JP6728776B2 - Catalyst composition, electrode for organic wastewater treatment device, and organic wastewater treatment device - Google Patents

Catalyst composition, electrode for organic wastewater treatment device, and organic wastewater treatment device Download PDF

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Description

本発明は、触媒組成物、有機廃水処理装置用電極及び有機廃水処理装置に関する。 The present invention relates to a catalyst composition, an electrode for an organic wastewater treatment device, and an organic wastewater treatment device.

近年、工場廃水、家庭廃水、下水等の有機廃水を分解する際にエネルギーを回収する方法として、発電性微生物を用いた有機廃水処理システムが注目されている。ここで、有機廃水は、有機物を含む廃水であり、有機性廃水ともいう。 In recent years, as a method of recovering energy when decomposing organic wastewater such as factory wastewater, domestic wastewater, and sewage, an organic wastewater treatment system using a power-generating microorganism has been attracting attention. Here, the organic wastewater is wastewater containing organic matter, and is also called organic wastewater.

一般に、有機廃水の処理には、活性汚泥法、散水ろ床法、嫌気性消化法などが用いられる。微生物によるこれらの方法は、有機性物質を効率よく短時間にかつ経済的に処理できる一方、有機廃水を処理した後の増殖した微生物由来の発生汚泥を処理するエネルギーが大きな課題のひとつである。 Generally, an activated sludge method, a sprinkling filter method, an anaerobic digestion method, etc. are used for the treatment of organic wastewater. While these methods using microorganisms can treat organic substances efficiently and in a short time and economically, energy for treating sludge generated from microorganisms grown after treating organic wastewater is one of the major problems.

発電性微生物を用いた有機廃水処理システムは、微生物が廃水中の有機物を分解する際に発電をする機能を活用してエネルギーを回収できる。それだけでなく、微生物の増殖に使うエネルギーを発電に使うため、汚泥発生量も抑えられる。これらのことから、次世代の有機廃水処理システムとして期待されている。 An organic wastewater treatment system using a power-generating microorganism can recover energy by utilizing a function of generating electricity when a microorganism decomposes organic matter in wastewater. Not only that, but the amount of sludge generated is also suppressed because the energy used for the growth of microorganisms is used for power generation. From these things, it is expected as a next-generation organic wastewater treatment system.

このように微生物の発電機能を利用することから、キーとなる発電装置は、微生物燃料電池と呼ばれている。 Since the power generation function of microorganisms is utilized in this way, a key power generation device is called a microbial fuel cell.

微生物燃料電池は、アノードと、イオン透過性膜(隔膜)と、カソードと、が順に並べられた構成を有する。そして、アノードとカソードとは、導線により接続されている。 The microbial fuel cell has a configuration in which an anode, an ion permeable membrane (diaphragm), and a cathode are arranged in order. The anode and the cathode are connected by a conducting wire.

微生物燃料電池においては、アノードの表面には、嫌気性の微生物を定着させ、または流入させ、そこに有機性物質を含む液体を流す。また、カソードに空気を流し、カソードに空気を接触させる。アノードでは、微生物が有機性物質を分解する際にプロトン(H)及び電子(e)が生成される。プロトンは、電解質であるプロトン伝導性膜を透過して、カソード側に移動し、カソード側の空気中の酸素と反応することで発電する。これにより、アノードとカソードとを接続する導線に流れる電気エネルギーを回収できる。 In a microbial fuel cell, anaerobic microorganisms are settled or flowed into the surface of the anode, and a liquid containing an organic substance is flown therein. Further, air is caused to flow through the cathode so that the air comes into contact with the cathode. At the anode, protons (H + ) and electrons (e ) are generated when microorganisms decompose organic substances. Protons pass through a proton conductive membrane that is an electrolyte, move to the cathode side, and react with oxygen in the air on the cathode side to generate electricity. As a result, the electric energy flowing through the conducting wire that connects the anode and the cathode can be recovered.

特許文献1には、有機性廃水の処理により発生する余剰汚泥に含まれる汚泥微生物の細胞膜等を破壊して、微生物燃料電池の燃料源とする、余剰汚泥を用いた発電方法が開示されている。また、特許文献1には、余剰汚泥は、前処理槽において加温されるとともに、添加される硫酸によってpHが1.5程度に保たれること、及び、前処理槽で得られた高濃度の溶解性有機分を含む上澄水を微生物燃料電池に送ることも記載されている。 Patent Document 1 discloses a power generation method using surplus sludge, which destroys cell membranes and the like of sludge microorganisms contained in surplus sludge generated by treatment of organic wastewater and serves as a fuel source for a microbial fuel cell. .. Further, in Patent Document 1, the excess sludge is heated in the pretreatment tank, and the pH is maintained at about 1.5 by the added sulfuric acid, and the high concentration obtained in the pretreatment tank. It is also described to send the supernatant water containing the soluble organic components of the above to a microbial fuel cell.

このような微生物燃料電池に用いられるカソードとしては、システムの簡便性及びコストの観点から、一般に、空気中の酸素が電解質とは反対の面に流入するように構成したエアカソードと呼ばれるものを用いる方式が採用されている。エアカソードでは、酸素とアノードからのプロトンおよび電子とが反応し、発電し、エネルギー回収に寄与する。その際、上記反応を促進させるために、触媒が必要となる。 As the cathode used in such a microbial fuel cell, from the viewpoint of system simplicity and cost, generally used is one called an air cathode configured so that oxygen in the air flows into the surface opposite to the electrolyte. The method is adopted. At the air cathode, oxygen reacts with protons and electrons from the anode to generate electricity and contribute to energy recovery. At that time, a catalyst is required to accelerate the above reaction.

特許文献2には、カーボンペーパーの片面に白金触媒を塗布したエアカソードを有する微生物燃料電池が開示されている。 Patent Document 2 discloses a microbial fuel cell having an air cathode in which a platinum catalyst is coated on one surface of carbon paper.

特開2006−66284号公報JP, 2006-66284, A 特開2015−41477号公報JP, 2015-41477, A

微生物燃料電池においては、微生物由来の発生汚泥を低減し、発電によりエネルギーを回収する過程において、エアカソードの有機廃水による汚染や浸潤、及び電気化学的な負荷によるカソード性能の低下を根本的に解決することは困難である。 In the microbial fuel cell, in the process of reducing sludge generated from microorganisms and recovering energy by power generation, the fundamental solution to the pollution and infiltration of air cathode organic wastewater and the deterioration of cathode performance due to electrochemical load Is difficult to do.

特許文献2に記載のエアカソードは、導電性基材として炭素繊維を用い、この炭素繊維に触媒を担持した構成を有する。このため、有機廃水による汚染や浸潤、及び電気化学的負荷により、耐久性が十分得られない可能性がある。さらに、高価な白金を用いていることから、エアカソードのコストメリットが得られない。 The air cathode described in Patent Document 2 has a configuration in which carbon fibers are used as a conductive base material and a catalyst is carried on the carbon fibers. For this reason, there is a possibility that sufficient durability may not be obtained due to contamination and infiltration with organic wastewater and an electrochemical load. Further, since expensive platinum is used, the cost merit of the air cathode cannot be obtained.

