an oxide, but is not necessarily required to be an oxide. For example, it is preferably at least one selected from the group consisting of vanadium oxo acids and salts thereof; vanadium chlorides; vanadium nitrates.

上記オキソ酸塩におけるカウンターカチオンとしては、以下に限定されないが、例えば、Na、K、Ca2+等を挙げることができる。The counter cation in the oxo acid salt is not limited to the following, but examples thereof include Na + , K + , and Ca 2+ .

このような化合物の具体例としては、オキソ酸またはその塩として、例えば、メタバナジン酸ナトリウム、オルトバナジン酸ナトリウム、オルトバナジン酸カリウム等を;塩化物として、例えば、塩化バナジウム等を;硝酸塩として、例えば、硝酸バナジウム等を、それぞれ挙げることができる。   Specific examples of such a compound include oxo acid or a salt thereof, for example, sodium metavanadate, sodium orthovanadate, potassium orthovanadate; chloride; for example, vanadium chloride; nitrate; And vanadium nitrate.

上記化合物は、触媒層における所望の金属元素比に応じて適宜に選択して使用される。
塗工液には、上述の化合物に含まれる化合物以外の他の化合物を、更に含んでいてもよい。他の化合物としては、以下に限定されないが、例えば、タンタル、ニオブ、スズ、白金、ロジウム等の金属元素を含有する金属化合物;タンタル、ニオブ、スズ、白金、ロジウム等の金属元素を含有する有機化合物等が挙げられる。
塗工液は、上記の化合物群が適当な溶媒に溶解又は分散されて成る液体状の組成物であることが好ましい。ここで使用される塗工液の溶媒としては、上記化合物の種類に応じて選択できる。例えば、水;ブタノール等のアルコール類等を用いることができる。塗工液中の総化合物濃度は、特に限定されないが、触媒層の厚さを適正に制御するとの観点から、10〜150g/Lであることが好ましい。
The above compound is appropriately selected and used according to a desired metal element ratio in the catalyst layer.
The coating liquid may further contain other compounds other than the compounds contained in the above-mentioned compounds. Examples of other compounds include, but are not limited to, a metal compound containing a metal element such as tantalum, niobium, tin, platinum, and rhodium; and an organic compound containing a metal element such as tantalum, niobium, tin, platinum, and rhodium. And the like.
The coating liquid is preferably a liquid composition in which the above compound group is dissolved or dispersed in an appropriate solvent. The solvent of the coating liquid used here can be selected according to the type of the compound. For example, water; alcohols such as butanol and the like can be used. The total compound concentration in the coating solution is not particularly limited, but is preferably from 10 to 150 g / L from the viewpoint of appropriately controlling the thickness of the catalyst layer.

塗工液を導電性基材上の表面に塗工する方法としては、以下に限定されないが、例えば、導電性基材を塗工液に浸漬するディップ法、導電性基材の表面に塗工液を刷毛で塗る方法、塗工液を含浸させたスポンジ状のロールに導電性基材を通過させるロール法、導電性基材と塗工液とを反対荷電に帯電させてスプレー噴霧を行う静電塗布法等を用いることができる。これらの塗工法の中でも、工業的な生産性に優れるという観点から、ロール法及び静電塗布法が好ましい。これらの塗工法により、導電性基材の少なくとも片面上に、塗工液の塗膜を形成することができる。
導電性基材に塗工液を塗工した後、必要に応じて、塗膜を乾燥させる工程を行うことが好ましい。この乾燥工程により、塗膜をより強固に導電性基材の表面に形成することができる。乾燥条件は、塗工液の組成、溶媒種等によって適宜選択することができる。乾燥工程は、10〜90℃の温度において1〜20分間行うことが好ましい。
The method of applying the coating liquid on the surface of the conductive substrate is not limited to the following. For example, a dipping method in which the conductive substrate is immersed in the coating liquid, a method of coating the surface of the conductive substrate A method of applying a liquid with a brush, a roll method of passing a conductive substrate through a sponge-like roll impregnated with a coating liquid, and a method of spraying by charging the conductive substrate and the coating liquid to opposite charges. An electrocoating method or the like can be used. Among these coating methods, a roll method and an electrostatic coating method are preferred from the viewpoint of excellent industrial productivity. By these coating methods, a coating film of the coating liquid can be formed on at least one surface of the conductive substrate.
After applying the coating liquid to the conductive substrate, it is preferable to perform a step of drying the coating film, if necessary. By this drying step, a coating film can be more firmly formed on the surface of the conductive substrate. Drying conditions can be appropriately selected depending on the composition of the coating solution, the type of solvent, and the like. The drying step is preferably performed at a temperature of 10 to 90 ° C. for 1 to 20 minutes.

導電性基材の表面に塗工液の塗膜を形成させた後、酸素含有雰囲気下で焼成する。焼成温度は、塗工液の組成及び溶媒種により、適宜選択することができる。焼成温度は、300〜650℃であることが好ましい。焼成温度が300℃未満では、ルテニウム化合物等の前駆体の分解が不十分となり、酸化ルテニウム等を含む触媒層が得られない場合がある。焼成温度が650℃を超えると、導電性基材が酸化を受ける場合があるため、触媒層と基材との界面の密着性が低下することがある。特に導電性基材としてチタン製の基材を用いる場合には、この傾向は重視されるべきである。
焼成時間は、長い方が好ましい。一方、電極の生産性の観点からは、焼成時間が過度に長くなりすぎないように調整することが好ましい。これらを勘案すると、1回の焼成時間は、5〜60分間であることが好ましい。
After forming a coating film of the coating liquid on the surface of the conductive substrate, firing is performed in an oxygen-containing atmosphere. The firing temperature can be appropriately selected depending on the composition of the coating liquid and the type of solvent. The firing temperature is preferably from 300 to 650 ° C. If the firing temperature is lower than 300 ° C., the decomposition of the precursor such as a ruthenium compound becomes insufficient, and a catalyst layer containing ruthenium oxide or the like may not be obtained. If the firing temperature exceeds 650 ° C., the conductive substrate may be oxidized, and thus the adhesion at the interface between the catalyst layer and the substrate may be reduced. This tendency should be emphasized especially when a titanium base material is used as the conductive base material.
The firing time is preferably longer. On the other hand, from the viewpoint of electrode productivity, it is preferable to adjust the firing time so as not to be excessively long. Considering these, it is preferable that one firing time is 5 to 60 minutes.

