JP6854531B2 - electrode - Google Patents
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Description
本発明は電極に関する。より具体的には、本発明はCo3O4電極に関する。本発明は、Co3O4電極を合成する方法にも関する。本発明の電極は、直接エタノール燃料電池に使用することができる。 The present invention relates to electrodes. More specifically, the present invention relates to a Co 3 O 4 electrode. The present invention also relates to a method of synthesizing a Co 3 O 4 electrode. The electrodes of the present invention can be used directly in an ethanol fuel cell.
燃料電池は、酸化剤と燃料との制御された化学反応によって、燃料からの化学エネルギーを電気に変換する装置である。燃料電池に一般的に用いられる典型的な燃料としては、水素、メタノール又はエタノールなどのアルコール、又は炭化水素が挙げられる。酸化剤は、典型的には酸素である。 A fuel cell is a device that converts chemical energy from a fuel into electricity through a controlled chemical reaction between an oxidant and the fuel. Typical fuels commonly used in fuel cells include hydrogen, alcohols such as methanol or ethanol, or hydrocarbons. The oxidant is typically oxygen.
燃料電池は、多くの用途で、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する有望な手段である。特に重要な用途の1つは、燃料電池がゼロエミッションで低コストで高い出力密度を提供できるため、電気自動車に電力を供給するための燃料電池の使用である。(Stambouli,A.B., 「Renew.Sustain.Energy Rev.」,2011年,15,4507−4520頁)。直接エタノール燃料電池は、高い電力密度を有し、高い効率を有し、比較的環境に優しいと考えられるため、他のタイプの燃料電池に比べていくつかの利点を有する。 Fuel cells are a promising means of converting chemical energy into electrical energy in many applications. One of the most important applications is the use of fuel cells to power electric vehicles because they can provide high output densities at low cost with zero emissions. (Stambouli, AB, "Renew. Sustain. Energy Rev.", 2011, pp. 15,4507-4520). Direct ethanol fuel cells have several advantages over other types of fuel cells because they have high power density, high efficiency and are considered to be relatively environmentally friendly.
調整されたナノ物体設計及び表面形態は、改善された電気活性部位への接近可能性を有する電極触媒を提供し得る。これは、エタノール分子の優先的な表面被覆、より短いイオン/電子拡散経路、ナノスケール構造を介した反応物質のより良好な物質移動、及びエタノール電解酸化反応におけるより速い又は可逆的な動態につながり得る。しかしながら、エタノールの電解酸化反応における、異方性、露出した活性部位の密度、及び長手軸の方向における多重拡散性のボイドの密度の点での触媒形態の影響は、不明のままである。 Adjusted nano-object design and surface morphology may provide an electrode catalyst with improved accessibility to electrically active sites. This leads to preferential surface coating of ethanol molecules, shorter ion / electron diffusion pathways, better mass transfer of reactants through nanoscale structures, and faster or reversible kinetics in ethanol electrolytic oxidation reactions. obtain. However, the effect of catalytic morphology on anisotropy, the density of exposed active sites, and the density of multidiffusive voids in the longitudinal direction on the electrolytic oxidation reaction of ethanol remains unclear.
電極を形成する現在の方法は、ランダムに配向した形態を有する構造の形成をもたらす。さらに、典型的な方法は、白金のような現在の電極材料のコストのために、小規模で多段階のプロセスを必要とする。現在の工業用の触媒系の電極の欠点は、白金のような材料の高コストと、電極の有限サイク寿命である。さらに、白金触媒は一酸化炭素と容易に結合することができ、それによりエタノール酸化還元反応を「中毒」(“poisoning”)させる。したがって、改善された電極、例えば、直接エタノール燃料電池に使用するための電極を提供する必要がある。 Current methods of forming electrodes result in the formation of structures with randomly oriented morphology. In addition, typical methods require a small, multi-step process due to the cost of current electrode materials such as platinum. The drawbacks of current industrial catalytic electrodes are the high cost of materials such as platinum and the finite cycle life of the electrodes. In addition, the platinum catalyst can easily bind to carbon monoxide, thereby causing the ethanol redox reaction to be "poisoned". Therefore, it is necessary to provide improved electrodes, for example electrodes for direct use in ethanol fuel cells.
本発明は、多重拡散性のメソケージ空洞及び窓を有する低屈折率及び高屈折率の単一平面及び界面平面から利点が得られる電極構造を提供する。本開示は、多成分炭素/Co3O4/基板層を使用することによって、長手軸に沿って様々な電極構造を合成する簡単なワンポット水熱法を提供する。本発明の方法は、多重拡散性のメソケージ空洞及び窓を有する低屈折率及び高屈折率の単一面及び界面平面を有する様々な異方性形態のCo3O4構造の製造に対して多目的な制御を提供する。 The present invention provides electrode structures that benefit from low- and high-refractive index single and interfacial planes with multi-diffusive meso-cage cavities and windows. The present disclosure provides a simple one-pot hydrothermal method for synthesizing various electrode structures along the longitudinal axis by using a multi-component carbon / Co 3 O 4 / substrate layer. The method of the present invention is versatile for the production of various anisotropic forms of Co 3 O 4 structures having low and high index single planes and interface planes with multiple diffusible meso-cage cavities and windows. Provides control.
本発明は、多孔質ニッケル基板及びCo3O4メソ結晶を含む低コスト材料を使用するので、現在の電極システムよりもコストの点で大きな利点を提供する。さらに、本発明は、当該技術分野における電極と比較して、改善された電子輸送及び拡散を有する電極を提供する。Co3O4などの本発明の金属酸化物触媒は、低コストで製造することができ、実施形態では、階層的形態(例えば、本明細書に開示されるナノフォレスト構造)、高表面積被覆率、及び高屈折率の露出活性部位平面の表面を有する単結晶などのユニークな特徴を有する。これらのパラメータは、酸素還元反応(ORR)又はアルコール酸化反応(AOR)の電気化学的触媒作用の高効率性能を提供する。 The present invention provides a significant cost advantage over current electrode systems due to the use of low cost materials including porous nickel substrates and Co 3 O 4 mesocrystals. In addition, the present invention provides electrodes with improved electron transport and diffusion as compared to electrodes in the art. The metal oxide catalyst of the present invention, such as Co 3 O 4, can be produced at low cost, and in embodiments, it has a hierarchical form (eg, a nanoforest structure disclosed herein), a high surface area coverage. It has unique features such as, and a single crystal having a high refractive index exposed active site plane surface. These parameters provide highly efficient performance of electrochemical catalysis of oxygen reduction reaction (ORR) or alcohol oxidation reaction (AOR).
本発明の電極は多くの利点を提供する。電極は、従来の白金/炭素(Pt/C)電極と比較して、エタノール電解酸化の触媒効率が改善されている。 The electrodes of the present invention offer many advantages. The electrode has improved catalytic efficiency of ethanol electrolytic oxidation as compared to conventional platinum / carbon (Pt / C) electrodes.
本発明の目的は、高い触媒効率を有する低コストの電極を提供することである。したがって、さらなる目的は、前記電極を製造する方法を提供することである。出願人は、これらの目的が本発明の実施形態によって達成されると考えている。 An object of the present invention is to provide a low cost electrode having high catalytic efficiency. Therefore, a further object is to provide a method of manufacturing the electrode. Applicants believe that these objects are achieved by embodiments of the present invention.
一態様では、本発明は、支持体及び金属酸化物触媒を含む電極であって、前記金属酸化物触媒がナノフォレスト構造を含む電極を提供する。 In one aspect, the present invention provides an electrode comprising a support and a metal oxide catalyst, wherein the metal oxide catalyst comprises a nanoforest structure.
一実施形態では、金属酸化物触媒は、遷移金属酸化物である。一実施形態において、遷移金属酸化物触媒は、酸化コバルト(例えばCo3O4及び/又はCoO)、酸化ニッケル(例えばNiO)、酸化マンガン(例えばMnO2)、又は酸化カドミウムである。一実施形態では、金属酸化物触媒は酸化コバルトである。一実施形態では、酸化コバルトは、Co3O4、CoO、又はCo3O4とCoOとの混合物を含む。一実施形態では、酸化コバルトはCo3O4を含む。一実施形態では、酸化コバルトはCo3O4である。酸化コバルトは、典型的には、Co2+及びCo3+形態のコバルト原子の混合物を含む。いかなる理論にも束縛されることを望まないが、これは、特に本発明の実施形態におけるナノフォレスト構造との組み合わせにおいて、触媒活性の向上もたらすと考えられる。 In one embodiment, the metal oxide catalyst is a transition metal oxide. In one embodiment, the transition metal oxide catalyst is cobalt oxide (eg Co 3 O 4 and / or CoO), nickel oxide (eg NiO), manganese oxide (eg MnO 2 ), or cadmium oxide. In one embodiment, the metal oxide catalyst is cobalt oxide. In one embodiment, the cobalt oxide comprises Co 3 O 4 , CoO, or a mixture of Co 3 O 4 and CoO. In one embodiment, cobalt oxide comprises Co 3 O 4 . In one embodiment, the cobalt oxide is Co 3 O 4 . Cobalt oxide typically comprises a mixture of cobalt atoms in the form of Co 2+ and Co 3+. Although not bound by any theory, this is believed to result in improved catalytic activity, especially in combination with the nanoforest structure in embodiments of the present invention.
一実施形態では、ナノフォレスト構造は、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、メソ結晶構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs:corn tubercle pellets)、バナナクラスター(BCs:banana clusters)、薄シート(LSs:lamina sheets)及び複数のカンチレバーシート(MCSs:multiple cantilever sheets)、又はそれらの組み合わせから選択される形態学的構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs)を含む形態学的構造を含み、任意選択的に、前記CPsがナノロッド(NR)ドメインにおいて支持体の表面の長手方向平面から垂直に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、バナナクラスター(BCs)を含む形態学的構造を含み、任意選択的に、前記BCsがナノロッド(NR)ドメインにおいて支持体の表面の長手方向平面から垂直に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、薄シート(LSs)を含む形態学的構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、複数のカンチレバーシート(MCSs)を含む形態学的構造を含む。一実施形態では、CPs、及び/又はBCs、及び/又はLSs、及び/又はMCSsは、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、CPsは、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、BCsは、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、LSsは、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、MCSsは、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。 In one embodiment, the nanoforest structure is oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a mesocrystal structure. In one embodiment, the nanoforest structure is composed of corn nodule pellets (CPs), banana clusters (BCs: banana clusters), thin sheets (LSs: lamina sheets) and multiple cantilever sheets (MCSs: multi-cells). , Or a morphological structure selected from a combination thereof. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing corn nodule pellets (CPs), optionally said CPs in the nanorod (NR) domain perpendicular to the longitudinal plane of the surface of the support. Oriented. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing banana clusters (BCs), optionally said BCs oriented perpendicular to the longitudinal plane of the surface of the support in the nanorod (NR) domain. doing. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure that includes thin sheets (LSs). In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure that includes a plurality of cantilever sheets (MCSs). In one embodiment, CPs and / or BCs, and / or LSs, and / or MCSs are oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the CPs are oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the BCs are oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the LSs are oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the MCSs are oriented perpendicular to the surface of the support.
一実施形態では、金属酸化物触媒は、ミラー指数{111}/{112}及び/又は{112}/{111}及び/又は{110}/{001}及び/又は{001}/{110}及び/又は{112}を有する界面を有する結晶を含む。一実施形態では、金属酸化物触媒は、ミラー指数{111}/{112}及び/又は{112}/{111}を有する界面を有する結晶を含む。一実施形態では、金属酸化物触媒は、ミラー指数{110}/{001}及び/又は{001}/{110}を有する界面を有する結晶を含む。一実施形態では、金属酸化物触媒は、{112}のミラー指数を有するファセットを有する結晶を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は結晶を含む。いかなる理論にも束縛されることを望まないが、界面の提供、例えば、{111}/{112}又は{110}/{001}は、高屈折率単結晶ファセットのみを有する材料よりも利点をもたらすと考えられる。例えば、高屈折率単結晶ファセットのみを有する同様の材料と比較して、触媒における典型的な反応のために、界面ファセットがより良好な吸着、結合及び表面エネルギーを生成すると考えられる。 In one embodiment, the metal oxide catalyst has a Miller index of {111} / {112} and / or {112} / {111} and / or {110} / {001} and / or {001} / {110}. And / or includes crystals having an interface with {112}. In one embodiment, the metal oxide catalyst comprises a crystal having an interface having Miller indexes {111} / {112} and / or {112} / {111}. In one embodiment, the metal oxide catalyst comprises a crystal having an interface having Miller indexes {110} / {001} and / or {001} / {110}. In one embodiment, the metal oxide catalyst comprises crystals with facets having a Miller index of {112}. In one embodiment, the nanoforest structure comprises crystals. Although not bound by any theory, the provision of interfaces, such as {111} / {112} or {110} / {001}, has advantages over materials with only high index single crystal facets. It is thought to bring. For example, it is believed that interfacial facets produce better adsorption, binding and surface energy due to typical reactions in catalysts, as compared to similar materials with only high refractive index single crystal facets.
一実施形態において、支持体は、炭素を含む基板を含む。一実施形態では、炭素は、グラファイト、グラフェンシート(g−C)、又はカーボンナノチューブ(C−NTs)を含む。一実施形態では、炭素はg−C又はC−NTsを含む。一実施形態では、炭素はg−Cを含む。一実施形態では、炭素はC−NTsを含む。一実施形態では、C−NTsは多層カーボンナノチューブ(MWCNT)である。一実施形態では、金属酸化物触媒が基板上に堆積される。 In one embodiment, the support comprises a carbon-containing substrate. In one embodiment, the carbon comprises graphite, graphene sheets (g—C), or carbon nanotubes (C-NTs). In one embodiment, carbon comprises g-C or C-NTs. In one embodiment, the carbon comprises g—C. In one embodiment, carbon comprises C-NTs. In one embodiment, the C-NTs are multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). In one embodiment, the metal oxide catalyst is deposited on the substrate.
一実施形態では、支持体は、発泡金属、ガラス状炭素(GC)、又はセラミック膜(例えば、アルミナ又はチタニア膜)を含むベースを含む。一実施形態では、支持体は、発泡金属又はガラス状炭素(GC)を含むベースを含む。一実施形態では、支持体は、ガラス状炭素(GC)を含むベースを含む。一実施形態では、支持体は、発泡金属を含むベースを含む。一実施形態では、発泡金属は、発泡ニッケル又は発泡アルミニウムを含むか、又はそれからなる。一実施形態では、発泡金属は発泡ニッケルを含む。一実施形態では、発泡ニッケルは、3D多孔質ニッケル発泡体(3D−PNi)である。 In one embodiment, the support comprises a base comprising a metal foam, glassy carbon (GC), or a ceramic film (eg, alumina or titania film). In one embodiment, the support comprises a base containing metal foam or glassy carbon (GC). In one embodiment, the support comprises a base containing glassy carbon (GC). In one embodiment, the support comprises a base containing a foamed metal. In one embodiment, the foam metal comprises or consists of nickel foam or aluminum foam. In one embodiment, the foam metal comprises nickel foam. In one embodiment, the nickel foam is a 3D porous nickel foam (3D-PNi).
一実施形態では、支持体は、本明細書で定義されるベース上に堆積された本明細書で定義される基板を含む。 In one embodiment, the support comprises a substrate as defined herein deposited on a base as defined herein.
一実施形態では、ナノフォレスト構造は、電極の露出した表面上にある。 In one embodiment, the nanoforest structure is on the exposed surface of the electrode.
一実施形態では、電極は、50m2/g超の表面積を有する。一実施形態では、電極は、75m2/g超の表面積、例えば、100m2/g超の表面積を有する。 In one embodiment, the electrode has a surface area of more than 50 m 2 / g. In one embodiment, the electrode has a surface area of more than 75 m 2 / g, eg, a surface area of more than 100 m 2 / g.