本発明は、微生物燃料電池に用いるカソードの耐久性を向上することを目的とする。 An object of the present invention is to improve the durability of a cathode used in a microbial fuel cell.

本発明は、有機廃水処理に用いる電極を構成する触媒組成物であって、触媒と、薄片化黒鉛と、バインダと、を備え、触媒として、窒素を含有する炭素質材料を含み、薄片化黒鉛100質量部に対する触媒の含有量は、10質量部以上50質量部以下である。 The present invention is a catalyst composition constituting an electrode used for treating organic wastewater, comprising a catalyst, exfoliated graphite, and a binder, and containing a carbonaceous material containing nitrogen as a catalyst. The content of the catalyst with respect to 100 parts by mass is 10 parts by mass or more and 50 parts by mass or less.

本発明によれば、微生物燃料電池に用いるカソードの耐久性を向上することができる。 According to the present invention, the durability of the cathode used in the microbial fuel cell can be improved.

本発明に係る有機廃水処理装置を示す模式構成図である。It is a schematic block diagram which shows the organic wastewater treatment apparatus which concerns on this invention. 触媒組成物の触媒耐久性の評価結果を示すグラフである。It is a graph which shows the evaluation result of the catalyst durability of a catalyst composition.

以下、本発明の一実施形態に係る触媒組成物を用いた有機廃水処理装置(微生物燃料電池)について説明する。 Hereinafter, an organic wastewater treatment device (microbial fuel cell) using the catalyst composition according to one embodiment of the present invention will be described.

図1は、有機廃水処理装置の構成の一例を模式的に示したものである。 FIG. 1 schematically shows an example of the configuration of an organic wastewater treatment device.

本図において、有機廃水処理装置100(微生物燃料電池)は、アノード101と、カソード103と、有機廃水槽105と、を備えている。カソード103は、基材と触媒とを有する。アノード101には、微生物が配置されている。カソード103の表面には、イオン透過膜102が付設されている。カソード103の中央部には、ガス供給部104が設けられている。ガス供給部104には、酸素又は空気を供給することができるようになっている。すなわち、カソード103は、エアカソードとして機能する。有機廃水は、有機廃水供給路106から有機廃水槽105に連続的に供給され、有機廃水排出路107から排出されるようになっている。アノード101とカソード103とは、導線で電気的に接続されている。導線には、負荷108が設けられている。 In the figure, an organic wastewater treatment device 100 (microbial fuel cell) includes an anode 101, a cathode 103, and an organic wastewater tank 105. The cathode 103 has a base material and a catalyst. Microorganisms are arranged on the anode 101. An ion permeable film 102 is attached to the surface of the cathode 103. A gas supply unit 104 is provided at the center of the cathode 103. Oxygen or air can be supplied to the gas supply unit 104. That is, the cathode 103 functions as an air cathode. The organic wastewater is continuously supplied from the organic wastewater supply passage 106 to the organic wastewater tank 105, and is discharged from the organic wastewater discharge passage 107. The anode 101 and the cathode 103 are electrically connected by a conductive wire. A load 108 is provided on the conductive wire.

本図に示すように、微生物燃料電池の場合、カソード103は、エアカソードであることが望ましい。 As shown in this figure, in the case of a microbial fuel cell, the cathode 103 is preferably an air cathode.

<カソード>
カソード103に用いる触媒組成物について説明する。
<Cathode>
The catalyst composition used for the cathode 103 will be described.

カソードは、基材に触媒組成物を塗布し、乾燥することにより作製される。 The cathode is produced by applying a catalyst composition to a base material and drying.

触媒組成物は、触媒として窒素を含有する炭素質材料(窒素含有炭素質材料)を用い、さらに、薄片化された黒鉛(薄片化黒鉛)と、それらを結着するバインダと、を含む。触媒である窒素含有炭素質材料と、薄片化黒鉛と、がバインダ中に均一に分散することで、触媒と空気中の酸素との接触面が広くなり、酸素還元反応が促進し、カソード性能が向上する。また、継続的な発電の過程で窒素含有炭素質材料のカーボンが腐食されても、炭素質材料の中でも安定な構造を有する薄片化黒鉛が酸素還元反応に必要な電子の伝導体として働くことができる。その結果、カソード性能の耐久性向上が可能となる。 The catalyst composition uses a carbonaceous material containing nitrogen (nitrogen-containing carbonaceous material) as a catalyst, and further contains exfoliated graphite (exfoliated graphite) and a binder for binding them. By uniformly dispersing the nitrogen-containing carbonaceous material that is the catalyst and the exfoliated graphite in the binder, the contact surface between the catalyst and oxygen in the air is widened, the oxygen reduction reaction is promoted, and the cathode performance is improved. improves. Further, even if carbon of the nitrogen-containing carbonaceous material is corroded in the process of continuous power generation, exfoliated graphite having a stable structure among carbonaceous materials may function as an electron conductor necessary for the oxygen reduction reaction. it can. As a result, the durability of the cathode performance can be improved.

本明細書において、酸素還元とは、下記反応式(1)及び(2)で表される反応のいずれかを意味する。 In the present specification, oxygen reduction means either of the reactions represented by the following reaction formulas (1) and (2).

+ 2HO + 4e → 4OH …反応式(1)
+ 4H + 4e → 2HO …反応式(2)
窒素含有炭素質材料は、少なくとも炭素の網目構造の中に窒素を含んでいる構造を有しており、その窒素近傍で酸素還元反応が進行すると考えられている。形状は、不定形である。
O 2 + 2H 2 O + 4e - → 4OH - ... reaction formula (1)
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O... Reaction formula (2)
The nitrogen-containing carbonaceous material has a structure containing nitrogen in at least a carbon network structure, and it is considered that the oxygen reduction reaction proceeds in the vicinity of the nitrogen. The shape is irregular.

触媒は、不定形な非晶質炭素に担持されていてもよい。 The catalyst may be supported on amorphous amorphous carbon.

窒素含有炭素質材料中の窒素の含有量は、窒素含有炭素質材料中の炭素の原子数を100とした場合に、窒素の原子数が0.001以上0.3以下であることが望ましい。0.001以上とすることにより、酸素還元性能が向上する。0.3以下することにより、触媒の炭素網目構造を保つことができ、酸素還元性能の低下を抑制できる。 The content of nitrogen in the nitrogen-containing carbonaceous material is preferably 0.001 or more and 0.3 or less when the number of carbon atoms in the nitrogen-containing carbonaceous material is 100. When it is 0.001 or more, the oxygen reduction performance is improved. When it is 0.3 or less, the carbon network structure of the catalyst can be maintained, and the reduction of oxygen reduction performance can be suppressed.