必要に応じて、上述した触媒層の塗工・乾燥・焼成の各工程を複数回繰り返し、触媒層を所望の厚みに形成することができる。触媒層を形成した後に、必要に応じて更に長時間の焼成を行い、化学的、物理的、及び熱的に極めて安定な触媒層の安定性を更に向上させることもできる。長時間焼成の条件としては、400〜650℃において30分〜4時間程度が好ましい。   If necessary, the above-described steps of coating, drying, and firing the catalyst layer may be repeated a plurality of times to form the catalyst layer to a desired thickness. After the formation of the catalyst layer, baking may be performed for a longer time if necessary to further improve the stability of the catalyst layer, which is extremely chemically, physically, and thermally stable. As the conditions for the long-term firing, it is preferable that the firing time is about 30 minutes to 4 hours at 400 to 650 ° C.

本実施形態の電解用電極は、電解初期においても過電圧が低く、かつ長期に亘って低電圧・低消費電力量で電解可能である。そのため、種々の電解に用いることができる。特に、塩素発生用陽極として用いることが好ましく、イオン交換膜法の食塩電解用陽極として用いることがより好ましい。   The electrode for electrolysis of the present embodiment has a low overvoltage even in the initial stage of electrolysis, and is capable of electrolysis with low voltage and low power consumption for a long period of time. Therefore, it can be used for various electrolysis. In particular, it is preferably used as an anode for chlorine generation, and more preferably as an anode for salt electrolysis in an ion exchange membrane method.

(電解槽)
本実施形態の電解槽は、本実施形態の電解用電極を備える。この電解槽は、電解する際の初期電圧が低減されたものである。本実施形態の電解槽の一例に係る断面模式図を図1に示す。
(Electrolyzer)
The electrolytic cell of the present embodiment includes the electrode for electrolysis of the present embodiment. This electrolyzer has a reduced initial voltage at the time of electrolysis. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view according to an example of the electrolytic cell of the present embodiment.

電解槽200は、電解液210、電解液210を収容するための容器220、電解液210中に浸漬された陽極230及び陰極240、イオン交換膜250、並びに陽極230及び陰極240を電源に接続するための配線260を備える。電解槽200のうち、イオン交換膜250で区切られた陽極側の空間を陽極室、陰極側の空間を陰極室という。本実施形態の電解槽は、種々の電解に使用できる。以下にはその代表例として、塩化アルカリ水溶液の電解に使用する場合について説明する。
本実施形態の電解槽に供給する電解液210としては、例えば、陽極室には、2.5〜5.5規定(N)の塩化ナトリウム水溶液(食塩水)、塩化カリウム水溶液等の塩化アルカリ水溶液を、陰極室には、希釈した水酸化アルカリ水溶液(例えば水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等)又は水を、それぞれ使用することができる。
The electrolytic cell 200 connects the electrolytic solution 210, a container 220 for containing the electrolytic solution 210, the anode 230 and the cathode 240 immersed in the electrolytic solution 210, the ion exchange membrane 250, and the anode 230 and the cathode 240 to a power source. Wiring 260 is provided. In the electrolytic cell 200, the space on the anode side divided by the ion exchange membrane 250 is called an anode room, and the space on the cathode side is called a cathode room. The electrolytic cell of the present embodiment can be used for various types of electrolysis. Hereinafter, as a typical example, a case where the present invention is used for electrolysis of an aqueous alkali chloride solution will be described.
As the electrolytic solution 210 to be supplied to the electrolytic cell of the present embodiment, for example, an aqueous solution of an alkali chloride such as a 2.5 to 5.5 N (N) aqueous solution of sodium chloride (brine) or an aqueous solution of potassium chloride is provided in the anode chamber. In the cathode chamber, a diluted alkali hydroxide aqueous solution (for example, sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution or the like) or water can be used.

陽極230として、本実施形態の電解用電極を使用する。
イオン交換膜250としては、例えば、イオン交換基を有するフッ素樹脂膜等を使用できる。その具体例として、例えば「Aciplex」(登録商標)F6801(旭化成株式会社製)等を挙げることができる。陰極240としては、水素発生用の陰極であって、導電性基材上に触媒を塗工した電極等が用いられる。この陰極としては公知のものを採用でき、具体的には、例えば、
ニッケル基材上に、ニッケル、酸化ニッケル、ニッケルとスズとの合金、活性炭と酸化物との組み合わせ、酸化ルテニウム、白金等をコーティングした陰極;
ニッケル製の金網基材の上に酸化ルテニウムの被覆を形成した陰極
等が挙げられる。
The electrode for electrolysis of the present embodiment is used as the anode 230.
As the ion exchange membrane 250, for example, a fluororesin membrane having an ion exchange group can be used. Specific examples thereof include, for example, “Aciplex” (registered trademark) F6801 (manufactured by Asahi Kasei Corporation). As the cathode 240, an electrode or the like, which is a cathode for generating hydrogen and has a catalyst coated on a conductive substrate, is used. As the cathode, known ones can be adopted. Specifically, for example, for example,
A cathode coated with nickel, nickel oxide, an alloy of nickel and tin, a combination of activated carbon and oxide, ruthenium oxide, platinum, etc. on a nickel substrate;
A cathode in which a ruthenium oxide coating is formed on a nickel-made wire netting substrate is exemplified.

本実施形態の電解槽の構成は、特に限定されず、単極式でも複極式でもよい。電解槽を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、陽極室の材料としては、塩化アルカリ及び塩素に耐性があるチタン等が好ましく;陰極室の材料としては、水酸化アルカリ及び水素に耐性があるニッケル等が好ましい。
本実施形態の電解用電極(陽極230)は、イオン交換膜250との間に適当な間隔を設けて配置してもよいし、イオン交換膜250と接触して配置されていても、何ら問題なく使用できる。陰極240は、イオン交換膜250と適当な間隔を設けて配置してもよいし、イオン交換膜250との間に間隔がない接触型の電解槽(ゼロギャップ式電解槽)であっても、何ら問題なく使用できる。
本実施形態の電解槽の電解条件については特に限定されず、公知の条件で運転することができる。例えば、電解温度を50〜120℃、電流密度を0.5〜10kA/mに調整して、電解を実施することが好ましい。
The configuration of the electrolytic cell of the present embodiment is not particularly limited, and may be a monopolar type or a bipolar type. The material constituting the electrolytic cell is not particularly limited. For example, as a material for the anode chamber, titanium or the like having resistance to alkali chloride and chlorine is preferable; As a material for the cathode chamber, resistance to alkali hydroxide and hydrogen is preferable. Is preferred.
The electrode for electrolysis (anode 230) of the present embodiment may be disposed with an appropriate interval between the electrode and the ion exchange membrane 250, or may be disposed in contact with the ion exchange membrane 250 without any problem. Can be used without. The cathode 240 may be disposed with an appropriate interval from the ion exchange membrane 250, or may be a contact type electrolytic cell (zero gap type electrolytic cell) having no interval between the ion exchange membrane 250 and the cathode 240. Can be used without any problem.
The electrolysis conditions of the electrolyzer of this embodiment are not particularly limited, and the electrolyzer can be operated under known conditions. For example, it is preferable to perform electrolysis while adjusting the electrolysis temperature to 50 to 120 ° C. and the current density to 0.5 to 10 kA / m 2 .