一態様では、本発明は、支持体及び金属酸化物触媒前駆体を含む組成物であって、前記金属酸化物触媒前駆体がナノフォレスト構造を含む組成物を提供する。組成物は、電極前駆体として使用するための組成物であってもよい。例えば、金属酸化物触媒前駆体が触媒に転化された後、転化された組成物は、電極を使用するためのものであってもよい。 In one aspect, the present invention provides a composition comprising a support and a metal oxide catalyst precursor, wherein the metal oxide catalyst precursor comprises a nanoforest structure. The composition may be a composition for use as an electrode precursor. For example, after the metal oxide catalyst precursor has been converted to a catalyst, the converted composition may be for use with electrodes.
一実施形態では、金属酸化物触媒前駆体は、水和金属酸化物前駆体であるか、又はこれを含む。一実施形態では、金属酸化物触媒前駆体は、水和遷移金属酸化物触媒前駆体である。一実施形態において、水和遷移金属酸化物前駆体は、酸化コバルト(例えばCo3O4及び/又はCoO)、酸化ニッケル(例えばNiO)、酸化マンガン(例えばMnO2)、又は酸化カドミウムである。一実施形態では、金属酸化物触媒前駆体は、水和コバルト酸化物である。一実施形態では、金属酸化物触媒前駆体は、式CoO(OH)x(CO3)0.5.0.11H2O(式中、xは1、2又は3から選択される)、又はそれらの混合物を有する。 In one embodiment, the metal oxide catalyst precursor is or comprises a hydrated metal oxide precursor. In one embodiment, the metal oxide catalyst precursor is a hydration transition metal oxide catalyst precursor. In one embodiment, the hydration transition metal oxide precursor is cobalt oxide (eg Co 3 O 4 and / or CoO), nickel oxide (eg NiO), manganese oxide (eg MnO 2 ), or cadmium oxide. In one embodiment, the metal oxide catalyst precursor is a hydrated cobalt oxide. In one embodiment, the metal oxide catalyst precursor is of formula CoO (OH) x (CO 3 ) 0.5. It has 0.11H 2 O (where x is selected from 1, 2 or 3 in the formula), or a mixture thereof.
一実施形態では、ナノフォレスト構造は、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、メソ結晶構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs:corn tubercle pellets)、バナナクラスター(BCs:banana clusters)、薄シート(LSs:lamina sheets)及び複数のカンチレバーシート(MCSs:multiple cantilever sheets)、又はそれらの組み合わせから選択される形態学的構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs)を含む形態学的構造を含み、任意選択的に、前記CPsがナノロッド(NR)ドメインにおいて支持体の表面の長手方向平面から垂直に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、バナナクラスター(BCs)を含む形態学的構造を含み、任意選択的に、前記BCsがナノロッド(NR)ドメインにおいて支持体の表面の長手方向平面から垂直に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs)を含む形態学的構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、複数のカンチレバーシート(MCSs)を含む形態学的構造を含む。一実施形態では、CPs、及び/又はBCs、及び/又はLSs、及び/又はMCSsは、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、CPsは、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、BCsは、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、LSsは、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、MCSsは、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。 In one embodiment, the nanoforest structure is oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a mesocrystal structure. In one embodiment, the nanoforest structure is composed of corn nodule pellets (CPs), banana clusters (BCs: banana clusters), thin sheets (LSs: lamina sheets) and multiple cantilever sheets (MCSs: multi-cells). , Or a morphological structure selected from a combination thereof. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing corn nodule pellets (CPs), optionally said CPs in the nanorod (NR) domain perpendicular to the longitudinal plane of the surface of the support. Oriented. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing banana clusters (BCs), optionally said BCs oriented perpendicular to the longitudinal plane of the surface of the support in the nanorod (NR) domain. doing. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing corn nodule pellets (CPs). In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure that includes a plurality of cantilever sheets (MCSs). In one embodiment, CPs and / or BCs, and / or LSs, and / or MCSs are oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the CPs are oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the BCs are oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the LSs are oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the MCSs are oriented perpendicular to the surface of the support.
一実施形態において、支持体は、炭素を含む基板を含む。一実施形態では、炭素は、グラフェンシート(g−C)、カーボンナノチューブ(C−NTs)、グラファイト、炭素繊維、メソポーラスカーボン、又は炭素窒化物を含む。一実施形態では、炭素は、グラフェンシート(g−C)、カーボンナノチューブ(C−NTs)、グラファイト、炭素繊維、又はメソポーラスカーボンを含む。一実施形態では、炭素は、グラフェンシート(g−C)、カーボンナノチューブ(C−NTs)、グラファイト、又は炭素繊維を含む。一実施形態では、炭素は、グラファイト、グラフェンシート(g−C)又はカーボンナノチューブ(C−NTs)を含む。一実施形態では、炭素はg−C又はC−NTsを含む。一実施形態では、炭素はg−Cを含む。一実施形態では、炭素はC−NTsを含む。一実施形態では、C−NTsは多層カーボンナノチューブ(MWCNT)である。一実施形態では、金属酸化物触媒が基板上に堆積される。 In one embodiment, the support comprises a carbon-containing substrate. In one embodiment, the carbon comprises graphene sheets (g—C), carbon nanotubes (C-NTs), graphite, carbon fibers, mesoporous carbon, or carbon nitride. In one embodiment, the carbon comprises graphene sheets (g—C), carbon nanotubes (C-NTs), graphite, carbon fibers, or mesoporous carbon. In one embodiment, the carbon comprises graphene sheets (g—C), carbon nanotubes (C-NTs), graphite, or carbon fibers. In one embodiment, the carbon comprises graphite, graphene sheets (g—C) or carbon nanotubes (C-NTs). In one embodiment, carbon comprises g-C or C-NTs. In one embodiment, the carbon comprises g—C. In one embodiment, carbon comprises C-NTs. In one embodiment, the C-NTs are multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). In one embodiment, the metal oxide catalyst is deposited on the substrate.
一実施形態では、支持体は、発泡金属、ガラス状炭素(GC)、又はセラミック膜(例えば、アルミナ又はチタニア膜)を含むベースを含む。一実施形態では、支持体は、発泡金属又はガラス状炭素(GC)を含むベースを含む。一実施形態では、支持体は、ガラス状炭素(GC)を含むベースを含む。一実施形態では、支持体は、発泡金属を含むベースを含む。一実施形態では、発泡金属は、発泡ニッケル又は発泡アルミニウムを含むか、又はそれからなる。一実施形態では、発泡金属は発泡ニッケルを含む。一実施形態では、発泡ニッケルは、3D多孔質ニッケル発泡体(3D−PNi)である。 In one embodiment, the support comprises a base comprising a metal foam, glassy carbon (GC), or a ceramic film (eg, alumina or titania film). In one embodiment, the support comprises a base containing metal foam or glassy carbon (GC). In one embodiment, the support comprises a base containing glassy carbon (GC). In one embodiment, the support comprises a base containing a foamed metal. In one embodiment, the foam metal comprises or consists of nickel foam or aluminum foam. In one embodiment, the foam metal comprises nickel foam. In one embodiment, the nickel foam is a 3D porous nickel foam (3D-PNi).
一実施形態では、支持体は、本明細書で定義される基板上に堆積された本明細書で定義される基板を含む。 In one embodiment, the support comprises a substrate as defined herein deposited on a substrate as defined herein.
一実施形態では、ナノフォレスト構造は、電極の露出した表面上にある。 In one embodiment, the nanoforest structure is on the exposed surface of the electrode.
一実施形態では、組成物は、50m2/g超の表面積を有する。一実施形態では、電極は、75m2/g超の表面積、例えば、100m2/g超の表面積を有する。 In one embodiment, the composition has a surface area of greater than 50 m 2 / g. In one embodiment, the electrode has a surface area of more than 75 m 2 / g, eg, a surface area of more than 100 m 2 / g.
一態様では、本発明は、電極を作製する方法を提供する。本方法は、電極ベースの存在下で、コバルト(II)カチオン、尿素又は環状アミド及び炭素を含む水溶液を形成する工程;前記溶液を活性化する工程;前記電極ベース上に堆積されたコバルトと炭素とを含む組成物が形成されるように反応を進行させる工程;前記組成物を前記溶液から単離する工程;前記組成物を焼成して、酸化コバルト触媒を含む電極を形成する工程を含む。 In one aspect, the invention provides a method of making an electrode. The method is a step of forming an aqueous solution containing cobalt (II) cation, urea or cyclic amide and carbon in the presence of an electrode base; a step of activating the solution; cobalt and carbon deposited on the electrode base. A step of advancing the reaction so that a composition containing and is formed; a step of isolating the composition from the solution; a step of calcining the composition to form an electrode containing a cobalt oxide catalyst.
一実施形態では、コバルト(II)カチオンは塩によって提供される。一実施形態では、塩は、塩化コバルト、硝酸コバルト、又はそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、塩は塩化コバルトを含む。一実施形態では、塩は硝酸コバルトを含む。 In one embodiment, the cobalt (II) cation is provided by a salt. In one embodiment, the salt comprises cobalt chloride, cobalt nitrate, or a combination thereof. In one embodiment, the salt comprises cobalt chloride. In one embodiment, the salt comprises cobalt nitrate.
一実施形態では、尿素又は環状アミドは尿素である。一実施形態では、尿素又は環状アミドは環状アミドである。一実施形態では、環状アミドはヘキサメチレンテトラミン(HMT)である。 In one embodiment, the urea or cyclic amide is urea. In one embodiment, the urea or cyclic amide is a cyclic amide. In one embodiment, the cyclic amide is hexamethylenetetramine (HMT).
一実施形態では、炭素は、グラフェンシート(g−C)、カーボンナノチューブ(C−NTs)、グラファイト、炭素繊維、メソポーラスカーボン又は炭素窒化物を含む。一実施形態では、炭素は、グラフェンシート(g−C)、カーボンナノチューブ(C−NTs)、グラファイト、炭素繊維、又はメソポーラスカーボンを含む。一実施形態では、炭素は、グラファイト、グラフェンシート(g−C)又はカーボンナノチューブ(C−NTs)を含む。一実施形態では、炭素は、g−C又はカーボンナノチューブC−NTsを含む。一実施形態では、炭素はg−Cを含む。一実施形態では、炭素はカーボンナノチューブC−NTsを含む。C−NTsは、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)であってもよい。 In one embodiment, carbon comprises graphene sheets (g—C), carbon nanotubes (C-NTs), graphite, carbon fibers, mesoporous carbon or carbon nitride. In one embodiment, the carbon comprises graphene sheets (g—C), carbon nanotubes (C-NTs), graphite, carbon fibers, or mesoporous carbon. In one embodiment, the carbon comprises graphite, graphene sheets (g—C) or carbon nanotubes (C-NTs). In one embodiment, the carbon comprises g-C or carbon nanotubes C-NTs. In one embodiment, the carbon comprises g—C. In one embodiment, the carbon comprises carbon nanotubes C-NTs. The C-NTs may be multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs).
一実施形態では、電極ベースは、発泡金属、ガラス状炭素(GC)、又はセラミック膜(例えば、アルミナ又はチタニア膜)であるか、又はこれを含む。一実施形態では、電極ベースは、発泡金属又はガラス状炭素(GC)であるか、又はこれを含む。一実施形態では、ベースはガラス状炭素(GC)であるか、又はこれを含む。一実施形態では、支持体は発泡金属であるか、又はこれを含む。一実施形態では、発泡金属は、発泡ニッケル又は発泡アルミニウムを含むか、又はそれからなる。一実施形態では、発泡金属は、発泡ニッケルを含むか、又はそれからなる。一実施形態では、発泡ニッケルは、3D多孔質ニッケル発泡体(3D−PNi)である。 In one embodiment, the electrode base is, or comprises a metal foam, glassy carbon (GC), or ceramic film (eg, alumina or titania film). In one embodiment, the electrode base is, or comprises, metal foam or glassy carbon (GC). In one embodiment, the base is or comprises glassy carbon (GC). In one embodiment, the support is or comprises foamed metal. In one embodiment, the foam metal comprises or consists of nickel foam or aluminum foam. In one embodiment, the foam metal comprises or consists of nickel foam. In one embodiment, the nickel foam is a 3D porous nickel foam (3D-PNi).
一実施形態では、反応を進行させる工程の間に、炭素が、コバルト(II)カチオンの堆積のための基板を提供する。一実施形態では、反応を進行させる工程の間に、基板が電極ベース上に堆積する。 In one embodiment, carbon provides a substrate for the deposition of cobalt (II) cations during the process of advancing the reaction. In one embodiment, the substrate is deposited on the electrode base during the process of advancing the reaction.
一実施形態では、反応を進行させる工程は、溶液を活性化する工程を含む。 In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises activating the solution.
一実施形態では、溶液を活性化する工程及び反応を進行させる工程は、圧力容器内で行われる。一実施形態では、溶液を活性化する工程及び反応を進行させる工程は、1気圧より高い圧力(例えば、少なくとも2気圧、5気圧又は10気圧の圧力)で行われる。 In one embodiment, the steps of activating the solution and advancing the reaction are performed in a pressure vessel. In one embodiment, the steps of activating the solution and advancing the reaction are performed at a pressure higher than 1 atm (eg, at least 2 atm, 5 atm or 10 atm).
一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を、加熱すること、電磁放射線(例えば、UV、赤外線、又はマイクロ波放射線)を照射すること、又は超音波処理することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を少なくとも80℃、少なくとも100℃、少なくとも120℃及び少なくとも140℃から選択される温度に加熱することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を100〜200℃の範囲の温度に加熱することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を120〜180℃の範囲の温度に加熱することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を130〜170℃の範囲の温度に加熱することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を140〜160℃の範囲の温度に加熱することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を150℃(例えば、145〜155℃)の範囲の温度に加熱することを含む。 In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution, irradiating it with electromagnetic radiation (eg, UV, infrared, or microwave radiation), or sonicating it. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature selected from at least 80 ° C, at least 100 ° C, at least 120 ° C and at least 140 ° C. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature in the range of 100-200 ° C. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature in the range of 120-180 ° C. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature in the range 130-170 ° C. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature in the range 140-160 ° C. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature in the range of 150 ° C. (eg, 145-155 ° C.).
一実施形態では、反応を進行させる工程は、少なくとも1時間の時間を含む。一実施形態では、反応を進行させる工程は、少なくとも4時間の時間を含む。一実施形態では、反応を進行させる工程は、少なくとも8時間の時間を含む。一実施形態では、反応を進行させる工程は、1時間〜36時間の時間を含む。一実施形態では、反応を進行させる工程は、4時間〜36時間の時間を含む。一実施形態では、反応を進行させる工程は、8時間〜24時間の時間を含む。 In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of at least 1 hour. In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of at least 4 hours. In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of at least 8 hours. In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of 1 to 36 hours. In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of 4 to 36 hours. In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of 8 to 24 hours.
一実施形態では、組成物は、水和コバルト酸化物を含む。一実施形態では、水和コバルト酸化物は、式Co(OH)x(CO3)0.5.0.11H2O(式中、xは1、2又は3から選択される)、又はそれらの混合物を有する。 In one embodiment, the composition comprises a hydrated cobalt oxide. In one embodiment, the hydrated cobalt oxide is of formula Co (OH) x (CO 3 ) 0.5. It has 0.11H 2 O (where x is selected from 1, 2 or 3 in the formula), or a mixture thereof.