窒素含有炭素質材料は、さらに、任意の金属元素をドープすることにより、その触媒性能を向上させることが可能となる。具体的には、Ni、Fe、Co、Cuなどの遷移金属、K、Na、Cs、Mg、Ca、Sr、Baなどのアルカリ金属などが挙げられる。この中でも特にFeが望ましい。これらの金属元素を単独で含有してもよいし、複数含有してもよい。これらの金属元素は、触媒製造過程の焼成段階で酸素還元反応に関わる触媒活性サイトを形成する役割を担っている。特に、金属元素としてFeを入れた場合に、高い酸素還元活性を示す触媒活性サイトを形成することが可能となる。 The nitrogen-containing carbonaceous material can be further doped with an arbitrary metal element to improve its catalytic performance. Specific examples include transition metals such as Ni, Fe, Co and Cu, and alkali metals such as K, Na, Cs, Mg, Ca, Sr and Ba. Among these, Fe is particularly desirable. These metal elements may be contained alone or in plural. These metal elements play the role of forming catalytically active sites involved in the oxygen reduction reaction in the calcination stage of the catalyst manufacturing process. In particular, when Fe is added as a metal element, it becomes possible to form a catalytically active site that exhibits high oxygen reduction activity.

窒素含有炭素質材料に含まれる金属元素の含有量は、窒素含有炭素質材料に含まれる炭素の原子数を100とした場合に、金属元素の原子数が0.005以上0.3以下であることが望ましい。0.005よりも小さいと、その効果が現れず、0.3よりも大きいと、金属の凝集粗大化により触媒の反応表面積が低くなることにより酸素還元性能が低下する。 The content of the metal element contained in the nitrogen-containing carbonaceous material is 0.005 or more and 0.3 or less when the number of carbon atoms contained in the nitrogen-containing carbonaceous material is 100. Is desirable. If it is less than 0.005, the effect is not exhibited, and if it is more than 0.3, the reaction surface area of the catalyst is lowered due to the coagulation and coarsening of the metal, so that the oxygen reduction performance is deteriorated.

薄片化黒鉛に対する触媒の含有量は、薄片化黒鉛100質量部に対して、10質量部以上50質量部以下である。10質量部よりも低いと、その触媒効果が得られず、50質量部よりも高いと、触媒同士の凝集により反応表面積が低下し、所望の性能を得ることができない懸念がある。 The content of the catalyst in the exfoliated graphite is 10 parts by mass or more and 50 parts by mass or less based on 100 parts by mass of the exfoliated graphite. If it is less than 10 parts by mass, the catalytic effect cannot be obtained, and if it is more than 50 parts by mass, the reaction surface area is reduced due to aggregation of the catalysts, and there is a concern that desired performance cannot be obtained.

本発明の触媒組成物は、薄片化黒鉛を含む。薄片化黒鉛とは、具体的には、50質量%レーザー回折径(X50dif)が8μm以下、50質量%ストークス径(X50st)が3.5μm以下、薄片化指数(X50dif/X50st)が2.2〜5の薄片化黒鉛である。 The catalyst composition of the present invention contains exfoliated graphite. Exfoliated graphite specifically includes a 50 mass% laser diffraction diameter (X 50dif ) of 8 μm or less, a 50 mass% Stokes diameter (X 50st ) of 3.5 μm or less, and an exfoliation index (X 50dif /X 50st ). Is exfoliated graphite of 2.2-5.

ここで、50質量%レーザー回折径(X50dif)とは、レーザー回折・散乱法を用いて測定され、質量累積粒度分布曲線を小粒径側から描いた場合に、質量累積が50%となる粒子径に対応する。レーザー回折法を用いた粒度分布測定は、レーザー回折散乱粒度分布測定装置(例えば、島津製作所製SALD−2100、日機装株式会社のマイクロトラックシリーズMT3300)を用いて行なうことができる。 Here, the 50 mass% laser diffraction diameter (X 50dif ) is measured using a laser diffraction/scattering method, and when the mass cumulative particle size distribution curve is drawn from the small particle size side, the mass cumulative becomes 50%. Corresponds to particle size. The particle size distribution measurement using the laser diffraction method can be performed using a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement device (for example, SALD-2100 manufactured by Shimadzu Corporation, Microtrack series MT3300 manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).

また、50質量%ストークス径(X50st)とは、液相沈降法において終末沈降速度から求まる粒径である。50質量%ストークス径(X50st)測定は、遠心沈降式粒度分布計(例えば、島津製作所製SA−CP−4L)を用いて行うことができる。 Further, the 50 mass% Stokes diameter (X 50st ) is a particle diameter obtained from the terminal sedimentation velocity in the liquid phase sedimentation method. The 50 mass% Stokes diameter (X 50st ) can be measured using a centrifugal sedimentation particle size distribution meter (for example, Shimadzu SA-CP-4L).

ここで、薄片化指数(X50dif/X50st)は、粒子の薄片化度を評価する指標であり、粒子が塊状に近づけば1に近くなり、薄片化が進めば1より大きくなる。なお、本発明者の検討の結果、薄片化指数(X50dif/X50st)とアスペクト比とは、(X50dif/X50st)が2.2の場合にはアスペクト比は約5程度、(X50dif/X50st)が3.0の場合にはアスペクト比は10程度、(X50difX50st)が5.0の場合にはアスペクト比は50程度の関係にある。 Here, the exfoliation index (X 50dif /X 50st ) is an index for evaluating the exfoliation degree of particles, and is close to 1 when the particles are close to a lump, and is larger than 1 when the exfoliation progresses. As a result of examination by the present inventor, the thinning index (X 50dif /X 50st ) and the aspect ratio are about 5 when (X 50dif /X 50st ) is 2.2, When 50dif / X50st ) is 3.0, the aspect ratio is about 10, and when ( X50dif / X50st ) is 5.0, the aspect ratio is about 50.

本発明における薄片化黒鉛は、上記範囲内の大きさ及び薄片化指数を有するものであれば、鱗状黒鉛・鱗片状黒鉛・土状黒鉛で分類される天然黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛、熱分解黒鉛のいずれであってもよい。このなかでも、c軸方向の結晶性が発達しており、適度の乾式粉砕により薄片化が進み、アスペクトの高い、すなわち薄片度の大きい薄片状
黒鉛が得られることから、結晶性の良好な鱗状黒鉛又は鱗片状黒鉛が好適である。
Exfoliated graphite in the present invention, as long as it has a size and exfoliation index within the above range, natural graphite, artificial graphite, quiche graphite, pyrolysis classified by scaly graphite/scaly graphite/earth graphite It may be any of graphite. Among them, crystallinity in the c-axis direction is developed, flaking is promoted by appropriate dry pulverization, and flaky graphite having a high aspect, that is, a large degree of flakyness is obtained, and thus scaly with good crystallinity. Graphite or flake graphite is preferred.

本発明におけるバインダは、均一分散した窒素含有炭素質材料と薄片化黒鉛とを結着し、さらに、これらの触媒組成物を基材に結着するものである。 The binder in the present invention binds the uniformly dispersed nitrogen-containing carbonaceous material and exfoliated graphite, and further binds these catalyst compositions to the substrate.