本実施形態の電解用電極は、食塩電解における電解電圧を従来よりも低下させることが可能である。そのため、該電解用電極を備える本実施形態の電解槽によれば、食塩電解に要する消費電力を低くすることができる。
更に本実施形態の電解用電極は、化学的、物理的、及び熱的に極めて安定な触媒層を有するため、長期の耐久性に優れる。よって、該電解用電極を備える本実施形態の電解槽によれば、長時間に亘って電極の触媒活性が高く維持され、高純度の塩素を安定して製造することが可能となる。
The electrode for electrolysis of the present embodiment can lower the electrolysis voltage in salt electrolysis as compared with the related art. Therefore, according to the electrolytic cell of the present embodiment including the electrode for electrolysis, the power consumption required for the salt electrolysis can be reduced.
Furthermore, the electrode for electrolysis of the present embodiment has a catalyst layer that is extremely chemically, physically, and thermally stable, and thus has excellent long-term durability. Therefore, according to the electrolytic cell of this embodiment including the electrode for electrolysis, the catalytic activity of the electrode is kept high for a long time, and high-purity chlorine can be stably produced.

以下に、本実施形態を実施例に基づいて更に詳細に説明する。本実施形態はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
先ず、実施例及び比較例における各評価方法について、以下に示す。
Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail based on examples. This embodiment is not limited only to these examples.
First, each evaluation method in Examples and Comparative Examples will be described below.

(イオン交換膜法食塩電解試験)
電解セルとして、陽極室を有する陽極セルと、陰極室を有する陰極セルと、を具備する電解セルを用意した。
各実施例及び比較例で準備した電解用電極を所定のサイズ(95×110mm=0.01045m)に切り出したものを試験用電極とし、該試験用電極を溶接によって陽極セルの陽極室のリブに装着して、陽極として用いた。
陰極としては、ニッケル製の金網基材の上に酸化ルテニウムの触媒被覆を行ったものを用いた。先ず、陰極セルの陰極室のリブ上に、集電体として金属ニッケル製のエキスパンド基材を、陽極と同じサイズで切り出して溶接した後、ニッケル製ワイヤーを編んだクッションマットを乗せ、その上に陰極を配置した。
ガスケットとしては、EPDM(エチレンプロピレンジエン)製のゴムガスケットを用い、陽極セルと陰極セルとの間にイオン交換膜を挟んだ。このイオン交換膜としては、食塩電解用の陽イオン交換膜「Aciplex」(登録商標)F6801(旭化成社製)を用いた。
(Ion exchange membrane method salt electrolysis test)
As the electrolysis cell, an electrolysis cell including an anode cell having an anode chamber and a cathode cell having a cathode chamber was prepared.
The electrode for electrolysis prepared in each of Examples and Comparative Examples was cut into a predetermined size (95 × 110 mm = 0.01045 m 2 ) to be used as a test electrode, and the test electrode was welded to a rib in the anode chamber of the anode cell. And used as an anode.
The cathode used was a nickel wire mesh base material coated with ruthenium oxide catalyst. First, on the rib of the cathode chamber of the cathode cell, an expanded base made of metal nickel as a current collector was cut out and welded in the same size as the anode, and then a cushion mat knitted with a nickel wire was placed thereon, and placed thereon. A cathode was placed.
As a gasket, a rubber gasket made of EPDM (ethylene propylene diene) was used, and an ion exchange membrane was sandwiched between an anode cell and a cathode cell. As the ion exchange membrane, a cation exchange membrane for salt electrolysis “Aciplex” (registered trademark) F6801 (manufactured by Asahi Kasei Corporation) was used.

塩素過電圧を測定するために、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)で被覆された白金線の先端約1mmの部分の被覆を除去して白金を露出させたものを、陽極のイオン交換膜とは反対側の面に、ポリテトラフルオロエチレン製の糸で結びつけて固定し、基準電極として用いた。電解試験中には、基準電極は発生した塩素ガスで飽和雰囲気になるため、塩素発生電位を示すこととなる。そこで、陽極の電位から基準電極の電位を差し引いたものを、陽極の塩素過電圧として評価した。
一方、電解電圧として、陰極と陽極との間の電位差を測定した。
陽極の初期電解性能を測定するため、過電圧及び電解電圧は、それぞれ、電解開始7日経過後の値を測定した。電解条件は、電流密度6kA/m、陽極セル内の塩水濃度205g/L、陰極セル内のNaOH濃度32質量%、温度90℃で行った。電解用の整流器としては、「PAD36−100LA」(菊水電子工業社製)を用いた。
In order to measure the chlorine overvoltage, the platinum wire coated with PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkylvinyl ether copolymer) was exposed at about 1 mm at the end to remove the platinum, and the platinum wire was removed from the anode. The surface opposite to the ion-exchange membrane was fixed by binding with a polytetrafluoroethylene thread and used as a reference electrode. During the electrolysis test, the reference electrode is in a saturated atmosphere with the generated chlorine gas, and thus exhibits a chlorine generation potential. Therefore, the value obtained by subtracting the potential of the reference electrode from the potential of the anode was evaluated as the chlorine overvoltage of the anode.
On the other hand, a potential difference between the cathode and the anode was measured as an electrolysis voltage.
In order to measure the initial electrolysis performance of the anode, the overvoltage and the electrolysis voltage were each measured 7 days after the start of electrolysis. The electrolysis was performed at a current density of 6 kA / m 2 , a salt water concentration of 205 g / L in the anode cell, a NaOH concentration of 32% by mass in the cathode cell, and a temperature of 90 ° C. As a rectifier for electrolysis, "PAD36-100LA" (manufactured by Kikusui Electronics Corporation) was used.