一実施形態では、水和コバルト酸化物は、ナノフォレスト構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、メソ結晶構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs:corn tubercle pellets)、バナナクラスター(BCs:banana clusters)、薄シート(LSs:lamina sheets)及び複数のカンチレバーシート(MCSs:multiple cantilever sheets)、又はそれらの組み合わせから選択される形態学的構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs)を含む形態学的構造を含み、任意選択的に、前記CPsがナノロッド(NR)ドメインにおいて電極ベースの表面の長手方向平面から垂直に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、バナナクラスター(BCs)を含む形態学的構造を含み、任意選択的に、前記BCsがナノロッド(NR)ドメインにおいて前記電極ベースの表面の長手方向平面から垂直に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs)を含む形態学的構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、複数のカンチレバーシート(MCSs)を含む形態学的構造を含む。一実施形態では、CPs、及び/又はBCs、及び/又はLSs、及び/又はMCSsは、電極ベースの表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、CPsは、電極ベースの表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、BCsは、電極ベースの表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、LSsは、電極ベースの表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、MCSsは、電極ベースの表面に対して垂直方向に配向している。 In one embodiment, the hydrated cobalt oxide comprises a nanoforest structure. In one embodiment, the nanoforest structure is oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a mesocrystal structure. In one embodiment, the nanoforest structure is composed of corn nodule pellets (CPs), banana clusters (BCs: banana clusters), thin sheets (LSs: lamina sheets) and multiple cantilever sheets (MCSs: multi-cells). , Or a morphological structure selected from a combination thereof. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing corn nodule pellets (CPs), optionally said CPs in the nanorod (NR) domain perpendicular to the longitudinal plane of the surface of the electrode base. Oriented. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing banana clusters (BCs), optionally said that the BCs are perpendicular to the longitudinal plane of the surface of the electrode base in the nanorod (NR) domain. Oriented. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing corn nodule pellets (CPs). In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure that includes a plurality of cantilever sheets (MCSs). In one embodiment, CPs and / or BCs, and / or LSs, and / or MCSs are oriented perpendicular to the surface of the electrode base. In one embodiment, the CPs are oriented perpendicular to the surface of the electrode base. In one embodiment, the BCs are oriented perpendicular to the surface of the electrode base. In one embodiment, the LSs are oriented perpendicular to the surface of the electrode base. In one embodiment, the MCSs are oriented perpendicular to the surface of the electrode base.
一実施形態では、単離工程と焼成工程との間に、組成物が少なくとも1種の溶媒で洗浄される。一実施形態では、洗浄は、少なくとも2つの溶媒で順次洗浄することを含む。一実施形態では、1つの溶媒又は複数の溶媒(例えば、2つ、3つ又は4つの溶媒)は、水及び水混和性溶媒から選択される。一実施形態では、水混和性溶媒は、水及び水混和性有機溶媒を含む。一実施形態では、水混和性溶媒は、5%未満の水、例えば、2%未満の水を含む。一実施形態では、水混和性溶媒は、メタノール、エタノール及びイソプロパノール、又はそれらの混合物から選択される。一実施形態では、水混和性溶媒はエタノール(例えば、無水エタノール)である。 In one embodiment, the composition is washed with at least one solvent between the isolation step and the calcination step. In one embodiment, washing involves washing sequentially with at least two solvents. In one embodiment, one solvent or multiple solvents (eg, two, three or four solvents) are selected from water and water miscible solvents. In one embodiment, the water-miscible solvent comprises water and a water-miscible organic solvent. In one embodiment, the water-miscible solvent comprises less than 5% water, eg, less than 2% water. In one embodiment, the water-miscible solvent is selected from methanol, ethanol and isopropanol, or mixtures thereof. In one embodiment, the water-miscible solvent is ethanol (eg, absolute ethanol).
一実施形態では、単離された組成物は焼成工程の前に乾燥される。 In one embodiment, the isolated composition is dried prior to the firing step.
一実施形態では、焼成工程は、組成物を少なくとも200℃に加熱することを含む。一実施形態では、焼成工程は、組成物を少なくとも300℃に加熱することを含む。一実施形態では、焼成工程は、組成物を少なくとも350℃に加熱することを含む。一実施形態では、焼成工程は、組成物を500℃以下の温度に加熱することを含む。一実施形態では、焼成工程は、組成物を200〜500℃の温度に加熱することを含む。一実施形態では、焼成工程は、組成物を300〜500℃の温度(例えば、350〜450℃の温度)に加熱することを含む。 In one embodiment, the firing step involves heating the composition to at least 200 ° C. In one embodiment, the firing step comprises heating the composition to at least 300 ° C. In one embodiment, the firing step comprises heating the composition to at least 350 ° C. In one embodiment, the firing step comprises heating the composition to a temperature of 500 ° C. or lower. In one embodiment, the firing step involves heating the composition to a temperature of 200-500 ° C. In one embodiment, the firing step comprises heating the composition to a temperature of 300-500 ° C. (eg, a temperature of 350-450 ° C.).
本発明の別の態様は、電極前駆体を作製する方法を提供する。本方法は、電極ベースの存在下で、コバルト(II)カチオン、尿素又は環状アミド及び炭素を含む水溶液を形成する工程;前記溶液を活性化する工程;前記電極ベース上に堆積されたコバルトと炭素とを含む組成物が形成されるように反応を進行させる工程を含む。本方法は、任意選択的に前記組成物を前記溶液から単離する工程を含む。 Another aspect of the invention provides a method of making an electrode precursor. The method is a step of forming an aqueous solution containing a cobalt (II) cation, urea or a cyclic amide and carbon in the presence of an electrode base; a step of activating the solution; cobalt and carbon deposited on the electrode base. Including a step of advancing the reaction so that a composition containing and is formed. The method comprises optionally isolating the composition from the solution.
一実施形態では、コバルト(II)カチオンは塩によって提供される。一実施形態では、塩は、塩化コバルト、硝酸コバルト、又はそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、塩は塩化コバルトを含む。一実施形態では、塩は硝酸コバルトを含む。 In one embodiment, the cobalt (II) cation is provided by a salt. In one embodiment, the salt comprises cobalt chloride, cobalt nitrate, or a combination thereof. In one embodiment, the salt comprises cobalt chloride. In one embodiment, the salt comprises cobalt nitrate.
一実施形態では、尿素又は環状アミドは尿素である。一実施形態では、尿素又は環状アミドは環状アミドである。一実施形態では、環状アミドはヘキサメチレンテトラミン(HMT)である。 In one embodiment, the urea or cyclic amide is urea. In one embodiment, the urea or cyclic amide is a cyclic amide. In one embodiment, the cyclic amide is hexamethylenetetramine (HMT).
一実施形態では、炭素は、グラフェンシート(g−C)、カーボンナノチューブ(C−NTs)、グラファイト、炭素繊維、メソポーラスカーボン又は炭素窒化物を含む。一実施形態では、炭素は、グラファイト、グラフェンシート(g−C)又はカーボンナノチューブ(C−NTs)を含む。一実施形態では、炭素は、g−C又はカーボンナノチューブC−NTsを含む。一実施形態では、炭素はg−Cを含む。一実施形態では、炭素はカーボンナノチューブC−NTsを含む。C−NTsは、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)であってもよい。 In one embodiment, carbon comprises graphene sheets (g—C), carbon nanotubes (C-NTs), graphite, carbon fibers, mesoporous carbon or carbon nitride. In one embodiment, the carbon comprises graphite, graphene sheets (g—C) or carbon nanotubes (C-NTs). In one embodiment, the carbon comprises g-C or carbon nanotubes C-NTs. In one embodiment, the carbon comprises g—C. In one embodiment, the carbon comprises carbon nanotubes C-NTs. The C-NTs may be multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs).
一実施形態では、電極ベースは、発泡金属、ガラス状炭素(GC)、又はセラミック膜(例えば、アルミナ又はチタニア膜)であるか、又はこれを含む。一実施形態では、電極ベースは、発泡金属又はガラス状炭素(GC)であるか、又はこれを含む。一実施形態では、ベースはガラス状炭素(GC)であるか、又はこれを含む。一実施形態では、支持体は発泡金属であるか、又はこれを含む。一実施形態では、発泡金属は、発泡ニッケル又は発泡アルミニウムを含むか、又はそれからなる。一実施形態では、発泡金属は、発泡ニッケルを含むか、又はそれからなる。一実施形態では、発泡ニッケルは、3D多孔質ニッケル発泡体(3D−PNi)である。 In one embodiment, the electrode base is, or comprises a metal foam, glassy carbon (GC), or ceramic film (eg, alumina or titania film). In one embodiment, the electrode base is, or comprises, metal foam or glassy carbon (GC). In one embodiment, the base is or comprises glassy carbon (GC). In one embodiment, the support is or comprises foamed metal. In one embodiment, the foam metal comprises or consists of nickel foam or aluminum foam. In one embodiment, the foam metal comprises or consists of nickel foam. In one embodiment, the nickel foam is a 3D porous nickel foam (3D-PNi).
一実施形態では、反応を進行させる工程の間に、炭素が、コバルト(II)カチオンの堆積のための基板を提供する。一実施形態では、反応を進行させる工程の間に、基板が電極ベース上に堆積する。 In one embodiment, carbon provides a substrate for the deposition of cobalt (II) cations during the process of advancing the reaction. In one embodiment, the substrate is deposited on the electrode base during the process of advancing the reaction.
一実施形態では、反応を進行させる工程は、溶液を活性化する工程を含む。 In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises activating the solution.
一実施形態では、溶液を活性化する工程及び反応を進行させる工程は、圧力容器内で行われる。一実施形態では、溶液を活性化する工程及び反応を進行させる工程は、1気圧より高い圧力(例えば、少なくとも2気圧、5気圧又は10気圧の圧力)で行われる。 In one embodiment, the steps of activating the solution and advancing the reaction are performed in a pressure vessel. In one embodiment, the steps of activating the solution and advancing the reaction are performed at a pressure higher than 1 atm (eg, at least 2 atm, 5 atm or 10 atm).
一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を、加熱すること、電磁放射線(例えば、UV、赤外線、又はマイクロ波放射線)を照射すること、又は超音波処理することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を少なくとも80℃、少なくとも100℃、少なくとも120℃及び少なくとも140℃から選択される温度に加熱することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を100〜200℃の範囲の温度に加熱することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を120〜180℃の範囲の温度に加熱することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を130〜170℃の範囲の温度に加熱することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を140〜160℃の範囲の温度に加熱することを含む。一実施形態では、溶液を活性化する工程は、溶液を150℃(例えば、145〜155℃)の範囲の温度に加熱することを含む。 In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution, irradiating it with electromagnetic radiation (eg, UV, infrared, or microwave radiation), or sonicating it. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature selected from at least 80 ° C, at least 100 ° C, at least 120 ° C and at least 140 ° C. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature in the range of 100-200 ° C. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature in the range of 120-180 ° C. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature in the range 130-170 ° C. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature in the range 140-160 ° C. In one embodiment, the step of activating the solution comprises heating the solution to a temperature in the range of 150 ° C. (eg, 145-155 ° C.).
一実施形態では、反応を進行させる工程は、少なくとも1時間の時間を含む。一実施形態では、反応を進行させる工程は、少なくとも4時間の時間を含む。一実施形態では、反応を進行させる工程は、少なくとも8時間の時間を含む。一実施形態では、反応を進行させる工程は、1時間〜36時間の時間を含む。一実施形態では、反応を進行させる工程は、4時間〜36時間の時間を含む。一実施形態では、反応を進行させる工程は、8時間〜24時間の時間を含む。 In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of at least 1 hour. In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of at least 4 hours. In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of at least 8 hours. In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of 1 to 36 hours. In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of 4 to 36 hours. In one embodiment, the step of advancing the reaction comprises a time of 8 to 24 hours.
一実施形態では、組成物は、水和コバルト酸化物を含む。一実施形態では、水和コバルト酸化物は、式Co(OH)x(CO3)0.5.0.11H2O(式中、xは1、2又は3から選択される)、又はそれらの混合物を有する。 In one embodiment, the composition comprises a hydrated cobalt oxide. In one embodiment, the hydrated cobalt oxide is of formula Co (OH) x (CO 3 ) 0.5. It has 0.11H 2 O (where x is selected from 1, 2 or 3 in the formula), or a mixture thereof.
一実施形態では、水和コバルト酸化物は、ナノフォレスト構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、支持体の表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、メソ結晶構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs:corn tubercle pellets)、バナナクラスター(BCs:banana clusters)、薄シート(LSs:lamina sheets)及び複数のカンチレバーシート(MCSs:multiple cantilever sheets)、又はそれらの組み合わせから選択される形態学的構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs)を含む形態学的構造を含み、任意選択的に、前記CPsがナノロッド(NR)ドメインにおいて電極ベースの表面の長手方向平面から垂直に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、バナナクラスター(BCs)を含む形態学的構造を含み、任意選択的に、前記BCsがナノロッド(NR)ドメインにおいて前記電極ベースの表面の長手方向平面から垂直に配向している。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、トウモロコシ結節ペレット(CPs)を含む形態学的構造を含む。一実施形態では、ナノフォレスト構造は、複数のカンチレバーシート(MCSs)を含む形態学的構造を含む。一実施形態では、CPs、及び/又はBCs、及び/又はLSs、及び/又はMCSsは、電極ベースの表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、CPsは、電極ベースの表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、BCsは、電極ベースの表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、LSsは、電極ベースの表面に対して垂直方向に配向している。一実施形態では、MCSsは、電極ベースの表面に対して垂直方向に配向している。 In one embodiment, the hydrated cobalt oxide comprises a nanoforest structure. In one embodiment, the nanoforest structure is oriented perpendicular to the surface of the support. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a mesocrystal structure. In one embodiment, the nanoforest structure is composed of corn nodule pellets (CPs), banana clusters (BCs: banana clusters), thin sheets (LSs: lamina sheets) and multiple cantilever sheets (MCSs: multi-cells). , Or a morphological structure selected from a combination thereof. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing corn nodule pellets (CPs), optionally said CPs in the nanorod (NR) domain perpendicular to the longitudinal plane of the surface of the electrode base. Oriented. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing banana clusters (BCs), optionally said that the BCs are perpendicular to the longitudinal plane of the surface of the electrode base in the nanorod (NR) domain. Oriented. In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure containing corn nodule pellets (CPs). In one embodiment, the nanoforest structure comprises a morphological structure that includes a plurality of cantilever sheets (MCSs). In one embodiment, CPs and / or BCs, and / or LSs, and / or MCSs are oriented perpendicular to the surface of the electrode base. In one embodiment, the CPs are oriented perpendicular to the surface of the electrode base. In one embodiment, the BCs are oriented perpendicular to the surface of the electrode base. In one embodiment, the LSs are oriented perpendicular to the surface of the electrode base. In one embodiment, the MCSs are oriented perpendicular to the surface of the electrode base.
一実施形態では、単離工程と焼成工程との間に、組成物が少なくとも1種の溶媒で洗浄される。一実施形態では、洗浄は、少なくとも2つの溶媒で順次洗浄することを含む。一実施形態では、1つの溶媒又は複数の溶媒(例えば、2つ、3つ又は4つの溶媒)は、水及び水混和性溶媒から選択される。一実施形態では、水混和性溶媒は、水及び水混和性有機溶媒を含む。一実施形態では、水混和性溶媒は、5%未満の水、例えば、2%未満の水を含む。一実施形態では、水混和性溶媒は、メタノール、エタノール及びイソプロパノール、又はそれらの混合物から選択される。一実施形態では、水混和性溶媒はエタノール(例えば、無水エタノール)である。 In one embodiment, the composition is washed with at least one solvent between the isolation step and the calcination step. In one embodiment, washing involves washing sequentially with at least two solvents. In one embodiment, one solvent or multiple solvents (eg, two, three or four solvents) are selected from water and water miscible solvents. In one embodiment, the water-miscible solvent comprises water and a water-miscible organic solvent. In one embodiment, the water-miscible solvent comprises less than 5% water, eg, less than 2% water. In one embodiment, the water-miscible solvent is selected from methanol, ethanol and isopropanol, or mixtures thereof. In one embodiment, the water-miscible solvent is ethanol (eg, absolute ethanol).
本発明の一態様は、本発明の方法によって得られる電極前駆体を提供する。本発明の別の態様は、本発明の方法によって得られた電極前駆体を提供する。 One aspect of the present invention provides an electrode precursor obtained by the method of the present invention. Another aspect of the invention provides an electrode precursor obtained by the method of the invention.
本発明の一態様は、本発明の方法によって得られる電極を提供する。本発明の別の態様は、本発明の方法によって得られた電極を提供する。 One aspect of the present invention provides an electrode obtained by the method of the present invention. Another aspect of the invention provides an electrode obtained by the method of the invention.