バインダとしては、例えば、スチレン樹脂、スチレンブタジエン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、グリキザール樹脂、フッ素樹脂、メタクリル樹脂などが好適であり、触媒組成物と基材との密着性の観点から、スチレンブタジエン樹脂が特に好ましい。 As the binder, for example, styrene resin, styrene butadiene resin, acrylic resin, urethane resin, phenolic resin, glyxal resin, fluororesin, methacrylic resin and the like are suitable, from the viewpoint of adhesion between the catalyst composition and the substrate, Styrene butadiene resin is particularly preferred.

触媒組成物に含まれるバインダの含有量は、窒素含有炭素質材料及び薄片化黒鉛の合計を100質量部とした場合に、1質量部以上50質量部以下であることが望ましい。1質量部よりも低いと、バインダが窒素含有炭素質材料と薄片化黒鉛とに行き渡らず、結着剤としての効果が得られ難く、50質量部よりも高いと、触媒である窒素含有炭素質材料がバインダ内に埋没し、触媒効果が得られない。 The content of the binder contained in the catalyst composition is preferably 1 part by mass or more and 50 parts by mass or less when the total amount of the nitrogen-containing carbonaceous material and the exfoliated graphite is 100 parts by mass. When it is lower than 1 part by mass, the binder does not spread over the nitrogen-containing carbonaceous material and exfoliated graphite, and it is difficult to obtain the effect as a binder. When it is higher than 50 parts by mass, the nitrogen-containing carbonaceous material which is a catalyst. The material is buried in the binder and the catalytic effect cannot be obtained.

カソードの基材としては、電子伝導性およびガス拡散性を有しているものが望ましく、例えば、多孔質カーボン(多孔性炭素質材料)や膨張黒鉛を用いる。ここで、膨張黒鉛とは、黒鉛の層間に酸等の膨張剤を挿入し、加熱することにより黒鉛のC軸が膨張成形されたものをいう。膨張黒鉛の原料黒鉛粒子としては、一般に知られている天然黒鉛、キッシュ黒鉛、熱分解黒鉛などの人造黒鉛が使用できるが、入手の容易な点では、天然鱗片状黒鉛、例えば、フレイクグラファイト、ベイングラファイトがよく、粒度は80メッシュ以上、望ましくは50メッシュ以上のもので、形状は肉厚、針状のものが、膨張後の成形作業を効率よく行えるため望ましい。 As the base material of the cathode, one having electron conductivity and gas diffusivity is desirable, and for example, porous carbon (porous carbonaceous material) or expanded graphite is used. Here, expanded graphite refers to a material in which a C-axis of graphite is expansion-molded by inserting an expansion agent such as an acid between graphite layers and heating. As the raw material graphite particles of the expanded graphite, generally known artificial graphite such as natural graphite, quiche graphite, and pyrolytic graphite can be used, but in terms of easy availability, natural flake graphite, for example, flake graphite, bain. Graphite is preferable, and the particle size is 80 mesh or more, preferably 50 mesh or more, and the shape having a thick wall and needle shape is preferable because the molding work after expansion can be efficiently performed.

膨張黒鉛の望ましい物性は、次のとおりである。 The desirable physical properties of expanded graphite are as follows.

圧縮破壊強さは、750kg/cm以上であることが望ましい。嵩密度は、0.05g/cm以上1.4g/cm以下であることが望ましい。嵩密度が0.05g/cmよりも小さいと膨張黒鉛の強度が保てず、1.4g/cmよりも大きいと触媒が内部で均一分散することが困難になる。 The compressive fracture strength is preferably 750 kg/cm 2 or more. The bulk density is desirably 0.05 g / cm 3 or more 1.4 g / cm 3 or less. Low bulk density and strength of the expanded graphite can not be maintained than 0.05 g / cm 3, a large catalyst becomes difficult to uniformly disperse within than 1.4 g / cm 3.

膨張黒鉛のラマン分光分析によるGバンドの半値幅は、14cm−1以上50cm−1以下であることが好ましい。また、膨張黒鉛のラマン分光分析によるR値は、0以上0.5以下であることが望ましい。このようなGバンドの半値幅及びR値を満たす膨張黒鉛を用いることにより、高い酸素還元性能を有する触媒基材複合体を形成することが可能となる。なお、Gバンドは、炭素材料の結晶性の高さに起因するラマンスペクトルであり、約1580cm−1付近にピークを示す。また、R値は、Gバンドに対するDバンドのスペクトル強度の比率であり、炭素材料の結晶性を示す指標である。ここで、Dバンドは、約1350cm−1付近にピークを示し、炭素材料の非晶質性を示す指標である。 The full width at half maximum of the G band measured by Raman spectroscopy of the expanded graphite is preferably 14 cm -1 or more and 50 cm -1 or less. The R value of Raman spectroscopic analysis of the expanded graphite is preferably 0 or more and 0.5 or less. By using expanded graphite satisfying such a half band width and R value of the G band, it becomes possible to form a catalyst base composite having high oxygen reduction performance. The G band is a Raman spectrum resulting from the high crystallinity of the carbon material, and shows a peak at around 1580 cm −1 . The R value is the ratio of the spectral intensity of the D band to the G band, and is an index showing the crystallinity of the carbon material. Here, the D band has a peak at around 1350 cm −1 and is an index showing the amorphousness of the carbon material.

本発明に係るカソードを有機廃水処理装置に用いる場合、有機廃水を用いるので、基材である膨張黒鉛の濡れ性がカソードの酸素還元性能に影響するおそれがある。基材である膨張黒鉛の親水性が高すぎると、触媒が液に浸漬し、所望の性能が得られない。また、親水性が低いと基材内部でのプロトンの伝導が阻害され、所望の性能が得られない。これらを鑑みて、膨張黒鉛に親水性を付与するためにTiO、SiO、Alなどを添加してもよい。なお、その際の添加量は、基材である膨張黒鉛100質量部に対して、0.1質量部以上10質量部以下が望ましい。0.1質量%よりも少ないと、その効果が現れず、また、10質量%よりも大きいと、本来の触媒の反応を阻害する懸念がある。 When the cathode according to the present invention is used in an organic wastewater treatment apparatus, since the organic wastewater is used, the wettability of the expanded graphite as a base material may affect the oxygen reduction performance of the cathode. If the hydrophilicity of the expanded graphite that is the base material is too high, the catalyst is immersed in the liquid, and the desired performance cannot be obtained. If the hydrophilicity is low, the conduction of protons inside the base material is hindered, and the desired performance cannot be obtained. In view of these, TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 and the like may be added in order to impart hydrophilicity to the expanded graphite. In addition, the addition amount at that time is preferably 0.1 part by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the expanded graphite as a base material. If it is less than 0.1% by mass, the effect is not exhibited, and if it is more than 10% by mass, there is a concern that the reaction of the original catalyst may be hindered.