(加速試験)
陽極セルに装着する試験用電極として、58×48mm=0.002748mのサイズに切り出したものを用いたこと以外は、上述のイオン交換膜法食塩電解試験と同様の電解セルを用いた。
電解条件は、電流密度6kA/m、陽極セル内の塩水濃度205g/L、陰極セル内のNaOH濃度32質量%、温度90℃で行った。試験用電極の耐久性を確認するために、電解停止、電解セル内の水洗(10分間)、及び電解開始の一連の操作を7日に1回の頻度で行い、電解開始後7日毎に塩素過電圧(陽極過電圧)を測定した。更に、電解後の試験用電極における触媒層中のRu及びIrの残存率(100×電解前の含有量/電解後の含有量;%)を、電解前後における各金属成分の蛍光X線測定(XRF)により得られた数値を用いて算出した。XRF測定装置としては、Niton XL3t−800又はXL3t−800s(商品名、Thermo Scientific社製)を使用した。
(Accelerated test)
As a test electrode to be attached to the anode cell, except that used was a cut to a size of 58 × 48mm = 0.002748m 2, using the same electrolytic cell and the ion exchange membrane process sodium chloride electrolytic test described above.
The electrolysis was performed at a current density of 6 kA / m 2 , a salt water concentration of 205 g / L in the anode cell, a NaOH concentration of 32% by mass in the cathode cell, and a temperature of 90 ° C. In order to confirm the durability of the test electrode, a series of operations of stopping electrolysis, rinsing water in the electrolysis cell (for 10 minutes), and starting electrolysis are performed once every seven days. The overvoltage (anode overvoltage) was measured. Further, the residual ratio of Ru and Ir in the catalyst layer in the test electrode after electrolysis (100 × content before electrolysis / content after electrolysis;%) was measured by X-ray fluorescence measurement of each metal component before and after electrolysis ( XRF). Niton XL3t-800 or XL3t-800s (trade name, manufactured by Thermo Scientific) was used as the XRF measurement device.

(電気二重層容量の指標となるD値)
試験用電極を30×30mm=0.0009mのサイズに切り出し、電解セルにチタン製のネジで固定した。対極には白金メッシュを使用し、85〜90℃、塩水濃度205g/LのNaCl水溶液中において、電解電流密度1kA/m、2kA/m及び3kA/mで各5分間、4kA/mで30分間、試験陽極が塩素を発生させるよう電解を行った。
上述の電解後、参照極にAg/AgClを用いて、印加電位を0Vから0.3Vの範囲で、掃引速度10mV/秒、30mV/秒、50mV/秒、80mV/秒、100mV/秒、及び150mV/秒として、サイクリックボルタモグラムを測定し、0Vから0.3Vへの正方向掃引時の印加電位範囲の中心である0.15Vにおける電解電流密度と、0.3Vから0Vへの逆方向掃引時の印加電位範囲の中心である0.15Vにおける電解電流密度を測定し、それら2つの電解電流密度の差を上述の各掃引速度において得た。各掃引速度において得られた電解電流密度の差と、掃引範囲である0.3Vとの積は、掃引速度に略正比例し、その傾きを電気二重層容量の指標となるD値(C/m)として算出した。
(D value as an index of electric double layer capacity)
The test electrode was cut out into a size of 30 × 30 mm = 0.0009 m 2 and fixed to the electrolytic cell with titanium screws. The counter electrode was a platinum mesh, 85-90 ° C., the NaCl aqueous solution of brine concentration 205g / L, the electrolytic current density 1kA / m 2, 2kA / m 2 and 3 kA / m 2 at 5 minutes each, 4 kA / m Electrolysis was performed for 30 minutes at 2 so that the test anode generated chlorine.
After the above-described electrolysis, using Ag / AgCl as a reference electrode and applying an electric potential in a range of 0 V to 0.3 V, sweep speeds of 10 mV / sec, 30 mV / sec, 50 mV / sec, 80 mV / sec, 100 mV / sec, and The cyclic voltammogram was measured at 150 mV / sec, and the electrolytic current density at 0.15 V, which is the center of the applied potential range during the forward sweep from 0 V to 0.3 V, and the reverse sweep from 0.3 V to 0 V The electrolytic current density at 0.15 V, which is the center of the applied potential range at the time, was measured, and the difference between the two electrolytic current densities was obtained at each of the above-described sweep speeds. The product of the difference between the electrolytic current densities obtained at each sweep speed and the sweep range of 0.3 V is substantially directly proportional to the sweep speed, and its slope is represented by a D value (C / m) which is an index of the electric double layer capacity. 2 ).

[実施例1]
導電性基材として、目開きの大きい方の寸法(LW)が6mm、目開きの小さい方の寸法(SW)が3mm、板厚1.0mmのチタン製のエキスパンド基材を用いた。このエキスパンド基材を、大気中540℃で4時間焼成し、表面に酸化被膜を形成させた後、25質量%硫酸中において85℃で4時間酸処理を行い、導電性基材の表面に細かい凹凸を設ける前処理を施した。
次に、ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が21.25:21.25:42.5:15になるように、硝酸ルテニウム水溶液(フルヤ金属社製、ルテニウム濃度100g/L)をドライアイスで5℃以下に冷却及び撹拌しながら、四塩化チタン(和光純薬社製)を少量ずつ加えた後、更に塩化イリジウム水溶液(田中貴金属社製、イリジウム濃度100g/L)及び塩化バナジウム(III)(キシダ化学社製)を少量ずつ加えて、総金属濃度が100g/Lの水溶液である塗工液A1を得た。
[Example 1]
As the conductive base material, a titanium expanded base material having a larger opening (LW) of 6 mm, a smaller opening (SW) of 3 mm, and a plate thickness of 1.0 mm was used. This expanded base material is baked at 540 ° C. for 4 hours in the atmosphere to form an oxide film on the surface, and then subjected to an acid treatment at 25 ° C. for 4 hours in 25% by mass sulfuric acid to form a fine surface on the conductive base material. A pretreatment for providing irregularities was performed.
Next, an aqueous ruthenium nitrate solution (manufactured by Furuya Metal Co., Ltd., ruthenium concentration: 100 g / mol) was prepared so that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium was 21.25: 21.25: 42.5: 15. While cooling and stirring L) with dry ice to 5 ° C. or lower, titanium tetrachloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added little by little, and then an iridium chloride aqueous solution (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., iridium concentration 100 g / L) and Vanadium (III) chloride (manufactured by Kishida Chemical Co.) was added little by little to obtain a coating liquid A1 which was an aqueous solution having a total metal concentration of 100 g / L.