本発明の一態様は、本発明の電極を含む燃料電池を提供する。一実施形態では、燃料電池のアノードは、本発明の電極を含む。 One aspect of the present invention provides a fuel cell comprising the electrodes of the present invention. In one embodiment, the fuel cell anode comprises the electrodes of the present invention.
本発明の別の態様は、本発明の燃料電池又は電極を含む乗り物を提供する。 Another aspect of the invention provides a vehicle comprising the fuel cell or electrodes of the invention.
本発明の一態様は、燃料電池における本発明の電極の使用を提供する。一実施形態では、本使用は、電極をアノード電極として使用することを含む。一実施形態では、本使用は、エタノール電解酸化反応における電極のアノード電極として前記電極の使用を含む。 One aspect of the invention provides the use of the electrodes of the invention in fuel cells. In one embodiment, the present use comprises using the electrode as an anode electrode. In one embodiment, the present use includes the use of the electrode as an anode electrode of the electrode in an ethanol electrolytic oxidation reaction.
本発明の実施形態は、添付図面を参照して以下でさらに説明される。 Embodiments of the present invention will be further described below with reference to the accompanying drawings.
本出願人は、独自のナノスケール形状(シート、立方体、ロッド、及びベルトなど)、並びに{111}、{100}、{110}面、及び{112}面において主に露出した表面を有する単結晶のコバルト(II、III)構造、酸化Co3O4構造の開発に努めてきた。例えば、八面体及び四面体の配位部位を占めるCo3+及びCo2+イオンからなる、スピネルCo3O4メソ結晶の立方体で密集した構造は、材料の高い触媒性能において重要な役割を果たす。特に、Co3O4 NCsの露出した{110}面は、{110}面内に豊富なCo3+活性部位が存在するために、{100}面及び{111}面よりも一酸化炭素の酸化に対してより触媒的に活性である。Co3O4 NCsの露出した表面は、{111}>{100}>>{110}の順に酸素還元活性を有し、これは各平面における高露出のCo2+活性部位の密度と一致する。さらに、Co3O4 NCsの高表面エネルギー{112}ファセットは、{001}面及び{011}面よりも、メタン燃焼中に良好に機能することが示されている。 Applicants simply have their own nanoscale shapes (sheets, cubes, rods, belts, etc.) and surfaces that are predominantly exposed in {111}, {100}, {110}, and {112} planes. We have endeavored to develop crystalline cobalt (II, III) structure and oxidized Co 3 O 4 structure. For example, a cubic, dense structure of spinel Co 3 O 4 mesocrystals consisting of Co 3+ and Co 2+ ions that occupy octahedral and tetrahedral coordination sites plays an important role in the high catalytic performance of the material. In particular, the exposed {110} plane of Co 3 O 4 NCs oxidizes carbon monoxide more than the {100} plane and {111} plane due to the presence of abundant Co 3+ active sites in the {110} plane. It is more catalytically active against. The exposed surface of Co 3 O 4 NCs has oxygen reducing activity in the order of {111}> {100} >> {110}, which is consistent with the density of highly exposed Co 2+ active sites in each plane. Furthermore, the high surface energy {112} facets of Co 3 O 4 NCs have been shown to function better during methane combustion than the {001} and {011} planes.
本明細書の説明及び特許請求の範囲を通して、「含む(comprise)」及び「含む(contain)」という用語及びそれらの変形は、「含むがこれに限定されない」を意味するものであり、それらは、他の部分、添加物、成分、整数又は工程を排除することを意味するものではない(排除しない)。本明細書の説明及び特許請求の範囲を通して、文脈が他に必要としない限り、単数形は複数形を包含する。特に、不定冠詞が使用される場合、文脈上別段の必要がない限り、本明細書は複数形及び単一性を考慮するように理解されるべきである。 Throughout the description and claims of the present specification, the terms "comprise" and "contain" and their variations are meant to mean "including but not limited to". , Other parts, additives, ingredients, integers or steps are not meant to be excluded (not excluded). Throughout the description and claims of the present specification, the singular form includes the plural form unless the context requires otherwise. In particular, when indefinite articles are used, the specification should be understood to consider plurals and unity, unless otherwise required in the context.
本発明の特定の態様、実施形態又は実施例に関連して説明される特徴、整数、特性、化合物、化学的部分又は群は、それらと非互換でない限り、本明細書に記載される他の態様、実施形態又は実施例に適用できると理解される。本明細書(添付の特許請求の範囲、要約書及び図面を含む)に開示された全ての特徴、及び/又はそのように開示された方法又はプロセスの全ての工程は、そのような特徴及び/又は工程の少なくともいくつかが相互に排他的である組合せを除いて、任意の組合せで組み合わせることができる。本発明は、前述の実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書(添付の特許請求の範囲、要約書及び図面を含む)に開示される特徴の、任意の新規なもの、又は任意の新規な組合せに及び、あるいは、そのように開示された任意の方法又はプロセスの工程の、任意の新規なもの、又は任意の新規な組合せに及ぶ。 Features, integers, properties, compounds, chemical parts or groups described in connection with a particular aspect, embodiment or embodiment of the invention are other described herein unless incompatible with them. It is understood that it is applicable to aspects, embodiments or examples. All features disclosed herein, including the appended claims, abstracts and drawings, and / or all steps of such disclosed methods or processes are such features and /. Alternatively, any combination can be combined, except for combinations in which at least some of the steps are mutually exclusive. The present invention is not limited to the details of the embodiments described above. The present invention spans or discloses any novel or any novel combination of features disclosed herein, including the appended claims, abstracts and drawings. It extends to any novel or any novel combination of steps of any method or process made.
読み手の関心は、この出願と関連して本明細書と同時に又は前に提出され、且つ本明細書で公衆の閲覧に供される、全ての論文及び文書に向けられており、そのような全ての論文及び文書の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。 The reader's interest is directed to all treatises and documents submitted at the same time as or prior to this specification in connection with this application and made publicly available herein, all such. The contents of these treatises and documents are incorporated herein by reference.
<定義>
本明細書で使用される「C−NT」という用語は、カーボンナノチューブを指す。カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブ(MWCNT)、例えばMWCNTであってもよい。C−NTは酸化されていてもよく、例えば、C−NTは酸化されたMWCNTであってもよい。C−NTは、本開示の電極の支持材料のための適切な基板材料を表す。
<Definition>
As used herein, the term "C-NT" refers to carbon nanotubes. The carbon nanotubes may be single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), for example, MWCNTs. C-NT may be oxidized, for example, C-NT may be oxidized MWCNT. C-NT represents a suitable substrate material for the electrode support material of the present disclosure.
本明細書で使用される「露出した表面」という用語は、気体又は溶液と相互作用するために利用可能な固体又は同様の材料の表面を指す。例えば、本開示の電極において、露出した表面は、酸化還元反応の反応物と相互作用することができる表面を有する電極の部分を表す。これは、反応物質がアクセス可能な孔を含むことができる。 As used herein, the term "exposed surface" refers to the surface of a solid or similar material that can be used to interact with a gas or solution. For example, in the electrodes of the present disclosure, the exposed surface represents a portion of the electrode having a surface capable of interacting with a redox reaction reactant. It can include pores accessible to the reactants.
本明細書で使用される用語「g−C」は、グラフェンシートを指す。グラフェンシートは、酸化グラフェンの形態であってもよい。g−Cは、本開示の電極の支持材料のための適切な基板材料を表す。 As used herein, the term "g-C" refers to a graphene sheet. The graphene sheet may be in the form of graphene oxide. g—C represents a suitable substrate material for the electrode support material of the present disclosure.
本明細書で使用する「HMT」という用語は、化合物ヘキサメチレンテトラミンを意味する。 As used herein, the term "HMT" means the compound hexamethylenetetramine.
以下の用語は、本明細書において電子顕微鏡法に関して使用される:「高角度環状暗視野走査電子顕微鏡システム(HAADF−STEM)」、「STEMエネルギー分散X線分光法」(STEM−EDS)マッピング分析システム。 The following terms are used herein with respect to electron microscopy: "High Angle Annular Dark Field Scanning Electron Microscopy System (HAADF-STEM)", "STEM Energy Dispersive X-ray Spectroscopy" (STEM-EDS) Mapping Analysis. system.
本明細書で使用される「ミラー指数」という用語は、結晶格子内の面を定義するために使用される表記法の標準的なシステムを指す。結晶形の等価面のミラー指数は、{hkl}面によって表される。例示的なミラー指数は、{110}、{001}、{111}及び{112}面を含む。結晶が、異なるミラー指数{h1k1l1}平面及び{h2k2l2}平面を有する面の間の界面又は境界を含む表面特徴を含む場合、この界面平面は、以下のように、スラッシュ「/」を用いて、以下のように、{h1k1l1}/{h2k2l2}と示してもよい。例示的な界面平面(界面とも呼ばれる)は、{111}/{112}、{112}/{111}、{110}/{001}及び{001}/{100}を含む。 As used herein, the term "Miller index" refers to a standard system of notation used to define planes within a crystal lattice. The Miller index of the equivalent plane of the crystal form is represented by the {hkl} plane. An exemplary Miller index includes {110}, {001}, {111} and {112} planes. If the crystal contains surface features that include interfaces or boundaries between planes with different Miller index {h 1 k 1 l 1 } planes and {h 2 k 2 l 2} planes, the interface planes are as follows: , {H 1 k 1 l 1 } / {h 2 k 2 l 2 } may be indicated by using the slash “/” as follows. An exemplary interface plane (also called an interface) includes {111} / {112}, {112} / {111}, {110} / {001} and {001} / {100}.
本明細書で使用される用語「PNi」は、多孔質発泡ニッケルを指す。PNiは、典型的には、3次元材料、3D−PNiとして示される。PNi(及び3D−PNi)は、本開示の電極の支持材料のための適切な基板を表す。 As used herein, the term "PNi" refers to porous nickel foam. PNi is typically represented as a three-dimensional material, 3D-PNi. PNi (and 3D-PNi) represents a suitable substrate for the electrode support material of the present disclosure.
本明細書で使用されるトウモロコシ結節ペレット(CP又はCPs)、バナナクラスター(BC又はBCs)、薄シート(LS又はLSs)及び複数のカンチレバーシート(MCS又はMCSs)という用語は、金属酸化物触媒の表面形態又は形態学的構造を指す。CPsは、CP−NRと呼ばれるナノロッド(NR)ドメインにおいて配向していてもよい。BCsは、BC−NRと呼ばれるNRドメインにおいて配向していてもよい。表面形態又は形態学的構造は、支持体又はその下の基板から垂直方向に配向した表面形態を有してもよい。CP(例えばCP−NR)、BC(例えばBC−NR)、LS又はMCS表面形態は、メソ結晶形態であってもよい。 As used herein, the terms corn nodule pellets (CP or CPs), banana clusters (BC or BCs), thin sheets (LS or LSs) and multiple cantilever sheets (MCS or MCSs) are for metal oxide catalysts. Refers to surface morphology or morphological structure. CPs may be oriented in the nanorod (NR) domain called CP-NR. BCs may be oriented in the NR domain called BC-NR. The surface morphology or morphological structure may have a surface morphology oriented vertically from the support or the substrate below it. The CP (eg CP-NR), BC (eg BC-NR), LS or MCS surface morphology may be mesocrystalline morphology.
「メソ結晶」という用語は、原子スケールで定義された長距離秩序を有するナノ構造材料を指す。これは、例えば、本質的に鋭い広角回折パターン(鋭いブラッグピークを有する)の存在と、材料が個々のナノ粒子構築ブロックからなるという明確な証拠(例えば、電子顕微鏡による)とから、推測することができる。メソ結晶は、高い多孔性を有し、高い表面積を提供し得る。メソ結晶は、類似のナノ粒子材料のより安定した類似体を表し得る。この高い表面積及び/又はより良好な安定性は、メソ結晶又はメソ結晶構造が電極の触媒部分を形成するために使用される場合、有利な触媒特性を提供し得る(例えば、燃料電池に用いられる電極用)。例えば、メソ結晶構造の高い表面積は、比較的大きな電流及び/又はより低い抵抗を有する反応領域を提供し得る。例えば、メソ結晶構造によってもたらされるより良好な安定性は、より長い電極寿命につながる可能性がある。 The term "mesocrystal" refers to nanostructured materials with long-range order defined on the atomic scale. This can be inferred, for example, from the presence of an essentially sharp wide-angle diffraction pattern (with sharp Bragg peaks) and clear evidence that the material consists of individual nanoparticle building blocks (eg, by electron microscopy). Can be done. Mesocrystals have high porosity and can provide a high surface area. Mesocrystals may represent more stable analogs of similar nanoparticle materials. This high surface area and / or better stability can provide advantageous catalytic properties when mesocrystals or mesocrystal structures are used to form the catalytic portion of the electrode (eg, used in fuel cells). For electrodes). For example, the high surface area of the mesocrystal structure can provide a reaction region with relatively high current and / or lower resistance. For example, the better stability provided by the mesocrystal structure can lead to longer electrode life.
<触媒的メソ結晶構造及び電極>
本発明の電極は、Co3O4メソ結晶を含むことができる。
<Catalyst mesocrystal structure and electrodes>
The electrodes of the present invention can include Co 3 O 4 mesocrystals.
高エネルギー表面と、低屈折率及び高屈折率の単一平面並びに界面平面に関連する露出されたファセットの密度とに関して、Co3O4メソ結晶の表面依存特性を評価することは、エタノール電解酸化におけるそれらの使用を考慮する場合に重要である。導電性基板の長手方向軸に沿った多成分複合体を含む均一なナノ構造の、スケーラブルで低コストの直接成長は、改善された導電性、より良好な構造安定性及び柔軟性、優れた電子収集効率、並びに電気活性部位の豊富さの点で、現在使用されている電極より有利な相乗的特性及び競合的利点を提供し得る。 To assess the surface-dependent properties of Co 3 O 4 mesocrystals with respect to high-energy surfaces and the density of exposed facets associated with low- and high-refractive-index single planes and interface planes is ethanol electrolytic oxidation. It is important when considering their use in. The scalable and low-cost direct growth of uniform nanostructures containing multi-component complexes along the longitudinal axis of the conductive substrate provides improved conductivity, better structural stability and flexibility, excellent electrons. It may provide synergistic and competitive advantages over currently used electrodes in terms of collection efficiency and abundance of electrically active sites.
本発明の一実施形態は、本発明の電極を作製する方法を提供する。 One embodiment of the present invention provides a method of making the electrodes of the present invention.
本発明の目的は、以下の構造的特徴を有するCo3O4メソ結晶を提供することである:(1)Co3O4 CP−NRs及びCo3O4 BC−NRsの緻密な凝集及び構成要素の付着であって、長手方向軸に沿って中心の焦点の周りに密集したCP−NRs又はBC−NRsの軸バンドを有し、これにより、巨大な竹の木に似た構造を含むナノフォレストが形成される;(2)その竹の中のCP−NRsとBC−NRsのサイズは、中心の焦点からの距離が増加するにつれて減少し、c軸に沿って弓状になり、これにより、c軸に沿って内部に走るナノスケールの窓を備えた、鋭く尖った凸状の針状のNR構造を形成する。この有力な針状の端部上面は、触媒反応中にトリガーパルス電子の拡散を最大にすることによって、迅速な電子輸送を可能にした。 An object of the present invention is to provide Co 3 O 4 mesocrystals having the following structural features: (1) Dense aggregation and composition of Co 3 O 4 CP-NRs and Co 3 O 4 BC-NRs. An attachment of elements that has a dense CP-NRs or BC-NRs axis band along the longitudinal axis around the central focal point, thereby containing a giant bamboo tree-like structure in the nano. A forest is formed; (2) the size of CP-NRs and BC-NRs in the bamboo decreases as the distance from the central focal point increases and becomes arched along the c-axis. , Forming a sharp, pointed, convex, needle-like NR structure with nanoscale windows running inward along the c-axis. This influential needle-shaped end top surface allowed rapid electron transport by maximizing the diffusion of trigger pulsed electrons during the catalytic reaction.