<アノード>
アノードの基材としては、微生物を定着しやすく、有機物を分解して発電した際の電子を効率よく伝導できる媒体が望ましい。例えば、カーボンクロス(炭素織布)、カーボンペーパー、カーボンフェルト、ポーラスカーボン、金属メッシュ、金属メッシュにカーボンブラック又は炭素繊維をコーティングした部材などが適している。
<Anode>
As the base material of the anode, it is desirable to use a medium that easily fixes microorganisms and can efficiently conduct electrons when decomposing organic substances to generate electricity. For example, carbon cloth (carbon woven cloth), carbon paper, carbon felt, porous carbon, a metal mesh, a member obtained by coating a metal mesh with carbon black or carbon fibers, and the like are suitable.

本発明に係る有機廃水処理装置の電解質は、有機廃水そのものを使用してもよいし、プロトンを伝導させるプロトン伝導性電解質膜を用いてもよい。 As the electrolyte of the organic wastewater treatment apparatus according to the present invention, the organic wastewater itself may be used, or a proton conductive electrolyte membrane that conducts protons may be used.

プロトン伝導性電解質膜の材料は、特に限定されない。プロトン伝導性電解質膜としては、例えば、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜が用いられるが、これ以外の膜を用いてもよい。スルホン酸基は、高い親水性を有しており、高いカチオン交換能を保持している。また、一部のみをフッ素化したフッ素樹脂系イオン交換膜や、芳香族炭化水素系膜もより安価な材料として利用できる。有機廃水を電解質として用いず、プロトン伝導性電解質膜を用いた場合、コストは上がるが、アノードでの反応で発生したプロトンを効率的にカソードへ供給するため、カソードの酸素還元性能の向上に効果がある。 The material of the proton conductive electrolyte membrane is not particularly limited. As the proton conductive electrolyte membrane, for example, a fluororesin ion exchange membrane having a sulfonic acid group is used, but other membranes may be used. The sulfonic acid group has high hydrophilicity and retains high cation exchange ability. In addition, a fluororesin-based ion exchange membrane in which only a part is fluorinated or an aromatic hydrocarbon-based membrane can be used as a cheaper material. If a proton conductive electrolyte membrane is used without using organic wastewater as an electrolyte, the cost will increase, but since the protons generated by the reaction at the anode are efficiently supplied to the cathode, it is effective in improving the oxygen reduction performance of the cathode. There is.

プロトン伝導性電解質膜の市販品としては、例えば、デュポン社製の「NafionTM 115」、トクヤマ社製「NEOSEPTATM CM−1」、旭硝子社製「SelemionTM CSV」などが挙げられる。 Examples of commercially available products of the proton conductive electrolyte membrane include “Nafion 115” manufactured by DuPont, “NEOSEPTA CM-1” manufactured by Tokuyama, and “Selemion CSV” manufactured by Asahi Glass.

プロトン伝導性電解質膜の厚さは、10μm以上、1mm以下が好ましい。厚さが10μmよりも薄いと、容易に破損することで短絡する危険性がある。一方、厚さが1mmよりも厚いとプロトン伝導が阻害されるおそれがある。 The thickness of the proton conductive electrolyte membrane is preferably 10 μm or more and 1 mm or less. If the thickness is less than 10 μm, there is a risk of breaking due to easy breakage. On the other hand, if the thickness is thicker than 1 mm, proton conduction may be hindered.

<触媒組成物の製造方法>
本実施形態に係る触媒組成物の製造方法は、触媒を製造する触媒製造工程と、触媒と薄片化黒鉛とバインダとを混合し、触媒組成物を製造する触媒組成物製造工程と、を含む。
<Method for producing catalyst composition>
The method for producing a catalyst composition according to the present embodiment includes a catalyst producing step for producing a catalyst and a catalyst composition producing step for producing a catalyst composition by mixing the catalyst, exfoliated graphite and a binder.

触媒を製造する触媒製造工程では、窒素源となる窒素化合物(窒素原子を含む有機化合物)と炭素質材料と液とを含む原料を混合して、触媒前駆体分散液を調製し、触媒前駆体分散液に含まれる液を蒸発させて除去することにより、触媒前駆体を作製し、熱処理をする。上記の原料には、無機金属塩を混合することが望ましい。 In a catalyst manufacturing process for manufacturing a catalyst, a raw material containing a nitrogen compound (organic compound containing nitrogen atoms) serving as a nitrogen source, a carbonaceous material, and a liquid is mixed to prepare a catalyst precursor dispersion liquid, and a catalyst precursor is prepared. By evaporating and removing the liquid contained in the dispersion liquid, a catalyst precursor is prepared and heat treatment is performed. It is desirable to mix an inorganic metal salt with the above raw material.

窒素源となる窒素化合物は、窒素原子を含む有機化合物であればよく、分子量の高低を問わず特に制限はない。例えば、含窒素ヘテロ環化合物、窒素基を含む芳香族環化合物、アミン類、イミン類、ニトリル類、窒素を含むポリマーなどが挙げられる。 The nitrogen compound serving as the nitrogen source may be any organic compound containing a nitrogen atom and is not particularly limited regardless of whether the molecular weight is high or low. Examples thereof include a nitrogen-containing heterocyclic compound, a nitrogen-containing aromatic ring compound, amines, imines, nitriles, and nitrogen-containing polymers.

具体的には、ピロール及びその誘導体、ピラゾールやイミダゾールなどのジアゾール類及びその誘導体、トリアゾール類及びその誘導体、ピリジン及びその誘導体、ピリダジンやピリミジンやピラジン等のジアジン類及びその誘導体、トリアジン類、メラミンやシアヌル酸等のトリアジン類誘導体、キノリン、フェナントロリン、プリン、ベンゾニトリル、アニリン、メチルアミン、エチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン等の脂肪族アミン及びその誘導体、エチレンジアミン、エタノールアミン、ピロリジン、エチレンイミン、アセトニトリル、ナイロン、ポリアクリロニトリル、フタロシアニン、ポルフィリン、リボフラビンなどが挙げられる。 Specifically, pyrrole and its derivatives, diazoles and their derivatives such as pyrazole and imidazole, triazoles and their derivatives, pyridine and its derivatives, diazines and their derivatives such as pyridazine, pyrimidine and pyrazine, triazines, melamine and Triazine derivatives such as cyanuric acid, quinoline, phenanthroline, purine, benzonitrile, aniline, methylamine, ethylamine, dimethylamine, trimethylamine and other aliphatic amines and their derivatives, ethylenediamine, ethanolamine, pyrrolidine, ethyleneimine, acetonitrile, nylon , Polyacrylonitrile, phthalocyanine, porphyrin, riboflavin and the like.

無機金属塩としては、特に限定はされないが、水酸化物、酸化物、窒化物、硫化物、炭素化物、硝化物、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等とすることができる。 The inorganic metal salt is not particularly limited, but hydroxides, oxides, nitrides, sulfides, carbonides, nitrates, halides, nitrates, sulfates, carbonates and the like can be used.