この塗工液A1を塗工機の液受けバット内に注入し、EPDM製スポンジロールを回転させることにより塗工液A1を吸い上げて含浸させ、該スポンジロールの上部に接するようにPVC製ロールを配置した。そして、前記EPDM製スポンジロールと前記PVC製ロールとの間に、前処理を施した導電性基材を通して塗工した。塗工後直ちに、布を巻いた2本のEPDM製スポンジロールの間に、上記塗工後の導電性基材を通し、過剰な塗工液を拭き取った。その後、50℃において10分間乾燥した後、大気中、400℃において10分間、焼成を行った。
上記のロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、焼成温度を450℃に昇温して更に3回繰り返し行い、最後に520℃における1時間の焼成を更に行うことにより、導電性基材上に黒褐色の触媒層を形成し、電解用電極を作製した。
The coating liquid A1 is poured into a liquid receiving vat of a coating machine, and the coating liquid A1 is sucked up and impregnated by rotating an EPDM sponge roll, and a PVC roll is brought into contact with an upper part of the sponge roll. Placed. Then, between the EPDM sponge roll and the PVC roll, a pretreated conductive base material was applied. Immediately after coating, the conductive substrate after the coating was passed between two EPDM sponge rolls wound with cloth, and excess coating liquid was wiped off. Then, after drying at 50 ° C. for 10 minutes, baking was performed at 400 ° C. for 10 minutes in the air.
The cycle consisting of the above-mentioned roll coating, drying and baking is repeated three more times with the baking temperature raised to 450 ° C., and finally baking at 520 ° C. for one hour is further performed. A black-brown catalyst layer was formed on the upper surface to produce an electrode for electrolysis.

[比較例1]
ルテニウムとイリジウムとチタンとの元素比(モル比)が25:25:50になるように、塩化ルテニウム水溶液(田中貴金属社製、ルテニウム濃度100g/L)をドライアイスで5℃以下に冷却及び撹拌しながら、四塩化チタン(和光純薬社製)を少量ずつ加えた後、更に塩化イリジウム水溶液(田中貴金属社製、イリジウム濃度100g/L)を少量ずつ加えて、総金属濃度が100g/Lの水溶液である塗工液B1を得た。この塗工液B1を用いたこと、及びロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、1回目の焼成温度を440℃とし、次いで475℃に昇温して更に3回繰り返し行い、最後に520℃における1時間の焼成を更に行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Comparative Example 1]
Cool and stir a ruthenium chloride aqueous solution (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., ruthenium concentration 100 g / L) with dry ice to 5 ° C or less so that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, and titanium is 25:25:50. While adding titanium tetrachloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) little by little, an iridium chloride aqueous solution (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., iridium concentration 100 g / L) was added little by little, and the total metal concentration was 100 g / L. A coating solution B1 as an aqueous solution was obtained. The cycle consisting of using this coating liquid B1, and roll coating, drying, and firing was repeated three more times by setting the first firing temperature to 440 ° C., then raising the temperature to 475 ° C., and finally An electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1 except that the firing at 520 ° C. was further performed for 1 hour.

[実施例2]
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が25.45:25.45:30:19.1になるように調合した塗工液A2を用いて、導電性基材に塗工したこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Example 2]
Using a coating liquid A2 prepared so that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium is 25.45: 25.45: 30: 19.1, the conductive base material is coated. An electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1 except that the above procedure was performed.

[実施例3]
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が28.75:28.75:20:22.5になるように調合した塗工液A3を用いて、導電性基材に塗工したこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Example 3]
Using a coating liquid A3 prepared such that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium is 28.75: 28.75: 20: 22.5, coating is performed on a conductive substrate. An electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1 except that the above procedure was performed.

[実施例4]
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が32.05:32.05:10:25.9になるように調合した塗工液A4を用いて導電性基材に塗工したこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Example 4]
The conductive substrate was coated using a coating liquid A4 prepared such that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium was 32.05: 32.05: 10: 25.9. Except for this, an electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1.

[実施例5]
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が17.5:17.5:35:30になるように調合した塗工液A5を用いて導電性基材に塗工したこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Example 5]
Except that the conductive base material was coated using a coating liquid A5 prepared such that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium was 17.5: 17.5: 35: 30. Produced an electrode for electrolysis in the same manner as in Example 1.

実施例1〜5及び比較例1でそれぞれ作製した電解用電極の構成(触媒層の形成に用いた塗工液の金属組成)を、測定した電気二重層容量の指標となるD値と共に表1に示す。表中の単位「mol%」とは、形成した触媒層に含まれる全金属元素に対するモル百分率(仕込み比)を意味する。また、第一遷移金属元素/Ruの値及び第一遷移金属元素/Tiの値は当該仕込み比から算出した値である。   Table 1 shows the configuration (metal composition of the coating solution used for forming the catalyst layer) of each of the electrodes for electrolysis prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 together with the measured D value as an index of the electric double layer capacity. Shown in The unit “mol%” in the table means a molar percentage (charge ratio) based on all metal elements contained in the formed catalyst layer. Further, the value of the first transition metal element / Ru and the value of the first transition metal element / Ti are values calculated from the charging ratio.

[イオン交換膜法食塩電解試験]
実施例1〜5及び比較例1でそれぞれ作製した電解用電極を用いて、イオン交換膜法食塩電解試験を実施した。その結果を表2に示す。
[Ion exchange membrane salt electrolysis test]
Using the electrodes for electrolysis prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, a salt electrolysis test using an ion exchange membrane method was performed. Table 2 shows the results.

電流密度6kA/mにおける電解電圧は、実施例1及び2において2.94V、実施例3及び4において、それぞれ2.92V、また、実施例5において2.91Vであり、比較例1における2.99Vに比較して、いずれも極めて低い値を示した。
また陽極過電圧は、実施例1において0.032V、実施例2において0.034V、実施例3及び実施例4において、それぞれ0.032V、また、実施例5において0.031Vであり、比較例1における0.057Vと比較して、いずれも低い値を示した。
The electrolysis voltage at a current density of 6 kA / m 2 was 2.94 V in Examples 1 and 2, 2.92 V in Examples 3 and 4, and 2.91 V in Example 5, respectively. In each case, the value was extremely low as compared with 0.99V.
The anode overvoltage was 0.032 V in Example 1, 0.034 V in Example 2, 0.032 V in Examples 3 and 4, and 0.031 V in Example 5, respectively. In each case, the value was lower than 0.057V.