図1及び図2は、新規な形態学的構造を有する自己支持型電極を合成するための本出願人の単純なワンポット水熱法を示す。電極の全体的な構造は、[炭素支持体/Co3O4又は酸化コバルト(II)(CoO)/基板]であった。ここで、炭素支持体は、機能化された多層カーボンナノチューブ(C−NTs)又はグラフェンシート(gC)のいずれかであり、基板は3D多孔質Ni発泡体(3D−PNi)であった。提案された方法の技術的利点は、そのシンプルさ、スケーラビリティ、及び低コスト動作である。さらに、提案された方法は、ナノロッド(NR)ドメインにおいて配向したトウモロコシ結節ペレット(CPs)若しくはバナナクラスター(BCs)、薄シート(LSs)、又は複数のカンチレバーシート(MCSs)の形態で、基板から垂直方向に配向した表面形態を有する長手方向平面に沿ったCo3O4又はCoOメソ結晶構造の合成を可能にする(図3〜図6)。 1 and 2 show Applicant's simple one-pot hydrothermal method for synthesizing self-supporting electrodes with novel morphological structures. The overall structure of the electrode was [carbon support / Co 3 O 4 or cobalt oxide (II) (CoO) / substrate]. Here, the carbon support was either a functionalized multi-walled carbon nanotube (C-NTs) or a graphene sheet (gC), and the substrate was a 3D porous Ni foam (3D-PNi). The technical advantages of the proposed method are its simplicity, scalability, and low cost operation. In addition, the proposed method is vertical from the substrate in the form of corn nodule pellets (CPs) or banana clusters (BCs), thin sheets (LSs), or multiple cantilever sheets (MCSs) oriented in the nanorod (NR) domain. It allows the synthesis of Co 3 O 4 or CoO mesocrystal structures along a longitudinal plane with a directionally oriented surface morphology (FIGS. 3-6).
CP−NR、BC−NR、LS、又はMCSの形態を有するCo3O4メソ結晶は、内部によく分散され、3D−PNi支持体から垂直方向に配向した。単分散粒子をc軸の機能的コアに付着させ、その上に新規でスマートなCP、BC、LS、及びMCSの中間結晶形態を形成した。電界放射型走査電子顕微鏡法は、開示された方法が、図3〜図6に示すように、以下の重要な構造的特徴を有するメソ結晶形態を与えることを明らかにした。
(1)Co3O4 CP−NRs及びCo3O4 BC−NRsの緻密な凝集及び構成要素の付着であって、長手方向軸に沿って中心の焦点の周りに密集したCP−NRs又はBC−NRsの軸バンドを有し、これにより、巨大な竹の木に似た構造を含むナノフォレストが形成される。
(2)その「竹」の中のCP−NRsとBC−NRsのサイズは、中心の焦点からの距離が増加するにつれて減少し、c軸に沿って弓状になり、これにより、c軸に沿って内部に走るナノスケールの窓を備えた、鋭く尖った凸状の針状のNR構造を形成する。この有力な針状の端部上面は、触媒反応中にトリガーパルス電子の拡散を最大にすることによって、迅速な電子輸送を可能にした。
(3)N2等温プロファイリング(図7参照)によって示されるように、触媒合成中の界面活性剤ヘキサメチレンテトラミンの添加は、LSs及びMCSsの高密度の垂直薄層集合体の形成を促進し、それらは、スペーサーのミクロ、メソ及びマクロ小球の細孔によって境界を定められた末端の非積層層を有する。したがって、LSs及びMCSsの垂直軸に沿った成長は、長手方向軸に沿った方向成長から生じた。
(4)炭素支持体としてg−Cを使用することにより、LSsを規則的な間隔(100nm)で離散的に積み重ねるか、全く積み重ねないようにした。長手方向軸に沿ったこの多層LS構造は、逆オパール多層を有する複合MCS構造のものと比較して、観察された効率的な触媒活性の原因となる可能性がある。
(5)C−NTs、塩化コバルト(II)(CoCl2)、及びヘキサメチレンテトラミンの使用は、反対方向に走る平坦な二重螺旋バンドの優先的な軸配置と、C−NTドメインの長手方向軸に沿った複数のカンチレバーシートの作製とをもたらした。各々の個々の平坦化されたシートは、各エッジに沿って2つの凹形状の方向の湾曲において動的な柔軟性を示した(図5及び図6)。
Co 3 O 4 mesocrystals in the form of CP-NR, BC-NR, LS, or MCS were well dispersed internally and oriented vertically from the 3D-PNi support. Monodisperse particles were attached to a c-axis functional core on which new and smart CP, BC, LS, and MCS intermediate crystal morphologies were formed. Field emission scanning electron microscopy has revealed that the disclosed method provides mesocrystalline morphology with the following important structural features, as shown in FIGS. 3-6.
(1) Dense aggregation of Co 3 O 4 CP-NRs and Co 3 O 4 BC-NRs and adhesion of components, CP-NRs or BCs densely packed around the central focal point along the longitudinal axis. It has a shaft band of −NRs, which forms a nanoforest containing a structure resembling a giant bamboo tree.
(2) The sizes of CP-NRs and BC-NRs in the "bamboo" decrease as the distance from the central focal point increases and become arched along the c-axis, thereby becoming the c-axis. It forms a sharp, pointed, convex, needle-like NR structure with nanoscale windows running along it. This influential needle-shaped end top surface allowed rapid electron transport by maximizing the diffusion of trigger pulsed electrons during the catalytic reaction.
(3) as indicated by the N 2 isothermal profiling (see FIG. 7), the addition of a surfactant hexamethylenetetramine in the catalyst synthesis, facilitate the formation of a dense vertical thin layer assembly of LSs and MCSs, They have terminal non-laminated layers bounded by the micro, meso and macroscopic pores of the spacers. Therefore, the growth along the vertical axis of LSs and MCSs resulted from the directional growth along the longitudinal axis.
(4) By using g—C as the carbon support, LSs were discretely stacked at regular intervals (100 nm) or not stacked at all. This multi-layer LS structure along the longitudinal axis can contribute to the observed efficient catalytic activity as compared to that of a composite MCS structure with an inverse opal multi-layer.
(5) The use of C-NTs, cobalt (II) chloride (CoCl 2 ), and hexamethylenetetramine favors the axial arrangement of flat double helix bands running in opposite directions and the longitudinal direction of the C-NT domain. It resulted in the fabrication of multiple cantilever sheets along the axis. Each individual flattened sheet exhibited dynamic flexibility in directional curvature in two concave directions along each edge (FIGS. 5 and 6).
長手方向平面に沿ったCP−NR、BC−NR、LS又はMCSメソ結晶構造の垂直配向は、エタノール酸化反応に関して興味深いトピックである。これらの構造形態の構成単位の内部同心配置及び配向を調べるために、集束イオンビームミリング装置を用いて、試料を長手方向軸に平行に100nmの厚さにエッチングする実験を行った(図8A〜図8B)。薄い試料を作製するための集束イオンビームシステムを、高角度環状暗視野(HAADF)−走査/透過電子顕微鏡システム(STEM)(図8及び図9)とSTEMエネルギー分散型X線分光法(EDS)マッピング分析システム(図8C)とに統合した。 The vertical orientation of CP-NR, BC-NR, LS or MCS mesocrystal structures along the longitudinal plane is an interesting topic for ethanol oxidation reactions. In order to investigate the internal concentric arrangement and orientation of the structural units of these structural forms, an experiment was conducted in which a sample was etched to a thickness of 100 nm parallel to the longitudinal axis using a focused ion beam milling device (FIGS. 8A to 8A). FIG. 8B). Focused ion beam systems for making thin samples include High Angle Annular Dark Field (HAADF) -Scanning / Transmission Electron Microscopy System (STEM) (FIGS. 8 and 9) and STEM Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). It was integrated with the mapping analysis system (Fig. 8C).
図8B−a〜図8B−dは、100nmの深さ及びNRsの長手方向軸に沿った異なる位置におけるCo3O4 CP形態の内部構造を示す。これらのトウモロコシ結節表面上に突出したペレットの具体的な配置及び表面不均一性は、多数の配向した小さな結節によって覆われたC−NTの頂点に容易に位置する。ナノフォレストの内部原子配列もまた、長手方向によく分散していた(STEM−EDSマッピング、図8C)。Co3O4 NR表面におけるCPsは、リブ付けされ、長手方向軸の溝(NRメソ結晶突起の主方向に平行に整列している)に垂直に構成され、電子の拡散及び輸送のための管及び窓空間を作り出した(すなわち、上向き及び下向きの動き;図8及び図9参照)。 8B-a-8B-d show the internal structure of the Co 3 O 4 CP form at a depth of 100 nm and at different positions along the longitudinal axis of the NRs. The specific placement and surface heterogeneity of the pellets protruding on the surface of these maize nodules is readily located at the apex of the C-NT covered by a large number of oriented small nodules. The internal atomic arrangement of the nanoforest was also well dispersed in the longitudinal direction (STEM-EDS mapping, FIG. 8C). CPs on the Co 3 O 4 NR surface are ribbed and configured perpendicular to the grooves on the longitudinal axis (aligned parallel to the main direction of the NR mesocrystalline process) and are tubes for electron diffusion and transport. And created window space (ie, upward and downward movements; see FIGS. 8 and 9).
HAADF−STEM顕微鏡検査により、NRsの長手方向軸に沿った形態(すなわち、C/Co3O4 CPs及びC/Co3O4 BCs)並びにナノシートの長手方向軸に沿った形態(すなわち、C/Co3O4 MCSs及びg−C/Co3O4 LSs)が明らかになった(図3A)。個々のCPドメインは、よく分布した原子表面活性部位を有する顕著な左右対称異形を示した(図10A−a)。50nm粒子の高分解能HAADF−STEM顕微鏡検査により、50ファセット多面体のメソ結晶モデルの提案が明らかになった(図10A−a、挿入図)。50ファセットのCo3O4 CPsは、他のうまく定義されていない多面体のメソ結晶と同様に、主に低屈折率の{100}面及び{111}面に沿って、いくつかの高屈折率の{112}面及び他の不良なファセットにも沿って、成長した。24個の露出した高屈折率の{112}面が、50ファセットの多面体の各{100}面及び{111}面の周りに、軸方向に成長していた。高い表面エネルギーを有する高屈折率平面の数、及びNR形態内で長手方向に配向した多面体CPsの数を増加させることは、エタノール酸化のための電極の性能を改善するために重要である。 HAADF-STEM microscopy revealed morphology along the longitudinal axis of NRs (ie, C / Co 3 O 4 CPs and C / Co 3 O 4 BCs) and morphology along the longitudinal axis of nanosheets (ie, C / Co 3 O 4 MCSs and g-C / Co 3 O 4 LSs) have been clarified (Fig. 3A). The individual CP domains showed prominent symmetrical variants with well-distributed atomic surface active sites (Fig. 10A-a). High-resolution HAADF-STEM microscopy of 50 nm particles revealed a proposal for a mesocrystal model of 50 faceted polyhedra (Fig. 10A-a, inset). The 50 faceted Co 3 O 4 CPs, like other poorly defined polyhedral mesocrystals, have several high indices, mainly along the low index {100} and {111} planes. It grew along the {112} plane and other bad facets of. Twenty-four exposed high-refractive index {112} planes grew axially around each of the {100} and {111} planes of the 50 faceted polyhedron. Increasing the number of high index planes with high surface energy and the number of longitudinally oriented polyhedron CPs within the NR form is important for improving the performance of the electrodes for ethanol oxidation.
Co3O4 MCSsの側面図HAADF−STEM顕微鏡検査により、再組み立て中に平らにされ、長手方向軸に対して垂直に整列した細孔を含む粗い表面を有する薄シートが明らかになった(図10A−b、c)。Co3O4 LSsの上面のHAADF−STEM顕微鏡検査により、一連の積層されていない良好な配向の垂直薄シートが明らかになった。薄シートのナノスケール(40〜60nm)のエッジ部は、長手方向軸に沿って横方向に位置した(図10A−d,e)。Co3O4 BCsのHAADF−STEM顕微鏡検査により、それらが、1次元NR及び制御境界層表面上に、トンネル線のナノパターン、高密度粒子、及び滑らかな表面として、構築された構造を有する実際のバナナクラスターの視覚的構造を表すことが明らかになった(図10A〜f、g)。 Side view of Co 3 O 4 MCSs HAADF-STEM microscopy revealed a thin sheet that was flattened during reassembly and had a rough surface with pores aligned perpendicular to the longitudinal axis (Figure). 10A-b, c). HAADF-STEM microscopic examination of the top surface of Co 3 O 4 LSs revealed a series of unlaminated, well-aligned vertical thin sheets. The nanoscale (40-60 nm) edges of the thin sheet were located laterally along the longitudinal axis (FIGS. 10A-d, e). In fact , by HAADF-STEM microscopy of Co 3 O 4 BCs, they have a structure constructed as a nanopattern of tunnel lines, dense particles, and a smooth surface on the surface of the one-dimensional NR and control boundary layer. It was revealed that it represents the visual structure of the banana clusters in (Fig. 10A-f, g).
{111}/{112}面(図10B−a、b)並びに有力な{112}面(図10B−c)、{111}面(図10B−a,d)、{112}面(図10B−e)、{110}/{001}面(図10B−f)、及び{001}面(図10B−f、g)に沿って取られた高分解能HAADF−STEM顕微鏡写真(図10B)と対応するEDSパターン(図10B、挿入図)とが、Co3O4 CPs、LSs、MCSs、BCsの単結晶の構造をさらに明らかにした。CP−NR、BC−NR、LS、又はMCSの形態を有するCo(OH)x(CO3)0.5・0.11H2Oの調製試料のメソ結晶の成長により、主に、{001}面に沿って露出した長手方向に整列したファセットを生じた。CP−NRs、BC−NRs、MCSs、及びLSsの高温処理は、構造内の原子配置及び再核形成に強く影響する可能性があり、それは、有力な{001}ファセットの周囲の原子の持続的緩和を可能にして、高い表面エネルギー{112}と、CPs、MCSs、及びLSsの{111}/{112}面(図10B−a〜e)と、BCsの{110}/{001}面(図10B−f、g)とを生成し得る。 {111} / {112} planes (FIGS. 10B-a, b) and influential {112} planes (FIG. 10B-c), {111} planes (FIGS. 10B-a, d), {112} planes (FIG. 10B). -E), with high-resolution HAADF-STEM micrographs (FIG. 10B) taken along the {110} / {001} planes (FIG. 10B-f) and {001} planes (FIG. 10B-f, g). Corresponding EDS patterns (FIG. 10B, inset) further revealed the structure of single crystals of Co 3 O 4 CPs, LSs, MCSs, BCs. Preparation of Co (OH) x (CO 3 ) 0.5 / 0.11H 2 O in the form of CP-NR, BC-NR, LS, or MCS Due to the growth of mesocrystals in the sample, mainly {001} Produced longitudinally aligned facets exposed along the surface. High temperature treatment of CP-NRs, BC-NRs, MCSs, and LSs can have a strong effect on atomic configuration and renuucleation in the structure, which is the persistence of atoms around the predominant {001} facets. Allowing relaxation, high surface energy {112}, {111} / {112} planes of CPs, MCSs, and LSs (FIGS. 10B-a-e) and {110} / {001} planes of BCs (FIGS. 10B-a-e). FIG. 10B-f, g) and can be produced.