窒素化合物と無機金属塩とを溶解する溶媒は、特に限定はされないが、基材である膨張黒鉛へ触媒を均一分散することが目的であるため、無機金属塩及び窒素化合物の両方が溶解する溶媒であることが望ましい。例えば、水、N−メチルピロリドン、N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリン、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、ブタノール、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、アセトン等を用いることができる。 The solvent that dissolves the nitrogen compound and the inorganic metal salt is not particularly limited, but since the purpose is to uniformly disperse the catalyst in the expanded graphite that is the base material, a solvent that dissolves both the inorganic metal salt and the nitrogen compound. Is desirable. For example, use of water, N-methylpyrrolidone, N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol, glycerin, dimethyl sulfoxide, tetrahydrofuran, butanol, toluene, xylene, methyl ethyl ketone, acetone, etc. You can

なお、窒素化合物と無機金属塩との比率に特に制限はない。 The ratio of the nitrogen compound and the inorganic metal salt is not particularly limited.

熱処理は、水素やアンモニアなどの活性ガス雰囲気、及び窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気のいずれにおいて行ってもよい。また、使用するガス種は、1種単独であっても、2種以上の組合せであってもよい。熱処理における加熱温度は、適宜の温度とすることができるが、300℃以上1000℃以下であることが好ましく、600℃以上900℃以下であることが更に好ましい。窒素化合物を熱処理して炭素化する際、炭素化して導電性とともに酸素還元能を有する反応サイトを形成するには600℃以上であることが望ましい。600℃よりも低いと、炭素化の進行が未熟で、高い酸素還元能を有する反応サイトを形成しにくい点、および炭素化による導電性の向上が進行しにくいことが問題となる。また、1000℃よりも高いと、炭素の結晶性が高くなり、炭素中に含まれる窒素が脱離するため、酸素還元能が低下する。 The heat treatment may be performed in either an active gas atmosphere such as hydrogen or ammonia, or an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas. Further, the gas species used may be a single type or a combination of two or more types. The heating temperature in the heat treatment may be an appropriate temperature, but is preferably 300° C. or higher and 1000° C. or lower, and more preferably 600° C. or higher and 900° C. or lower. When the nitrogen compound is heat-treated to be carbonized, the temperature is preferably 600° C. or higher in order to carbonize and form a reaction site having conductivity and oxygen reducing ability. If the temperature is lower than 600° C., the carbonization is unsuccessfully progressed, and it is difficult to form a reaction site having a high oxygen reducing ability, and it is difficult to improve conductivity due to carbonization. On the other hand, when the temperature is higher than 1000° C., the crystallinity of carbon becomes high and nitrogen contained in carbon is desorbed, so that the oxygen reducing ability is lowered.

このようにして製造される触媒は、窒素化合物や無機金属塩、および熱処理雰囲気や温度を適宜選択することにより、有機廃水処理装置(微生物燃料電池)のカソードや、燃料電池のカソード、種々の有機反応、無機反応に有効な触媒とすることができる。また、触媒基材複合体の組成や構造は、X線光電子分光法や、誘導結合プラズマ発光分光分析や、蛍光X線分析や、X線回折分析、走査型電子顕微鏡などによって容易に確認することができる。 The catalyst produced in this manner can be used as a cathode of an organic wastewater treatment device (microorganism fuel cell), a cathode of a fuel cell, or a variety of organic materials by appropriately selecting a nitrogen compound, an inorganic metal salt, and a heat treatment atmosphere and temperature. It can be used as a catalyst effective for reactions and inorganic reactions. Also, the composition and structure of the catalyst-base composite should be easily confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy, inductively coupled plasma emission spectroscopy, fluorescent X-ray analysis, X-ray diffraction analysis, scanning electron microscope, etc. You can

触媒組成物を製造する触媒組成物製造工程では、前述の触媒と薄片化黒鉛とバインダとを溶媒中で均一に混合して製造する。均一に混合するための溶媒は、触媒、薄片化黒鉛、バインダが均一に分散すればよく、極性、非極性、有機、無機、酸性、アルカリ性は問わず、特に制限はない。例えば、水、アンモニア、N−メチルピロリドン、N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリン、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、ブタノール、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、アセトン等を用いることができる。なお、触媒、薄片化黒鉛及びバインダを合わせた固形成分と溶媒との比率に特に制限はない。 In the catalyst composition manufacturing step of manufacturing the catalyst composition, the above-mentioned catalyst, exfoliated graphite, and binder are uniformly mixed and manufactured in a solvent. The solvent for uniformly mixing is not particularly limited as long as the catalyst, exfoliated graphite and binder are uniformly dispersed, and it may be polar, non-polar, organic, inorganic, acidic or alkaline. For example, water, ammonia, N-methylpyrrolidone, N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol, glycerin, dimethyl sulfoxide, tetrahydrofuran, butanol, toluene, xylene, methyl ethyl ketone, acetone, etc. Can be used. The ratio of the solid component including the catalyst, exfoliated graphite, and binder to the solvent is not particularly limited.

このようにして製造される触媒組成物は、有機廃水処理装置のカソードや、燃料電池のカソード、種々の有機反応、無機反応に有効な触媒組成物とすることができる。また、触媒組成物の組成や構造は、X線光電子分光法や、誘導結合プラズマ発光分光分析や、蛍光X線分析や、X線回折分析、走査型電子顕微鏡などによって容易に確認することができる。 The catalyst composition thus produced can be a catalyst composition effective for a cathode of an organic wastewater treatment device, a cathode of a fuel cell, various organic reactions and inorganic reactions. Moreover, the composition and structure of the catalyst composition can be easily confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy, inductively coupled plasma emission spectroscopy, fluorescent X-ray analysis, X-ray diffraction analysis, scanning electron microscope, and the like. ..

次に、本発明の実施例を示して具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれらに限定されるものではない。 [Examples] Next, examples of the present invention will be specifically described, but the technical scope of the present invention is not limited thereto.

触媒組成物を以下の実施例に基づき製造し、電解液中で、触媒組成物を含む作用極の電位を走査することで、触媒組成物の劣化を加速的に進行させ、その際の触媒の酸素還元性能に起因する電流値を評価した。 A catalyst composition was produced according to the following examples, and the potential of the working electrode containing the catalyst composition was scanned in the electrolytic solution to accelerate the deterioration of the catalyst composition, and The current value resulting from the oxygen reduction performance was evaluated.

以下、実施例の触媒、これを構成要素とする触媒組成物、及びこれを付設した電極について説明する。 Hereinafter, the catalyst of the example, the catalyst composition containing the catalyst, and the electrode provided with the catalyst composition will be described.

触媒は、次のようにして作製した。 The catalyst was prepared as follows.

はじめに、2.26gのリボフラビン、0.81gの硝酸鉄(III)(Fe(NO)、および2.0gのカーボン粉末(Ketjen Black EC300J、ライオン社製)を100mL(ミリリットル)の純水中に加え、さらに10mLのエタノールを加えて、触媒前駆体分散液を調製した。 First, 2.26 g of riboflavin, 0.81 g of iron (III) nitrate (Fe(NO 3 ) 3 ) and 2.0 g of carbon powder (Ketjen Black EC300J, manufactured by Lion Corporation) were added to 100 mL (ml) of pure water. In addition to the above, 10 mL of ethanol was further added to prepare a catalyst precursor dispersion liquid.