[実施例6]
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が37:33.35:11.15:18.5になるように調合した塗工液A6を用いて導電性基材に塗工したこと、及びロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、1回目の焼成温度を310℃とし、次いで520℃に昇温して更に3回繰り返し行い、更に520℃における1時間の焼成を行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Example 6]
The conductive substrate was coated using a coating liquid A6 prepared such that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium was 37: 33.35: 11.15: 18.5. And a cycle consisting of roll coating, drying, and baking, the first baking temperature was set to 310 ° C., then the temperature was raised to 520 ° C., and the cycle was repeated three more times, and further baking was performed at 520 ° C. for one hour. An electrode for electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1 except for this.

[実施例7]
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が31.25:28.1:9.4:31.25になるように調合した塗工液A7を用いて導電性基材に塗工したこと、及びロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、1回目の焼成温度を380℃とし、次いで450℃に昇温して更に3回繰り返し行い、更に450℃における1時間の焼成を行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Example 7]
Coating the conductive substrate with the coating liquid A7 prepared so that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium is 31.25: 28.1: 9.4: 31.25. The first baking temperature was set to 380 ° C., then the temperature was increased to 450 ° C., and the cycle consisting of roll coating, drying, and baking was repeated three more times, followed by baking at 450 ° C. for one hour. An electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was performed.

[実施例8]
硝酸ルテニウム水溶液ではなく塩化ルテニウム水溶液(田中貴金属社製、ルテニウム濃度100g/L)を用いたこと、ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が19.6:20.2:47.09:13.11になるように調合した塗工液A8を用いて導電性基材に塗工したこと、及びロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、1回目から8回目の焼成温度を393℃とし、次いで485℃における1時間の焼成を行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
Example 8
A ruthenium chloride aqueous solution (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., ruthenium concentration 100 g / L) was used instead of the ruthenium nitrate aqueous solution, and the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium was 19.6: 20.2: 47. 0.09: 13.11 The first to eighth firings were performed on the conductive substrate using the coating liquid A8 prepared in such a manner that the coating was performed on the conductive substrate, and the cycle of roll coating, drying, and firing was performed. An electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1, except that the temperature was set to 393 ° C., and then firing was performed at 485 ° C. for 1 hour.

[実施例9]
硝酸ルテニウム水溶液ではなく塩化ルテニウム水溶液(田中貴金属社製、ルテニウム濃度100g/L)を用いたこと、塩化バナジウム(III)ではなく塩化コバルト(II)六水和物(和光純薬社製)を用いたこと、ルテニウムとイリジウムとチタンとコバルトとの元素比(モル比)が50:3:30:17になるように調合した塗工液A9を用いて導電性基材に塗工したこと、並びに、ロール塗工、乾燥及び焼成から成るサイクルを、1回目の焼成温度を440℃とし、次いで475℃に昇温して更に3回繰り返し行い、最後に520℃における1時間の焼成を更に行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Example 9]
Ruthenium chloride aqueous solution (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., ruthenium concentration 100 g / L) was used instead of ruthenium nitrate aqueous solution, and cobalt (II) chloride hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) was used instead of vanadium (III) chloride. Coating on a conductive substrate using a coating solution A9 prepared such that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and cobalt is 50: 3: 30: 17; and , A cycle consisting of roll coating, drying and baking was repeated at the first baking temperature of 440 ° C., then raised to 475 ° C., and further repeated three times. Finally, baking at 520 ° C. for one hour was further performed. Except for this, an electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1.

[実施例10]
塩化バナジウム(III)ではなく硝酸銅(II)三水和物(和光純薬社製)を用いたこと、ルテニウムとイリジウムとチタンと銅との元素比(モル比)が32.05:32.05:10:25.9になるように調合した塗工液A10を用いて導電性基材に塗工したこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Example 10]
Copper (II) nitrate trihydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of vanadium (III) chloride, and the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and copper was 32.05: 32. An electrode for electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1, except that the conductive substrate was coated with the coating liquid A10 prepared so that the ratio became 05: 10: 25.9.

[実施例11]
塩化バナジウム(III)ではなく硝酸亜鉛(II)六水和物(和光純薬社製)を用いたこと、ルテニウムとイリジウムとチタンと亜鉛との元素比(モル比)が32.05:32.05:10:25.9になるように調合した塗工液A11を用いて導電性基材に塗工したこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Example 11]
Zinc (II) nitrate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of vanadium (III) chloride, and the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and zinc was 32.05: 32. An electrode for electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1, except that the coating solution was applied to the conductive base material using the coating liquid A11 prepared so as to be 05: 10: 25.9.

[比較例2]
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が20:18:60:2になるように調合した塗工液B2を用いて導電性基材に塗工したこと、塗工液の調合に塩化ルテニウム水溶液(田中貴金属社製、ルテニウム濃度100g/L)を用いたこと、及びロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、1回目の焼成温度を450℃とし、引き続き450℃で更に3回繰り返し行い、更に450℃における1時間の焼成を行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Comparative Example 2]
Coating on a conductive substrate using a coating liquid B2 prepared such that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium is 20: 18: 60: 2; A ruthenium chloride aqueous solution (Tanaka Kikinzoku Co., ruthenium concentration 100 g / L) was used for the preparation, and a cycle consisting of roll coating, drying, and baking was performed at a first baking temperature of 450 ° C. and subsequently at 450 ° C. An electrode for electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1, except that the process was repeated three more times, and firing was further performed at 450 ° C. for one hour.

[比較例3]
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が22.7:20.5:34.1:22.7になるように調合した塗工液B3を用いて導電性基材に塗工したこと、及びロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、1回目の焼成温度を380℃とし、引き続き380℃で更に3回繰り返し行い、最後に590℃における1時間の焼成を更に行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Comparative Example 3]
The conductive base material is coated using a coating liquid B3 prepared such that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium becomes 22.7: 20.5: 34.1: 22.7. The first baking temperature was set to 380 ° C., and the cycle consisting of roll coating, drying, and baking was repeated three more times at 380 ° C., and finally, baking at 590 ° C. for one hour was further performed. An electrode for electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1 except for this.