処理中の{001}方向に沿った結晶面の軸方向の変化は、Co3O4 CPsの{112}面と{111}面との間に顕著な{111}/{112}界面平面の形成をもたらした。ナノシートのリッジ上の多段階テラストポグラフィによって、Co3O4 LSs及びMCSs上に{111}/{112}界面平面が形成された。次に、BCsの緻密な構造が、緊密に結合され密に詰まった基底のエッジ(すなわち、隣接する境界線)を有する平滑で平らな薄層表面上に生成された(図11)。10nmの深さで多数のリッジ及び空洞をそのエッジに沿って有するヘッジソーアイランド(hedge−saw islands)を形成する多段テラストポグラフィを有する突出面もまた観察された(図10B〜f、g)。このような界面トポグラフィーは、結晶表面の空孔にCo3+原子が拡散するための開放表面を作り出すことができる。結果として、{111}面、{112}面、及び{001}面に沿って整列した主トポグラフィックファセットアイランドに関連するCo3+に富んだ{111}/{112}界面表面及び{110}/{001})界面平面を形成し得る。その後、連続的な電子流が、ナノフォレストの長手方向軸に平行に生成され得る。 Axial changes in the crystal planes along the {001} direction during processing are significant between the {112} and {111} planes of the Co 3 O 4 CPs on the {111} / {112} interface plane. Brought about formation. Multi-step terrace topography on the ridges of the nanosheets formed {111} / {112} interface planes on the Co 3 O 4 LSs and MCSs. The dense structure of BCs was then generated on a smooth, flat, lamellar surface with tightly coupled and tightly packed basal edges (ie, adjacent boundaries) (FIG. 11). Protruding surfaces with multi-stage terrace topography forming hedge-saw islands with numerous ridges and cavities along their edges at a depth of 10 nm were also observed (FIGS. 10B-f, g). Such interfacial topography can create an open surface for the diffusion of Co 3+ atoms into the pores of the crystal surface. As a result, the Co 3+ -rich {111} / {112} interface surfaces and {110} / associated with the main topographic facet islands aligned along the {111}, {112}, and {001} planes. {001}) An interface plane can be formed. A continuous electron stream can then be generated parallel to the longitudinal axis of the nanoforest.
本明細書に記載の触媒電気化学的アッセイを用いて、本出願人は、エタノール電解酸化に対する以下のパラメータの影響を調べた:(i)不均一Co2+/Co3+部位原子の配置及び配向、(ii)ナノフォレスト形態のタイプ(CP−NR、BC−NR、LS、又はMCS)、(iii)露出した高屈折率の{112}面を有するメソ結晶配向、(iv)内部原子スケール{111}/{112}界面平面ブロックの露出の程度、(v)高い表面エネルギー及び高密度のCo3+部位表面を達成するための長手方向軸に沿った成長、(vi)多重拡散性気孔相の存在、(vii)導電性支持体(C−NT又はg−C)と基板(4D−PNi又はガラス炭素、GC)の組合せから生じる電極ナノパターン設計(図12〜図20)。 Using the catalytic electrochemical assay described herein, Applicants investigated the effect of the following parameters on ethanol electrolytic oxidation: (i) heterogeneous Co 2+ / Co 3+ site atom arrangement and orientation, (Ii) type of nanoforest form (CP-NR, BC-NR, LS, or MCS), (iii) mesocrystalline orientation with exposed high refractive electrode {112} planes, (iv) internal atomic scale {111 } / {112} Degree of exposure of interfacial block, (v) growth along longitudinal axis to achieve high surface energy and high density Co 3+ site surface, (vi) presence of multidiffusive pore phase , (Vii) Electrode nanopattern design resulting from a combination of a conductive support (C-NT or g-C) and a substrate (4D-PNi or glass carbon, GC) (FIGS. 12-20).
エタノール電解酸化反応において、C−NT又はg−C/Co3O4又はCoO/3D−PNi又はガラス状炭素構造を有する電極を、アノード電極として使用した(図12)。非アルコールアッセイにおいて、全ての電極は、Co3O4と水酸化コバルト(CoOOH)との間の可逆反応から生成し(ピークI及びIV)、及びCoOOHとCoO2との間の可逆反応から生成した(ピークIII及び/II)、2組のレドックス対を示した(図12A)。 In the ethanol electrolytic oxidation reaction, an electrode having a C-NT or g-C / Co 3 O 4 or CoO / 3D-PNi or a glassy carbon structure was used as an anode electrode (FIG. 12). In non-alcoholic assay, generated from a reversible reaction between all of the electrodes are produced from a reversible reaction between Co 3 O 4 and cobalt hydroxide (CoOOH) (peak I and IV), and the CoOOH and CoO 2 (Peak III and / II), two pairs of redox pairs were shown (Fig. 12A).
エタノール電気化学アッセイでは、いずれの電極でもアノードのピークは観察されず、酸素の発生がエタノールの酸化と重複し、酸素が0.6〜0.9Vの非常に正の電位で発生したことが示された(図12B)。逆スキャンでは、0.3〜0.5Vのカソードのピークが観察された。これは、逆スキャンでは完全には酸化されない炭素質種(一酸化炭素、二酸化炭素、メタン酸、ヒドロキシメチレン、メチルメタノラートなど)の除去と、電極上の未知の化学種の化学吸着に主に関連していた(図12B)。 In the ethanol electrochemical assay, no anode peak was observed at any of the electrodes, indicating that oxygen generation overlapped with ethanol oxidation and oxygen was generated at a very positive potential of 0.6-0.9 V. (Fig. 12B). In the reverse scan, a cathode peak of 0.3-0.5 V was observed. This is primarily for the removal of carbonaceous species that are not completely oxidized by reverse scanning (carbon monoxide, carbon dioxide, mechanic acid, hydroxymethylene, methylmethanolate, etc.) and the chemical adsorption of unknown species on the electrodes. It was related (Fig. 12B).
アッセイに用いられる各電極は、エタノール分子の吸収及び電子輸送を促進し、高い活性種Co(IV)を形成する電気活性メディエーターCoOOH層を形成するために提案されている。図12Bに示すように、0.9Vでの電流密度の増加は、C−NT/Co3O4 CPs>g−C/Co3O4 LSs>C−NT/Co3O4 MCSs>C−NT/Co3O4 BCs>C−NT/CoO CPsの順に従う。電流密度は、エタノールの添加により顕著に増加し、電極がエタノールの電解酸化を触媒することを示した(図12A、B及び図15A、B)。さらに、露出した高屈折率面及び低屈折率面において触媒的に活性な四面体のCo2+部位び八面体のCo3+部位をを有するCo3O4メソ結晶は、触媒的に活性なCo2+部位のみを有するCoOメソ結晶よりも、高い触媒的エタノール電解酸化活性を示した。いずれの理論にも縛られることなく、Co2+部位及びCo3+部位の両方を含む表面は、Co2+部位のみを有する表面よりも高い触媒活性を有すると考えられている。 Each electrode used in the assay has been proposed to promote absorption and electron transport of ethanol molecules to form an electrically active mediator CoOOH layer that forms the highly active species Co (IV). As shown in FIG. 12B, the increase in current density at 0.9V is C-NT / Co 3 O 4 CPs> g-C / Co 3 O 4 LSs> C-NT / Co 3 O 4 MCSs> C- Follow the order of NT / Co 3 O 4 BCs> C-NT / CoO CPs. The current density increased significantly with the addition of ethanol, indicating that the electrodes catalyzed the electrolytic oxidation of ethanol (FIGS. 12A, B and 15A, B). Further, a Co 3 O 4 mesocrystal having a tetrahedral Co 2+ site and an octahedral Co 3+ site that are catalytically active on the exposed high and low index planes is a catalytically active Co 2+. It showed higher catalytic ethanol electrolytic oxidation activity than CoO mesocrystals with only moieties. Without being bound by any theory, surfaces containing both Co 2+ and Co 3+ sites are believed to have higher catalytic activity than surfaces having only Co 2+ sites.
3D−PNi上に長手方向軸に沿ってC−NT又はg−C/Co3O4触媒を直接成長させることによって付与される優れた電気化学的活性をさらに説明するために、C−NT又はg−C/Co3O44/GC電極と、比較のために市販のPt/C電極とを用いて、エタノール電解酸化反応を行った(図15C、D)。市販のPt/C電極と、CP形態を有するC−NT又はg−C/Co3O4/GC電極の性能と比較すると、いずれの形態を有するC−NT又はg−C/Co3O4/3D−PNi又はGC電極の性能も、電流密度及び電極安定性の点で、市販のPt/C電極に匹敵するか、おそらくそれよりもさらに良好であった(図12C、D及び図15C、D)。 To further illustrate the superior electrochemical activity imparted by growing the C-NT or g-C / Co 3 O 4 catalyst directly on the 3D-PNi along the longitudinal axis, the C-NT or An ethanol electrolytic oxidation reaction was carried out using a g-C / Co 3 O 4 4 / GC electrode and a commercially available Pt / C electrode for comparison (FIGS. 15C and D). And commercial Pt / C electrode, C-NT or when compared with g-C / Co 3 O 4 / GC electrode performance, C-NT or g-C / Co 3 O 4 having any form having CP form The performance of the / 3D-PNi or GC electrodes was also comparable to, or perhaps even better than, that of commercially available Pt / C electrodes in terms of current density and electrode stability (FIGS. 12C, D and 15C, D).
開発した電極の電流密度及び安定性を評価するために、電流と時間の関係を、炭素/Co3O4又はCoO/3D−PNi及びPt/C電極を用いて、0.5Mのエタノール中で18,000秒間のクロノアンペロメトリー試験によって評価した(図12C)。C−NT又はg−C/Co3O4/3D−PNi電極の電流のわずかな減衰は、C−NT/CoO/3D−PNi及びPt/C電極と比較して優れた電流安定性及び中毒耐性を示した(図4C、D及び図15C、D)。評価時間の終了時(すなわち、t=18,000秒)の相対電流%は、C−NT/Co3O4 CP>g−C/Co3O4 LS>C−NT/Co3O4 MCS>C−NT/Co3O4 BC>C−NT/CoO CP>Pt/Cの順で減少した。これは、は電極の反応速度(触媒速度定数)及び拡散係数の変化と一致する(表1)。C−NT又はg−C/Co3O4電極が、C−NT又はg−C/CoO電極及びPt/C電極よりも優れた触媒活性を有することから、長手方向のc軸に沿った異方性C−NT又はg−C/Co3O4形態を操作することにより、改善された触媒構造的特徴の創出が可能になり得ることが示唆された。調べた他の電極と比較して、C−NT又はg−C/Co3O4の高屈折率の露出した表面及び界面は、上流の渦流と多重拡散窓を介して、酸素化された溝付き電極表面及びCo3+部位へのより効率的な電子移動を生成すると考えられる。 In order to evaluate the current density and stability of the developed electrode, the relationship between current and time was measured in 0.5 M ethanol using carbon / Co 3 O 4 or CoO / 3D-PNi and Pt / C electrodes. It was evaluated by a 18,000 second chronoamperometry test (Fig. 12C). Slight attenuation of the current in C-NT or g-C / Co 3 O 4 / 3D-PNi electrode, compared with excellent current stability and poisoning C-NT / CoO / 3D- PNi and Pt / C electrode It showed resistance (FIGS. 4C, D and 15C, D). The relative current% at the end of the evaluation time (that is, t = 18,000 seconds) is C-NT / Co 3 O 4 CP> g-C / Co 3 O 4 LS> C-NT / Co 3 O 4 MCS. > C-NT / Co 3 O 4 BC> C-NT / CoO CP> Pt / C. This is consistent with changes in the electrode reaction rate (catalytic rate constant) and diffusion coefficient (Table 1). Different C-NT or g-C / Co 3 O 4 electrodes, which from having C-NT or g-C / CoO electrode and Pt / C excellent catalytic activity than the electrode, along the longitudinal direction of the c-axis It was suggested that manipulation of the anisotropic C-NT or g-C / Co 3 O 4 morphology could allow the creation of improved catalytic structural features. Compared to the other electrodes examined, the exposed surfaces and interfaces of the high index of C-NT or g-C / Co 3 O 4 are oxygenated grooves through upstream vortices and multiple diffusion windows. It is believed to generate more efficient electron transfer to the attached electrode surface and the Co 3+ site.
DFTモデリングによって得られる露出したファセット及び界面表面の測定されたエネルギー。
Measured energy of exposed facets and interface surfaces obtained by DFT modeling.
直接エタノール燃料電池に使用される電極の長期安定性、効率、及びリサイクル性を最適化することは依然として課題である。開発した電極の耐久性をさらに評価するために、一連の実験的エタノール電解酸化反応を、C−NT/Co3O4 CP電極を用いて5000サイクルの連続電位サイクル下で実施した(図12E)。電極は、0.9V(≧5000サイクル)で複数の再使用サイクルを行った後、元の電流密度の約68.7%を保持し、最近報告された他の電極より優れている(表2)。特に、5000サイクル以上の後、本開示の再使用電極は、反応性の高い表面を保持し(図21)、電気化学的アッセイの新鮮な電解液中で電流密度の71.9%の保持を示した(図18)。この結果は、本開示の電極が、他の電極と比較して、デッドエンド作業性及びリサイクル性が著しく改善されたことを示唆する(表2参照)。 Optimizing the long-term stability, efficiency, and recyclability of electrodes used in direct ethanol fuel cells remains a challenge. In order to further evaluate the durability of the developed electrode, a series of experimental ethanol electrolytic oxidation reactions were carried out using C-NT / Co 3 O 4 CP electrodes under a continuous potential cycle of 5000 cycles (Fig. 12E). .. The electrode retains about 68.7% of the original current density after multiple reuse cycles at 0.9V (≧ 5000 cycles), which is superior to other recently reported electrodes (Table 2). ). In particular, after more than 5000 cycles, the reusable electrodes of the present disclosure retain a highly reactive surface (FIG. 21) and retain 71.9% of the current density in the fresh electrolyte of the electrochemical assay. It is shown (Fig. 18). This result suggests that the electrodes of the present disclosure have significantly improved dead-end workability and recyclability as compared with other electrodes (see Table 2).
C−NT/Co3O4 CPs/3D−PNi電極との比較として、種々の電極材料について、長期安定性評価後の元の値のパーセンテージとして保持された酸化電流。
Oxidation current retained as a percentage of the original value after long-term stability evaluation for various electrode materials as compared to C-NT / Co 3 O 4 CPs / 3D-PNi electrodes.
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本明細書には、異方性形態及び開発した電極内の電荷移動(すなわち、導電性)においてCo3+部位が豊富化された表面の数の定量的調査が含まれる。C−NT/Co3O4 CP、C−NT/Co3O4 BC、C−NT/Co3O4 MCS、gC/Co3O4 LS、及びC−NT/CoO CPの構造を有する電極を、電気化学インピーダンス分光法により評価した。評価には、0.5Mのエタノールを含有する0.5Mの水酸化ナトリウム中で、100kHz〜0.01Hzの周波数で5mVの振幅で、開放回路電位を使用した(図12F−a〜e)。全ての電極のインピーダンスナイキストプロットは、高周波数で半円形状を有しており、これは電極設計のRctを表す。さらに、それらは、低周波数で直線形状を有し、これは、CoO又はCo3O4の溶液抵抗(Rs)、電荷移動抵抗(Rct)及び酸化還元容量挙動(C)を表す(図12F-挿入図)。プロット内の半円の直径は、C−NT/Co3O4 CP<g−C/Co3O4 LS<C−NT/Co3O4 MCS<C−NT/Co3O4 BC<C−NT/CoO CPの順に増加した。 The present specification includes a quantitative study of the number of Co 3+ site-rich surfaces in anisotropic morphology and charge transfer (ie, conductivity) within the developed electrode. Electrodes with C-NT / Co 3 O 4 CP, C-NT / Co 3 O 4 BC, C-NT / Co 3 O 4 MCS, gC / Co 3 O 4 LS, and C-NT / CoO CP structures Was evaluated by electrochemical impedance spectroscopy. For evaluation, an open circuit potential was used in 0.5 M sodium hydroxide containing 0.5 M ethanol at a frequency of 100 kHz to 0.01 Hz with an amplitude of 5 mV (FIGS. 12F-a-e). Impedance of all electrodes Nyquist plots have a semicircular shape at high frequencies, which represents the Rct of the electrode design. Furthermore, they have a linear shape at low frequencies, this is a solution resistance of CoO or Co 3 O 4 (Rs), represents the charge transfer resistance (Rct) and redox capacitance behavior (C) (FIG. 12F- Inset). The diameter of the semicircle in the plot is C-NT / Co 3 O 4 CP <g-C / Co 3 O 4 LS <C-NT / Co 3 O 4 MCS <C-NT / Co 3 O 4 BC <C. It increased in the order of -NT / CoO CP.