次いで、得られた触媒前駆体分散液を真空乾燥して、溶媒を除去することにより、触媒前駆体を作製した。その後、触媒前駆体を石英ボートに入れ、管状型電気炉で熱処理した。なお、この熱処理は、窒素雰囲気において、10℃/分の昇温速度で800℃まで昇温させた後、800℃で1時間保持する処理とした。 Next, the obtained catalyst precursor dispersion liquid was vacuum dried to remove the solvent to prepare a catalyst precursor. Then, the catalyst precursor was put into a quartz boat and heat-treated in a tubular electric furnace. Note that this heat treatment was a treatment of raising the temperature to 800° C. at a temperature rising rate of 10° C./min in a nitrogen atmosphere, and then holding the temperature at 800° C. for 1 hour.

そして、熱処理の後、炉内を100℃まで冷却し、触媒の粉末を得た。得られた触媒の組成をX線光電子分光法により分析した結果、炭素93.1原子%、窒素1.8原子%、酸素4.5原子%、Fe0.6原子%であった。 Then, after the heat treatment, the inside of the furnace was cooled to 100° C. to obtain a catalyst powder. As a result of analyzing the composition of the obtained catalyst by X-ray photoelectron spectroscopy, the carbon content was 93.1 atomic %, nitrogen was 1.8 atomic %, oxygen was 4.5 atomic %, and Fe was 0.6 atomic %.

次に、1.0gの触媒と、10gの薄片化黒鉛と、を3.0質量%のスチレンブタジエン樹脂(SBR:バインダ)を含むバインダ溶液23gに加えて混合して、触媒組成物を得た。 Next, 1.0 g of the catalyst and 10 g of exfoliated graphite were added to and mixed with 23 g of a binder solution containing 3.0% by mass of a styrene-butadiene resin (SBR: binder) to obtain a catalyst composition. ..

この触媒組成物10μL(マイクロリットル)を5mmφのグラッシーカーボン電極(基材)に触媒組成物を塗布し、真空乾燥し、電極を製造した。 10 μL (microliter) of this catalyst composition was applied to a 5 mmφ glassy carbon electrode (base material), and the catalyst composition was vacuum dried to produce an electrode.

実施例1の薄片化黒鉛を5.0gに変えたことを除いて、実施例1と同様の手順で製造した。 The procedure of Example 1 was repeated except that the exfoliated graphite of Example 1 was changed to 5.0 g.

実施例1の薄片化黒鉛を3.3gに変えたことを除いて、実施例1と同様の手順で製造した。 The procedure of Example 1 was repeated, except that the exfoliated graphite of Example 1 was changed to 3.3 g.

実施例1の薄片化黒鉛を2.5gに変えたことを除いて、実施例1と同様の手順で製造した。 The procedure of Example 1 was repeated, except that the exfoliated graphite of Example 1 was changed to 2.5 g.

実施例1の薄片化黒鉛を2.0gに変えたことを除いて、実施例1と同様の手順で製造した。 The procedure of Example 1 was repeated except that the exfoliated graphite of Example 1 was changed to 2.0 g.

(比較例1)
実施例1の薄片化黒鉛を加えなかったことを除いて、実施例1と同様の手順で製造した。
(Comparative Example 1)
The procedure of Example 1 was repeated, except that the exfoliated graphite of Example 1 was not added.

(比較例2)
実施例1の薄片化黒鉛を20gに変えたことを除いて、実施例1と同様の手順で製造した。
(比較例3)
実施例1の薄片化黒鉛を1.7gに変えたことを除いて、実施例1と同様の手順で製造した。
(Comparative example 2)
The procedure of Example 1 was repeated, except that the exfoliated graphite of Example 1 was changed to 20 g.
(Comparative example 3)
The procedure of Example 1 was repeated except that the exfoliated graphite of Example 1 was changed to 1.7 g.

(比較例4)
比較例1のスチレンブタジエン樹脂を含むバインダ溶液を3.6gの20%ナフィオン溶液(「ナフィオン」は登録商標)に変えたことを除いて、比較例1と同様の手順で製造した。
(Comparative Example 4)
The procedure of Comparative Example 1 was repeated except that the binder solution containing the styrene-butadiene resin of Comparative Example 1 was changed to 3.6 g of 20% Nafion solution (“Nafion” is a registered trademark).

<耐久性の評価>
実施例1、2、3、4、5および比較例1、2、3、4で得られた触媒組成物を含む電極について標準的な3電極セルを組み、電位走査によりそれらの電極に電気化学的な負荷を加速的に与え、そのときの酸素還元活性を回転ディスク電極法により評価した。ここで、特許文献1にも記載されているように、微生物燃料電池の電極は、硫酸酸性下で使用される。この点を考慮し、耐久性の試験は、後述のとおり、硫酸水溶液中に電極を浸漬した条件で行った。
<Durability evaluation>
A standard three-electrode cell was assembled for the electrodes containing the catalyst compositions obtained in Examples 1, 2, 3, 4, 5 and Comparative Examples 1, 2, 3, 4 and electrochemically applied to the electrodes by potential scanning. The oxygen reduction activity at that time was evaluated by the rotating disk electrode method. Here, as described in Patent Document 1, the electrode of the microbial fuel cell is used under sulfuric acid acidity. Considering this point, the durability test was performed under the condition that the electrode was immersed in an aqueous sulfuric acid solution, as described later.

まず、各触媒組成物を含む電極を作用極とした。また、対極には白金線、参照極には、可逆水素電極(RHE)電極を使用し、3電極セルを構成した。 First, an electrode containing each catalyst composition was used as a working electrode. In addition, a platinum wire was used as the counter electrode and a reversible hydrogen electrode (RHE) electrode was used as the reference electrode to form a three-electrode cell.

各電極の耐久性を評価するため、3電極セルを酸素飽和下の0.5mmol/L硫酸水溶液中で0.2Vから1.2Vまでの範囲で電位サイクルを100mV/sec.の走査速度で1000サイクル行い、サイクル前後での酸素還元活性を評価した。 In order to evaluate the durability of each electrode, a three-electrode cell was subjected to a potential cycle of 100 mV/sec in a range of 0.2 V to 1.2 V in a 0.5 mmol/L sulfuric acid aqueous solution under oxygen saturation. 1000 cycles were performed at a scanning speed of 1, and the oxygen reduction activity before and after the cycle was evaluated.