[比較例4]
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が28.6:25.7:42.8:2.9になるように調合した塗工液B4を用いて導電性基材に塗工したこと、及びロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、1回目の焼成温度を450℃とし、次いで520℃に昇温して更に3回繰り返し行い、更に520℃における1時間の焼成を行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Comparative Example 4]
The conductive base material is coated using a coating liquid B4 prepared such that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium becomes 28.6: 25.7: 42.8: 2.9. The first baking temperature was 450 ° C., the temperature was raised to 520 ° C., and the cycle consisting of roll coating, drying, and baking was repeated three more times, followed by baking at 520 ° C. for one hour. An electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was performed.

[比較例5]
ルテニウムとイリジウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が18.5:16.7:55.55:9.25になるように調合した塗工液B5を用いて導電性基材に塗工したこと、塗工液の調合に塩化ルテニウム水溶液(田中貴金属社製、ルテニウム濃度100g/L)を用いたこと、及びロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、1回目の焼成温度を310℃とし、次いで380℃に昇温して更に3回繰り返し行い、最後に590℃における1時間の焼成を更に行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Comparative Example 5]
The conductive substrate is coated using a coating liquid B5 prepared such that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and vanadium is 18.5: 16.7: 55.55: 9.25. The process of using a ruthenium chloride aqueous solution (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., ruthenium concentration 100 g / L) for the preparation of the coating liquid, and a cycle consisting of roll coating, drying, and firing were performed at the first firing temperature. An electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1 except that the temperature was raised to 310 ° C., then the temperature was raised to 380 ° C., and the process was repeated three more times. Finally, firing was further performed at 590 ° C. for 1 hour. .

[比較例6]
実施例1における塩化バナジウム(III)の代わりに硝酸マンガン(和光純薬社製)を使用し、ルテニウムとイリジウムとチタンとマンガンとの元素比(モル比)が21.25:21.25:42.5:15になるように調合した塗工液B6を用いて導電性基材に塗工したこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Comparative Example 6]
Manganese nitrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of vanadium (III) chloride in Example 1, and the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and manganese was 21.25: 21.25: 42. An electrode for electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1, except that the coating was applied to the conductive substrate using the coating liquid B6 prepared so that the ratio became 0.5: 15.

[比較例7]
実施例1における塩化バナジウム(III)の代わりに硝酸亜鉛(和光純薬社製)を使用し、ルテニウムとイリジウムとチタンと亜鉛との元素比(モル比)が21.25:21.25:42.5:15になるように調合した塗工液B7を用いて導電性基材に塗工したこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Comparative Example 7]
Instead of vanadium (III) chloride in Example 1, zinc nitrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used, and the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and zinc was 21.25: 21.25: 42. An electrode for electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1, except that the coating liquid B7 prepared to give a ratio of 0.5: 15 was applied to the conductive substrate.

[比較例8]
実施例1における塩化バナジウム(III)の代わりに硝酸パラジウム(和光純薬社製)を使用し、ルテニウムとイリジウムとチタンとパラジウムとの元素比(モル比)が16.9:15.4:50.8:16.9になるように調合した塗工液B8を用いて導電性基材に塗工したこと、及びロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、1回目の焼成温度を450℃とし、次いで520℃に昇温して更に3回繰り返し行い、最後に590℃における1時間の焼成を更に行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Comparative Example 8]
Palladium nitrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of vanadium (III) chloride in Example 1, and the element ratio (molar ratio) of ruthenium, iridium, titanium, and palladium was 16.9: 15.4: 50. .8: 16.9 was applied to the conductive substrate using the coating liquid B8, and a cycle consisting of roll coating, drying, and firing was performed at a first firing temperature of 450. ° C, then raised to 520 ° C and repeated three more times. Finally, an electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1, except that firing was further performed at 590 ° C for 1 hour.

[比較例9]
ルテニウムとチタンとバナジウムとの元素比(モル比)が40:40:20になるように調合した塗工液B9を用いて導電性基材に塗工したこと、塗工液の調合に塩化ルテニウム水溶液(田中貴金属社製、ルテニウム濃度100g/L)を用いたこと、及びロール塗工、乾燥、及び焼成から成るサイクルを、1回目の焼成温度を440℃とし、次いで475℃に昇温して更に3回繰り返し行い、最後に520℃における1時間の焼成を更に行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、電解用電極を作製した。
[Comparative Example 9]
Coating on a conductive substrate using a coating solution B9 prepared such that the element ratio (molar ratio) of ruthenium, titanium and vanadium is 40:40:20, and ruthenium chloride for preparing the coating solution An aqueous solution (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., ruthenium concentration 100 g / L) was used, and the cycle consisting of roll coating, drying, and firing was performed by setting the first firing temperature to 440 ° C., and then raising the temperature to 475 ° C. An electrode for electrolysis was produced in the same manner as in Example 1, except that the process was repeated three more times, and finally, firing was further performed at 520 ° C. for one hour.

実施例6〜11、及び比較例2〜9のそれぞれで作製した電解用電極の構成(触媒層の形成に用いた塗工液の金属組成)を、測定した電気二重層容量の指標となるD値と共に表3に示す。表中の単位「mol%」とは、形成した触媒層に含まれる全金属元素に対するモル百分率(仕込み比)を意味する。また、第一遷移金属元素/Ruの値及び第一遷移金属元素/Tiの値は当該仕込み比から算出した値である。   The configuration of the electrode for electrolysis (the metal composition of the coating solution used for forming the catalyst layer) prepared in each of Examples 6 to 11 and Comparative Examples 2 to 9 was determined as an index of the measured electric double layer capacity. The values are shown in Table 3 together with the values. The unit “mol%” in the table means a molar percentage (charge ratio) based on all metal elements contained in the formed catalyst layer. Further, the value of the first transition metal element / Ru and the value of the first transition metal element / Ti are values calculated from the charging ratio.

[加速試験]
実施例1〜11及び比較例1〜9のそれぞれで作製した電解用電極を用いて、加速試験を実施した。その結果を表4に示す。なお、比較例9はルテニウムの耐久性が低かったため、14日後に試験を中止した時点での評価結果である。
[Accelerated test]
Acceleration tests were performed using the electrodes for electrolysis prepared in Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 9, respectively. Table 4 shows the results. Comparative Example 9 is an evaluation result when the test was stopped after 14 days because the durability of ruthenium was low.