重要なことに、階層ナノフォレスト構造は、長手方向の単一窓及び及びメソ円筒・オープン・細孔構造(CPs及びBCs)(図22A)、垂直層間空間及び界面(LSs及びMCSs(図22C)並びに触媒的に活性な表面及び露出部位(図22B)を介して、触媒形態に沿って、分子及び電子輸送の多重拡散相を生成すると考えられている。このような多重拡散相において、中間種の蓄積による「表面ブロッキング」は電極表面を「毒する(“poison”)」することがある。さらに、長手方向軸を横切る垂直溝は、内部及び外部の構造の変化に対応して、電子流を永久に再調整した(図22A)。したがって、触媒的に露出した部位を有する長手方向に配向した表面は、電子の動態及び拡散を改善する上で重要な役割を果たす可能性がある(図22B)。提案されたモデル(図22B)は、c軸に沿って交互に積層されたCo2+、Co3+、及びO2−原子からなる電極表面を考慮しており、それは{111}面と{111}/{112}面の被覆表面の上部領域で緻密になる。界面によって生成される平面(すなわち、{111}/{112})は、より熱力学的に安定で化学的に活性な結合部位を提供し、それにより、高屈折率の{112}面が吸着するよりも、豊富なO2−原子にエタノール分子を吸着することができる(図23及び表1)。さらに、電子移動における不連続なジャンプは、MCS二重らせん層のスタッキングポイントの湾曲で予想される(図22C)。複雑に接続されたMCSの湾曲での電子の移動は、垂直方向、連続、又は非積層のLS構造の外面への軸方向移動に関して、電子移動の自由度を制限する角運動伝達(すなわち、即時トルクブロック)を提供し得る。このことは、LS及びMCS系の電極の拡散係数値及び電流密度から明らかである(図24C)。 Importantly, hierarchical nanoforest structures include longitudinal single windows and mesocylindrical open pore structures (CPs and BCs) (FIG. 22A), vertical interlayer spaces and interfaces (LSs and MCSs (FIG. 22C)). It is also believed to generate multiple diffusion phases of molecular and electron transport along the catalytic form through catalytically active surfaces and exposed sites (FIG. 22B). In such multiple diffusion phases, intermediate species. "Surface blocking" due to the accumulation of "poison" can "poison" the electrode surface. In addition, vertical grooves across the longitudinal axis correspond to changes in internal and external structures, resulting in electron flow. Permanently readjusted (Fig. 22A). Therefore, a longitudinally oriented surface with catalytically exposed sites can play an important role in improving electron kinetics and diffusion (Fig. 22A). 22B). The proposed model (FIG. 22B) considers an electrode surface consisting of Co 2+ , Co 3+ , and O 2- atoms stacked alternately along the c-axis, which is the {111} plane. It becomes dense in the upper region of the coating surface of the {111} / {112} plane. The plane created by the interface (ie, {111} / {112}) is more thermodynamically stable and chemically active. It provides a binding site, which allows ethanol molecules to be adsorbed on abundant O2- atoms rather than adsorbing a high refractive index {112} plane (FIG. 23 and Table 1). Discontinuous jumps in are expected with the curvature of the stacking points of the MCS double spiral layer (Fig. 22C). The movement of electrons in the curvature of the intricately connected MCS is vertical, continuous, or non-stacked. With respect to the axial movement of the LS structure to the outer interface, it may provide angular motion transmission (ie, immediate torque block) that limits the degree of freedom of electron movement, which is the diffusion coefficient value and current of the electrodes of the LS and MCS systems. It is clear from the density (Fig. 24C).
エタノール電解酸化のために開発された電極の触媒効率は、電流密度、安定性、表面電子移動、及び分子拡散性の点で、電極触媒の構造特性によって実質的に影響を受けた。顕著な効果を有する要因には、長手方向軸に沿って配向した形態学的構造、フラクタル結合窓を有する多重拡散性の孔の存在、及びファセット依存表面部位の存在が含まれた(すなわち、高エネルギー露出ファセット、ナノスケールの構造に沿った高い電子密度、及び界面平面)。CP、BC、LS、及びMCSの形態を有する電極の触媒活性において、しっかりと結合され、メソ結晶全体に密接に配置された高屈折率界面平面の効果は明白であった。有力な{111}面、{112}面、{001}面、及び{110}面の原子配置と活性部位のモデルとそれらの界面平面を、密度汎関数理論を用いてシミュレートした(図24)。 The catalytic efficiency of the electrodes developed for ethanol electrolytic oxidation was substantially influenced by the structural properties of the electrode catalysts in terms of current density, stability, surface electron transfer, and molecular diffusivity. Factors with significant effects included morphological structures oriented along the longitudinal axis, the presence of multidiffusive pores with fractal binding windows, and the presence of facet-dependent surface sites (ie, high). Energy exposure facets, high electron densities along nanoscale structures, and interface planes). In the catalytic activity of electrodes in the form of CP, BC, LS, and MCS, the effect of tightly coupled, closely located high index interface planes throughout the mesocrystal was evident. Models of the atomic arrangements and active sites of the leading {111}, {112}, {001}, and {110} planes and their interface planes were simulated using density functional theory (FIG. 24). ).
メソ結晶面及び触媒表面上に垂直に配置された触媒活性Co3+部位の密度は、表面反応性の重要なパラメータであり、これは開発した電極の触媒性能に著しく影響を与えた。Co3+の密度は、{112}/{111}>{110}≧{001}>{110}/{001}≧{112}>{111}の順に減少した。{112}/{111}界面平面の露出した表面は、他のファセット及び界面ファセットよりも、多くの不飽和結合(ダングリングボンド)及びより高い表面安定化エネルギーを有していた。この知見は、試験された形態の触媒反応性の順序(すなわち、CP>LS>MCS>BC)と一致する。エタノール分子は、活性Co3+部位に近いO2−原子に垂直にその表面上に吸着された。同様に、吸着エネルギーは、結晶面のCo3+密度の増加と同じ順序で増加した。 The density of catalytically active Co 3+ sites placed vertically on the meso crystal plane and catalyst surface was an important parameter of surface reactivity, which significantly affected the catalytic performance of the developed electrode. The density of Co 3+ decreased in the order of {112} / {111}> {110} ≧ {001}> {110} / {001} ≧ {112}> {111}. The exposed surface of the {112} / {111} interface plane had more unsaturated bonds (dangling bonds) and higher surface stabilization energies than other facets and interface facets. This finding is consistent with the order of catalytic reactivity of the tested forms (ie CP>LS>MCS> BC). The ethanol molecule was adsorbed on its surface perpendicular to the O2 - atom near the active Co 3+ site. Similarly, the adsorption energy increased in the same order as the increase in Co 3+ density on the crystal plane.
50面多面体触媒における高屈折率{112}/{111}界面平面は、Co3+活性部位で豊富化された多数の露出C/Co3O4 CP表面を有しており、これらは、効果的な吸着、分子排出、及び電子輸送に重要であった(表1)。多数のCo3+部位(すなわち、{112}/{111}面の{112}面)を含む反応性ファセットは、より小さい結合距離でエタノール分子とのより強い結合を形成した。したがって、エタノール吸着は、{112}/{111}面及び{110}/{001}面の露出した界面表面において、活性吸着面における活性部位に依存していた(界面−部位依存吸着エネルギー)(図24)。負の吸着エネルギーは、高屈折率及び低屈折率の結晶表面へのエタノール吸着が、効果的なエタノール酸化反応において発熱及びエネルギー的に優位な挙動であることを示している。吸着エネルギーの変化は、結晶{110}、{001}、{111}、及び{112}面及びそれらの界面の活性吸着表面部位の原子電荷の変化によるものであり得る(表1)。 The high index {112} / {111} interface plane in the 50-sided polyhedron catalyst has a large number of exposed C / Co 3 O 4 CP surfaces enriched with Co 3+ active sites, which are effective. It was important for active adsorption, molecular emission, and electron transport (Table 1). Reactive facets containing multiple Co 3+ sites (ie, {112} planes of {112} / {111} planes) formed stronger bonds with ethanol molecules at smaller bond distances. Therefore, ethanol adsorption was dependent on the active site on the active adsorption surface on the exposed interface surfaces of the {112} / {111} and {110} / {001} surfaces (interface-site-dependent adsorption energy) ( FIG. 24). Negative adsorption energy indicates that ethanol adsorption on the crystal surface with a high refractive index and a low refractive index is an exothermic and energetically dominant behavior in an effective ethanol oxidation reaction. The change in adsorption energy may be due to a change in the atomic charge of the active adsorption surface sites of the crystal {110}, {001}, {111}, and {112} planes and their interfaces (Table 1).
静電ポテンシャルマップを、密度汎関数理論を用いて調べた。これにより、露出した{110}、{001}、{111}、及び{112}面及び界面のCO3+部位で、等表面及び不飽和配位結合(すなわち、ダングリングボンド)上に存在するCo2+、Co3+、及びO2−原子の電荷密度に関して、表面における勾配が示された(図23)。低屈折率面及び高屈折率面の静電ポテンシャル分布の変化を用いて、活性部位を強調した。静電ポテンシャルの最大偏差は、その場所に酸素空孔が生成されているため、界面活性中心で見出された。露出した平面の静電ポテンシャルマッピングは、O2−空孔部位付近の表面酸素原子がO2−空孔部位から離れたものよりも大きな負電荷(電子が豊富な表面)を有することを強く示唆した。 The electrostatic potential map was investigated using density functional theory. As a result, Co present on equal surfaces and unsaturated coordination bonds (ie, dangling bonds) at the exposed {110}, {001}, {111}, and {112} planes and interface CO 3+ sites. Gradients on the surface were shown with respect to the charge densities of 2+ , Co 3+ , and O 2-atoms (Fig. 23). The active site was emphasized using changes in the electrostatic potential distribution on the low and high index planes. The maximum anomaly of the electrostatic potential was found at the surface active center due to the formation of oxygen vacancies at that location. Electrostatic potential mapping of the exposed planes, strongly suggest having O 2- surface oxygen atoms in the vicinity of pores sites greater negative charge than that away from the O 2- vacancies site (electron-rich surface) did.
Co3+原子の静電ポテンシャルマップは、Co2+原子の電荷密度と比較して、より顕著な電荷密度を示し、これは、Co3+原子、特にO2−空孔部位近傍の外表面のCo3+原子が最も電気活性の高い部位であることを示している(図23)。したがって、より多くの電子に富むO2−空孔部位が界面ファセットに生成された。その結果、界面活性中心は、高い電子密度及び表面原子を横切る大規模な電子運動を示す。長手方向に配向したC/Co3O4 CP電極の表面構造における階層構造は、主たる結晶表面及び最上層結晶表面の両方において、多くのCo3+原子及びより電子が豊富なO2−空孔部位を有する顕著に複雑な{111}/{112}面を形成する可能性がある。高い吸着エネルギー及び表面安定化エネルギーは、豊富な不飽和結合と同様には、反応において達成され得、それにより、これらの界面平面に沿って、より効率的で弾性的な電子輸送及び分子間拡散を生じさせる。 Electrostatic potential map of Co 3+ atoms is compared with the charge density of the Co 2+ atom, a more pronounced charge density, which is Co 3+ atom, particularly Co 3+ of O 2- vacancies near the site of the outer surface It shows that the atom is the site with the highest electrical activity (Fig. 23). Therefore, more electron-rich O 2- vacancy sites were created on the interface facets. As a result, the surface active center exhibits high electron density and large-scale electron motion across surface atoms. The hierarchical structure in the surface structure of the longitudinally oriented C / Co 3 O 4 CP electrode is an O 2- vacancy site rich in many Co 3+ atoms and more electrons on both the main crystal surface and the top crystal surface. It is possible to form a significantly complex {111} / {112} plane with. High adsorption and surface stabilization energies, as well as abundant unsaturated bonds, can be achieved in the reaction, thereby more efficient and elastic electron transport and intermolecular diffusion along these interface planes. Causes.
<参考文献>
本開示には以下の参考文献も含まれ、その内容はその全体が本明細書に組み込まれる。
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<材料>
調査された全ての化学物質及び物質は分析等級であり、さらに精製することなく使用した。塩化コバルト六水和物(CoCl2・6H2O、99%)、黒鉛粉末(98%)、尿素(CO(NH2)2、99%)、HMT(C6H12N4)及び水酸化ナトリウム(NaOH、98%)は、Wako社(大阪、日本)から供給された。硝酸コバルト六水和物(Co(NO3)2・6H2O、98%)、硝酸アンモニウム(NH4NO3、99%)、無水エタノール(C2H5OH、99.5%)、硝酸(HNO3、61%)、硫酸(H2SO4、95%)、塩酸(HCl、36%)及び過酸化水素(H2O2、30%)は、Nacalai Tesque社(日本)から購入した。MWCNT(98%)は米国シグマアルドリッチ社から、過マンガン酸カリウム(KMnO4、99.5%)は東京化成工業(TCI)社から購入した。ナノコンポジットを成長させた導電性の土台として、TCIによって3次元多孔質Ni発泡体(3D−PNi)(1cm×1cm)が製造された。合成の前に、3DHCl基板を、濃HCl溶液、エタノール及びMilli−Q水で連続的に超音波処理することによって繰り返しすすぎ、次に60℃で12時間乾燥させた。
<Material>
All chemicals and materials investigated were analytical grade and used without further purification. Cobalt chloride hexahydrate (CoCl 2 · 6H 2 O, 99%), graphite powder (98%), urea (CO (NH 2) 2, 99%), HMT (C 6 H 12 N 4) and hydroxide Sodium (NaOH, 98%) was supplied by Wako (Osaka, Japan). Cobalt nitrate hexahydrate (Co (NO 3) 2 · 6H 2 O, 98%), ammonium nitrate (NH 4 NO 3, 99% ), absolute ethanol (C 2 H 5 OH, 99.5 %), nitric acid ( HNO 3 , 61%), sulfuric acid (H 2 SO 4 , 95%), hydrochloric acid (HCl, 36%) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 , 30%) were purchased from Nakalai Tesque (Japan). MWCNT (98%) was purchased from Sigma-Aldrich, Inc. of the United States, and potassium permanganate (KMnO 4 , 99.5%) was purchased from Tokyo Chemical Industry (TCI). A three-dimensional porous Ni foam (3D-PNi) (1 cm x 1 cm) was produced by TCI as a conductive base on which nanocomposites were grown. Prior to synthesis, the 3D HCl substrate was repeatedly rinsed by continuous sonication with concentrated HCl solution, ethanol and Milli-Q water, then dried at 60 ° C. for 12 hours.
[例1]
<多層カーボンナノチューブ(MWCNTs)の精製及び機能化>
[Example 1]
<Purification and functionalization of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)>
未処理のMWCNTを、初にHNO3/H2SO4溶液と1:3の比で混合した。次に、混合物を50℃で5時間超音波処理し、次いで110℃で3時間還流した。その後、得られた混合物を脱イオン水を用いてpH7で希釈した。この固体(すなわち、酸化されたMWCNTs)を遠心分離によって収集し、後の使用のために65℃で一晩乾燥させた。
The untreated MWCNT was first mixed with the HNO 3 / H 2 SO 4 solution in a ratio of 1: 3. The mixture was then sonicated at 50 ° C. for 5 hours and then refluxed at 110 ° C. for 3 hours. The resulting mixture was then diluted with deionized water at
<グラフェン酸化物の調製>
わずかに修正したHummers法に従って、黒鉛粉末から酸化グラフェンを合成した。典型的には、2gの黒鉛粉末(約40μm)を、25℃で1時間激しく撹拌することにより、濃H2SO4及びHNO3(100mL、1:1 v/v)の強酸化溶液と反応させた。その後、溶液を氷水浴中に置き、2時間撹拌しながら7gのKMnO4を溶液にゆっくりと加えた。次いで、均一な反応溶液を得ることを避けるために、混合物を40℃で6時間超音波処理した。その後、脱イオン水(350mL)を、形成したゲルと混合し、混合物全体を80℃で1時間撹拌した。続いて、120mLの30%H2O2及び50mLの15%HCl溶液を混合物に添加し、次いで10分間撹拌した。ゲル混合物を褐色の沈殿物が生じるまで静置した。固体物質を二回蒸留水で繰り返し洗浄し、次の調査の前に60℃で一晩乾燥させた。
<Preparation of graphene oxide>
Graphene oxide was synthesized from graphite powder according to the slightly modified Hummers method. Typically, a 2g of graphite powder (approximately 40 [mu] m), by stirring vigorously for 1 hour at 25 ° C., concentrated H 2 SO 4 and HNO 3: and (100 mL, 1 1 v / v) strong solution of the reaction I let you. Then, the solution was placed in an ice-water bath, and 7 g of KMnO 4 was slowly added to the solution with stirring for 2 hours. The mixture was then sonicated at 40 ° C. for 6 hours to avoid obtaining a homogeneous reaction solution. Deionized water (350 mL) was then mixed with the formed gel and the entire mixture was stirred at 80 ° C. for 1 hour. Subsequently, the addition of 15% HCl solution 30% H 2 O 2 and 50mL of 120mL the mixture which was then stirred for 10 minutes. The gel mixture was allowed to stand until a brown precipitate formed. The solid material was washed twice with distilled water and dried overnight at 60 ° C. before the next investigation.