酸素還元活性は、初めに、窒素飽和下の0.5mmol/L硫酸水溶液中で0Vから1.2Vまでの電位サイクルを100mV/sec.の走査速度で10サイクル行い、触媒表面を洗浄した。次に、作用極を電極回転数400rpmで回転させつつ、0Vから1.1Vまでの範囲で電位サイクルを1サイクル行い、バックグランド電流を測定した。その後、飽和ガスを窒素から酸素に変え、酸素を飽和させた状態で、作用極を電極回転数400rpmで回転させつつ、0Vから1.1Vまでの範囲で電位サイクルを1サイクル行い、各電極の酸素還元電流を測定した。測定した酸素還元電流からバックグランド電流を除し、0.7V時の電流値を比較することで、酸素還元性能を評価した。 The oxygen reduction activity was determined by first conducting a potential cycle from 0 V to 1.2 V in a 0.5 mmol/L sulfuric acid aqueous solution under nitrogen saturation at 100 mV/sec. The catalyst surface was washed by performing 10 cycles at a scanning speed of. Next, while rotating the working electrode at an electrode rotation speed of 400 rpm, one potential cycle was performed in the range of 0 V to 1.1 V, and the background current was measured. Then, the saturated gas was changed from nitrogen to oxygen, and while the oxygen was saturated, the working electrode was rotated at an electrode rotation speed of 400 rpm, and one potential cycle was performed in the range from 0 V to 1.1 V to The oxygen reduction current was measured. The oxygen reduction performance was evaluated by removing the background current from the measured oxygen reduction current and comparing the current values at 0.7 V.

表1は、実施例1、2、3、4、5および比較例1、2、3、4のサイクル試験後の酸素還元活性維持率の結果を示したものである。酸素還元活性維持率は、サイクル後の酸素還元活性をサイクル試験前の酸素還元活性で除した値を百分率で示した値である。 Table 1 shows the results of the oxygen reduction activity retention rates after the cycle tests of Examples 1, 2, 3, 4, 5 and Comparative Examples 1, 2, 3, 4. The oxygen reduction activity retention rate is a value obtained by dividing the oxygen reduction activity after the cycle by the oxygen reduction activity before the cycle test in percentage.

Figure 0006728776
Figure 0006728776

実施例1〜5の触媒組成物を用いた電極は、サイクル試験後の酸素還元活性維持率が85〜100%と高い耐久性を示した。一方で、薄片化黒鉛を加えていない比較例1および従来バインダであるナフィオン(登録商標)を用いた比較例4では、それぞれ、48%、49%であった。また、触媒と薄片化黒鉛との比率が0.05および0.6の比較例2および3では、それぞれ、45%、49%であり、いずれも実施例に比べ著しく低かった。 The electrodes using the catalyst compositions of Examples 1 to 5 showed a high durability with an oxygen reduction activity retention rate after the cycle test of 85 to 100%. On the other hand, in Comparative Example 1 in which exfoliated graphite was not added and Comparative Example 4 using Nafion (registered trademark) which is a conventional binder, the results were 48% and 49%, respectively. Further, in Comparative Examples 2 and 3 in which the ratio of the catalyst to the exfoliated graphite was 0.05 and 0.6, they were 45% and 49%, respectively, which were remarkably lower than those of the Examples.

これらの結果より、触媒と薄片化黒鉛とバインダを含み、薄片化黒鉛100質量部に対して触媒の含有量を10質量部以上50質量部以下にすることにより、触媒組成物を用いたカソード電極の耐久性を向上できることが分かった。 From these results, the cathode electrode using the catalyst composition was prepared by containing the catalyst, exfoliated graphite, and binder, and setting the content of the catalyst to 10 parts by mass or more and 50 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of exfoliated graphite. It has been found that the durability of can be improved.

100:有機廃水処理装置、101:アノード、102:イオン透過膜、103:カソード、有機廃水兼電解質層、104:ガス供給部、105:有機廃水槽、106:有機廃水供給路、107:有機廃水排出路、108:負荷。 100: organic wastewater treatment device, 101: anode, 102: ion permeable membrane, 103: cathode, organic wastewater/electrolyte layer, 104: gas supply part, 105: organic wastewater tank, 106: organic wastewater supply passage, 107: organic wastewater Discharge path, 108: load.

Claims (8)

有機廃水処理に用いる電極を構成する触媒組成物であって、
触媒と、薄片化黒鉛と、バインダと、を備え、
前記触媒は、窒素及び金属元素を含有する窒素含有炭素質材料であって、
窒素原子を含み金属原子を含まない有機化合物と炭素質材料と無機金属塩と溶媒とを含む原料を混合して、触媒前駆体分散液を調製し、前記触媒前駆体分散液に含まれる前記溶媒を乾燥して除去し、熱処理をすることにより作製したものであり、
前記窒素原子を含み前記金属原子を含まない前記有機化合物は、リボフラビンであり、
前記無機金属塩は、硝酸鉄であり、
前記薄片化黒鉛100質量部に対する前記触媒の含有量は、10質量部以上50質量部以下である、触媒組成物。
A catalyst composition constituting an electrode used for treating organic wastewater,
A catalyst, exfoliated graphite, and a binder,
The catalyst is a nitrogen-containing carbonaceous material containing nitrogen and a metal element,
A raw material containing an organic compound containing a nitrogen atom and containing no metal atom, a carbonaceous material, an inorganic metal salt and a solvent is mixed to prepare a catalyst precursor dispersion liquid, and the solvent contained in the catalyst precursor dispersion liquid. It was produced by drying and removing and heat treating
The organic compound containing the nitrogen atom and not the metal atom is riboflavin,
The inorganic metal salt is iron nitrate,
The catalyst composition, wherein the content of the catalyst is 100 parts by mass or more and 50 parts by mass or less based on 100 parts by mass of the exfoliated graphite.
請求項1記載の触媒組成物であって、
前記バインダは、スチレンブタジエン樹脂を含む、触媒組成物。
The catalyst composition according to claim 1, wherein
The catalyst composition, wherein the binder includes a styrene-butadiene resin.
請求項又はに記載の触媒組成物であって、
前記金属元素は、Feである、触媒組成物。
A catalyst composition according to claim 1 or 2 , wherein
The catalyst composition, wherein the metal element is Fe.
請求項1乃至のいずれか一項に記載の触媒組成物であって、
さらに、非晶質炭素材料を含み、
前記触媒は、前記非晶質炭素材料に担持されている、触媒組成物。
A catalyst composition according to any one of claims 1 to 3 , wherein
Further, including an amorphous carbon material,
The catalyst composition, wherein the catalyst is supported on the amorphous carbon material.
請求項1乃至のいずれか一項に記載の触媒組成物と、基材と、を含み、
前記触媒組成物は、前記基材に付設されている、有機廃水処理装置用電極。
A catalyst composition according to any one of claims 1 to 4 , and a substrate,
The catalyst composition is an electrode for an organic wastewater treatment device, which is attached to the base material.
請求項記載の有機廃水処理装置用電極であって、
前記基材は、多孔性炭素質材料又は膨張黒鉛である、有機廃水処理装置用電極。
The electrode for an organic wastewater treatment device according to claim 5 ,
The electrode for an organic wastewater treatment device, wherein the base material is a porous carbonaceous material or expanded graphite.
請求項又はに記載の有機廃水処理装置用電極を備えた、有機廃水処理装置。 An organic wastewater treatment device comprising the electrode for organic wastewater treatment device according to claim 5 or 6 . 請求項記載の有機廃水処理装置であって、
前記有機廃水処理装置用電極は、エアカソードである、有機廃水処理装置。
The organic wastewater treatment device according to claim 7 ,
The organic wastewater treatment device, wherein the electrode for the organic wastewater treatment device is an air cathode.
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