21日間の加速試験を実施したところ、以下のことが分かった。
実施例1〜11の電解用電極は、試験開始1日後の陽極過電圧が0.030〜0.045Vであり、かつ、21日後の陽極過電圧が0.030〜0.039Vであった。これに対して、比較例1〜8の電解用電極は、試験開始1日後の陽極過電圧が0.042〜0.110Vであり、かつ、21日後の陽極過電圧が0.043〜0.093Vであった。このように、実施例は、比較例に比べて、電解初期かつ長期に亘って低電圧・低消費電力で電解可能であることが検証された。
また、実施例1〜11においては、陽極過電圧が同程度の比較例9と比較して、試験開始21日後でもRu及びIr残存率がともに高く、陽極過電圧を低く維持しながら長期間の電解における耐久性としても十分であることが検証された。
When the accelerated test was performed for 21 days, the following was found.
In the electrodes for electrolysis of Examples 1 to 11, the anode overvoltage one day after the start of the test was 0.030 to 0.045 V, and the anode overvoltage after 21 days was 0.030 to 0.039 V. On the other hand, in the electrodes for electrolysis of Comparative Examples 1 to 8, the anode overvoltage one day after the start of the test was 0.042 to 0.110 V, and the anode overvoltage after 21 days was 0.043 to 0.093 V. there were. As described above, it was verified that the examples can perform electrolysis with low voltage and low power consumption in the initial stage of electrolysis and over a long period of time, as compared with the comparative example.
Further, in Examples 1 to 11, the Ru and Ir residual ratios were both high even after 21 days from the start of the test, as compared with Comparative Example 9 in which the anode overvoltage was almost the same. It was verified that the durability was sufficient.

本出願は、2016年11月22日出願の日本特許出願(特願2016−227066号)に基づくものであり、それらの内容はここに参照として取り込まれる。   This application is based on Japanese Patent Application No. 2006-227066 filed on November 22, 2016, the contents of which are incorporated herein by reference.

本発明の電解用電極は、低い塩素発生過電圧を示し、低電圧・低消費電力量で電解できるため、食塩電解の分野において好適に利用できる。特に、イオン交換膜法食塩電解用陽極として有用であり、酸素ガス濃度の低い高純度の塩素ガスを長期に亘って低電圧・低消費電力量で製造することを可能とする。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The electrode for electrolysis of the present invention exhibits a low chlorine overvoltage and can be electrolyzed with low voltage and low power consumption, and thus can be suitably used in the field of salt electrolysis. In particular, it is useful as an anode for ion exchange membrane method salt electrolysis, and makes it possible to produce high-purity chlorine gas having a low oxygen gas concentration with low voltage and low power consumption over a long period of time.

200 電気分解用電解槽
210 電解液
220 容器
230 陽極(電解用電極)
240 陰極
250 イオン交換膜
260 配線
200 electrolytic cell for electrolysis 210 electrolytic solution 220 container 230 anode (electrode for electrolysis)
240 Cathode 250 Ion exchange membrane 260 Wiring

Claims (9)

導電性基材と、
前記導電性基材の表面上に形成された触媒層と、
を備える電解用電極であって、
前記触媒層が、ルテニウム元素、イリジウム元素、チタン元素、並びに、Sc、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu及びZnからなる群より選択される少なくとも一種の第一遷移金属元素を含み、
前記触媒層に含まれる第一遷移金属元素の前記チタン元素1モルに対する含有割合が、0.25モル%以上3.4モル%未満であり、
前記電解用電極の電気二重層容量の指標となるD値が120C/m以上420C/m以下である、電解用電極。
A conductive substrate;
A catalyst layer formed on the surface of the conductive substrate,
An electrode for electrolysis comprising:
The catalyst layer contains a ruthenium element, an iridium element, a titanium element, and at least one first transition metal element selected from the group consisting of Sc, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn,
A content ratio of the first transition metal element contained in the catalyst layer to 1 mol of the titanium element is 0.25 mol% or more and less than 3.4 mol%,
The D values indicative of the electric double layer capacity of the electrode for electrolysis is 120C / m 2 or more 420C / m 2 or less, the electrode for electrolysis.
前記第一遷移金属元素が、ルテニウム酸化物、イリジウム酸化物及びチタン酸化物の固溶体と、固溶体を形成している、請求項1に記載の電解用電極。   The electrode for electrolysis according to claim 1, wherein the first transition metal element forms a solid solution with a solid solution of ruthenium oxide, iridium oxide, and titanium oxide. 前記第一遷移金属元素が、バナジウム、コバルト、銅及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素を含む、請求項1又は2に記載の電解用電極。   3. The electrode for electrolysis according to claim 1, wherein the first transition metal element includes at least one metal element selected from the group consisting of vanadium, cobalt, copper, and zinc. 前記第一遷移金属元素が、バナジウム元素を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解用電極。   The electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 3, wherein the first transition metal element includes a vanadium element. 前記触媒層に含まれる全ての金属元素に対する前記第一遷移金属元素の含有率が、10モル%以上30モル%以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電解用電極。   The electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 4, wherein a content of the first transition metal element with respect to all metal elements included in the catalyst layer is 10 mol% or more and 30 mol% or less. 前記触媒層に含まれる前記第一遷移金属元素の前記ルテニウム元素1モルに対する含有割合が、0.3モル以上2モル未満である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電解用電極。   The electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 5, wherein a content ratio of the first transition metal element contained in the catalyst layer to 1 mol of the ruthenium element is 0.3 mol or more and less than 2 mol. . 前記D値が、120C/m以上380C/m以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電解用電極。The electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 6, wherein the D value is 120 C / m 2 or more and 380 C / m 2 or less. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の電解用電極を製造するための方法であって、
ルテニウム化合物、イリジウム化合物、チタン化合物、及び、前記第一遷移金属元素を含む化合物を含有する塗工液を調製する工程と、
前記塗工液を前記導電性基材の少なくとも片面上に塗工して塗膜を形成する工程と、
前記塗膜を酸素含有雰囲気下で焼成して前記触媒層を形成する工程と、
を有する、電解用電極の製造方法。
A method for producing an electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 7,
Ruthenium compound, iridium compound, titanium compound, and a step of preparing a coating solution containing a compound containing the first transition metal element,
A step of applying the coating liquid on at least one surface of the conductive substrate to form a coating film,
Baking the coating film under an oxygen-containing atmosphere to form the catalyst layer,
A method for producing an electrode for electrolysis, comprising:
請求項1〜7のいずれか一項に記載の電解用電極を備える、電解槽。   An electrolytic cell comprising the electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 7.
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