<C−NT/CoO CPs/3D−PNiナノ構造体の作製>
C−NT/CoO CPs/3D−PNi電極の合成のための単純なワンポット法は、マイクロ波アシスト技術によって達成された。この方法では、0.1Mの硝酸コバルト六水和物及び0.35MのHMTを37mLの脱イオン水と10分間撹拌しながら混合した。次いで、80mgの酸化されたC−NTを上記溶液に浸漬し、3時間激しく撹拌した。その後、混合物を3D−PNiシートを含むテフロンライニングされたオートクレーブに移し(スキーム1)、160℃で1時間マイクロ波照射した(600W)。回収した試料をエタノール及び脱イオン水で注意深く洗浄し、60℃で一晩乾燥させ、最後に空気中400℃で4時間焼成した。
<Preparation of C-NT / CoO CPs / 3D-PNi nanostructures>
A simple one-pot method for the synthesis of C-NT / CoO CPs / 3D-PNi electrodes has been achieved by microwave assist technology. In this method, 0.1 M cobalt nitrate hexahydrate and 0.35 M HMT were mixed with 37 mL deionized water with stirring for 10 minutes. Then, 80 mg of oxidized C-NT was immersed in the above solution and stirred vigorously for 3 hours. The mixture was then transferred to a Teflon-lined autoclave containing a 3D-PNi sheet (Scheme 1) and microwave-irradiated at 160 ° C. for 1 hour (600 W). The recovered samples were carefully washed with ethanol and deionized water, dried overnight at 60 ° C. and finally calcined in air at 400 ° C. for 4 hours.
<C−NT又はg−C/Co3O4又はCoO/GCの作製>
長手方向電極設計を使用してEOR効率に及ぼすキャリア基板の影響を調べるために、いくつかの電気化学的実験を行った。これらの実験では、C−NT又はg−C/Co3O4又はCoO/3D−PNi電極アッセイに適用される電気化学的条件と同様の電気化学的条件で、C−NT又はg−C/Co3O4又はCoO/GC電極を使用した。薄膜積層C−NT又はg−C/Co3O4又はCoO/GC電極を、25℃で不均一アシストインク堆積法によりGC基板上に活性触媒粉末を分散させることによって、作製した。均一な触媒インクを、5mgの活性触媒を、2mLのMilli−Q水中の結合剤として使用された5重量%のナフィオン溶液50μLに、超音波処理下で少なくとも30分間混合することによって、調製した。次いで、触媒インク(4μL)を、GCの3活性領域(φ=3mm)に約0.143mg/cm2で充填した。触媒インク充填GC電極を、50℃の密封オーブン中で乾燥させて、GC基板領域上に均一な触媒層を形成させた。
<Preparation of C-NT or g-C / Co 3 O 4 or CoO / GC>
Several electrochemical experiments were performed to investigate the effect of carrier substrates on EOR efficiency using longitudinal electrode designs. In these experiments, C-NT or g-C / under the same electrochemical conditions as those applied to the C-NT or g-C / Co 3 O 4 or CoO / 3D-PNi electrode assay. Co 3 O 4 or Co O / GC electrodes were used. A thin film laminated C-NT or g-C / Co 3 O 4 or CoO / GC electrode was prepared by dispersing the active catalyst powder on a GC substrate by a non-uniform assist ink deposition method at 25 ° C. A uniform catalyst ink was prepared by mixing 5 mg of active catalyst into 50 μL of 5 wt% Nafion solution used as a binder in 2 mL Milli-Q water for at least 30 minutes under sonication. Then, the catalyst ink (4 μL) was filled in the three active regions (φ = 3 mm) of GC at about 0.143 mg / cm 2. The catalyst ink-filled GC electrode was dried in a sealed oven at 50 ° C. to form a uniform catalyst layer on the GC substrate region.
[例2]
<特徴付け>
アニールした試料の形態を、FE−SEM(JEOL Model 6500)により15kVで調べた。FE−SEMチャンバーに挿入する前に、C−NT又はg−C/Co3O4又はCoO/3D−PNi電極を、カーボンテープを用いてFE−SEMステージ上に固定した。イオンスパッタリング装置(Hitachi E−1030)を用いて、電極上に25℃で薄層Pt膜を堆積させた。集束イオンビーム(FIB)システム(JEM−9320FIB)を、5〜30kVの加速電圧で5kVの可変ステップ及び150〜300000倍の倍率で作動させた。C−NT又はg−C/Co3O4又はCoO触媒を含む粉末試料の配向軸(X及びY)は、±60°の傾斜角で±1.2mm以内で変化させることができる。試料を、炭素保護層による堆積後、バルク試料ホルダー(8×8mm2)を用いてFIB装置内に挿入した。FIB調査の前に、C−NT又はgC/Co3O4又はCoO触媒の粉末試料を、細かい睫毛プローブを用いて小シリコンウェハ上に少量のエポキシ(Gatan社)と混合して、シリコン基板上に非常に薄い膜を形成した(図2及びS7)。各薄膜を、130℃のホットプレート上で10分間ベークし、続いて約30nmの均一に薄い炭素層で被覆した。試料を30kVで作動させたFIB顕微鏡に挿入し、次いで−1.5°及び+1.5°傾斜を使用して2μmの最終厚さになるまで両面を粗く粉砕した。その後、C−NT又はg−C/Co3O4又はCoO試料を切断し、その後のHAADF−STEM顕微鏡検査のために、FIBシステムから取り出した。
[Example 2]
<Characteristics>
The morphology of the annealed sample was examined by FE-SEM (JEOL Model 6500) at 15 kV. Prior to insertion into the FE-SEM chamber, a C-NT or g-C / Co 3 O 4 or CoO / 3D-PNi electrode was fixed onto the FE-SEM stage using carbon tape. A thin Pt film was deposited on the electrodes at 25 ° C. using an ion sputtering apparatus (Hitachi E-1030). The Focused Ion Beam (FIB) system (JEM-9320FIB) was operated with an acceleration voltage of 5 to 30 kV in 5 kV variable steps and a magnification of 150 to 300,000 times. The orientation axes (X and Y) of the powder sample containing the C-NT or g-C / Co 3 O 4 or CoO catalyst can be changed within ± 1.2 mm with an inclination angle of ± 60 °. The sample was deposited in a carbon protective layer and then inserted into the FIB device using a bulk sample holder (8 x 8 mm 2). Prior to the FIB survey, a powder sample of C-NT or gC / Co 3 O 4 or CoO catalyst was mixed with a small amount of epoxy (Gatan) on a small silicon wafer using a fine eyelash probe and on a silicon substrate. A very thin film was formed in (FIGS. 2 and S7). Each thin film was baked on a hot plate at 130 ° C. for 10 minutes and subsequently coated with a uniformly thin carbon layer of about 30 nm. The sample was inserted into a FIB microscope operated at 30 kV and then coarsely ground on both sides using −1.5 ° and + 1.5 ° tilts to a final thickness of 2 μm. The C-NT or g-C / Co 3 O 4 or CoO samples were then cleaved and removed from the FIB system for subsequent HAADF-STEM microscopy.
HAADF−STEMを用いて(i)TEM及び(ii)STEM、(iii)元素マッピングのためのEDS、及び(iv)電子回折(ED)を実施した。高分解能でTEM/STEM画像を観察するために、照明及び結像レンズシステムに収差補正器が設けられているJEMARM200F−G装置を使用して、HAADF−STEM顕微鏡写真を記録した。HAADF−STEM顕微鏡には単色化電子銃も装備されており、高エネルギー分解能で電子エネルギー損失分光法によりサポートされていた。具体的には、HAADF−STEMの断面試料を、FIBシステムミリングによって調製した。細かく閉じ込められたプローブは、典型的には、試料を長手方向のc軸の平行方向に尖らせた。十分に調製されたFIB試料を、ピックアップシステムを用いてエポキシ材料によって銀グリッドに取り付けた。銀グリッドに取り付けられたC−NT又はg−C/Co3O4又はCoOを、FIBシステムに再び挿入して、厚さ100nmの層を作製した。試料を、100nmの最終厚さ4になるまで、可変強度を有する代替ビームを使用することによって、両側から薄くした。100nm試料をHAADF−STEM顕微鏡下で観察し、断面画像を記録した。 HAADF-STEM was used to perform (i) TEM and (ii) STEM, (iii) EDS for element mapping, and (iv) electron diffraction (ED). HAADF-STEM micrographs were recorded using a JEMARM200F-G apparatus equipped with an aberration corrector in the illumination and imaging lens system to observe TEM / STEM images with high resolution. The HAADF-STEM microscope was also equipped with a monochromatic electron gun, which was supported by electron energy loss spectroscopy with high energy resolution. Specifically, a cross-sectional sample of HAADF-STEM was prepared by FIB system milling. The finely confined probe typically sharpened the sample parallel to the longitudinal c-axis. Well-prepared FIB samples were attached to the silver grid with epoxy material using a pickup system. C-NT or g-C / Co 3 O 4 or CoO attached to the silver grid was reinserted into the FIB system to create a 100 nm thick layer. Samples were thinned from both sides by using an alternative beam with variable intensity until a final thickness of 4 at 100 nm. A 100 nm sample was observed under a HAADF-STEM microscope and a cross-sectional image was recorded.
BELSORP36分析装置(日本ベル社)を用いて、77KにおけるN2吸着−脱着等温線により、細孔構造分布及び表面積を含む材料の表面特性を評価した。試料を、N2雰囲気下、200℃で少なくとも6時間熱処理した。比表面積(SBET)を、N2吸着等温線の直線部分からの多点吸着データを用いたBrunauer−Emmett−Teller(BET)法を用いて計算した。細孔径分布を、非局所DFT(NLDFT)を用いて決定した。触媒の構造的形状を、WA−XRDによりさらに調べた。WA−XRDパターンを、18kW回折計(Bruker D8 Advance)を用いて、単色化CuKα−X線(λ=1.54178Å)で走査速度10°/分で、記録した。Bruker AXSが提供するPDF−2 Release 2009データベースを備えたDIFRAC plus Evaluation Package(EVA)ソフトウェアを使用して、回折及び構造解析回折データを解析した。様々な種類のX線回折(XRD)分析を統合するために、TOPASパッケージプログラムを適用した。XPS分析は、励起用X線源(1.5mm×0.1mm、15kV、50W)としてAlKαを装備したPHI Quantera SXM(ULVAC−PHI)装置(米国Perkin−Elmer社)で、4×10−8Paの圧力下で行った。分析の開始前に、試料の薄膜をSiスライド上に堆積させた。 BELSORP36 analyzed using apparatus (BEL Japan Inc.), N 2 adsorption at 77K - by desorption isotherms were evaluated the surface properties of the material containing a pore structure distribution and surface area. Samples, N 2 atmosphere, was at least 6 hours heat treatment at 200 ° C.. The specific surface area (SBET), was calculated using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method using a multi-point adsorption data from the linear portion of the N 2 adsorption isotherm. The pore size distribution was determined using nonlocal DFT (NLDFT). The structural shape of the catalyst was further investigated by WA-XRD. WA-XRD patterns were recorded on a monochromatic CuKα-X-ray (λ = 1.54178 Å) using an 18 kW diffractometer (Bruker D8 Advance) at a scanning speed of 10 ° / min. Diffraction and structural analysis Diffraction data was analyzed using DIFRAC plus Evaluation Package (EVA) software with the PDF-2 Release 2009 database provided by Bruker AXS. A TOPAS package program was applied to integrate various types of X-ray diffraction (XRD) analysis. XPS analysis was performed with a PHI Quantera SXM (ULVAC-PHI) device (Perkin-Elmer, USA) equipped with AlKα as an excitation X-ray source (1.5 mm × 0.1 mm, 15 kV, 50 W), 4 × 10-8. It was performed under the pressure of Pa. Prior to the start of the analysis, a thin film of sample was deposited on a Si slide.
ラマン分光法(HR Micro Raman分光計、Horiba、Jobin Yvon)は、633nmのArイオンレーザーを用いて行った。CCD(電荷結合素子)カメラ検出システム及びLabSpec−3.01Cソフトウェアパッケージを、それぞれデータ収集及び分析に使用した。ラマンスペクトルの精度及び精度を保証するために、300cm−1から1,600cm−1まで、5秒の10回のスキャンを記録した。TG及びDTAは、同時にDTA−TG装置TG−60(Shimadzu、日本)を用いて達成した。 Raman spectroscopy (HR Micro Raman spectrometer, Horiba, Jobin Yvon) was performed using an Ar ion laser at 633 nm. A CCD (charge-coupled device) camera detection system and a LabSpec-3.01C software package were used for data collection and analysis, respectively. To ensure the accuracy and precision of the Raman spectrum from 300 cm -1 to 1,600Cm -1, it was recorded 10 scans of 5 seconds. TG and DTA were simultaneously achieved using the DTA-TG device TG-60 (Shimadzu, Japan).
[例3]
<電気化学測定>
水銀/酸化水銀(Hg/HgO、1MのNaOH)及び白金線(φ=0.1mm)をそれぞれ基準電極及び対電極として使用し、自家製の電気化学セルで電気化学測定を行った。CPs、LSs、MCSs及びBCsの表面構造を有し、1.5mgの活性充填(active loading)を有する3D−PNi上に成長した活性触媒C−NT又はg−C/Co3O4又はCoOを、電気化学的調査のための作用電極として用いた。データは、Thales Z 2.0ソフトウェアによって制御されるZennium/ZAHNER電気化学的ワークステーション(Elektrik有限合資会社)を用いて記録した。最初に、信号が安定するまで、全ての作用電極を50mV・秒−1の走査速度で少なくとも10回サイクルした。次に、CVデータを収集した。電流密度5は、調査した作用電極の幾何学的表面積(1cm2)を指す。測定された電位は、Hg/HgO参照電極に関して報告した。新たに調製した電解液(0.5MのNaOH)を、電気化学ガラスセル内の電解液の上に精製したN2のゆっくりとした流れをバブリングすることによって脱気した。N2飽和電解質を確保するために、電気化学測定中にN2フローを維持した。記録された結果の再現性を保証するために、新たに調製した電解液を電気化学測定ごとに使用した。エタノール電解酸化反応中の電極安定性を評価するために、クロノアンペロメトリー試験(CA)を行った。CA測定は、0.5Mエタノールの存在下、Hg/HgOに対して0.7Vの一定電位を印加することによって得られた。EIS測定は、振幅が5mVで開回路電位が100kHz〜0.01Hzの周波数範囲で行った。
[Example 3]
<Electrochemical measurement>
Mercury / mercury oxide (Hg / HgO, 1M NaOH) and platinum wire (φ = 0.1 mm) were used as reference electrodes and counter electrodes, respectively, and electrochemical measurements were performed in a home-made electrochemical cell. An active catalyst C-NT or g-C / Co 3 O 4 or CoO grown on a 3D-PNi having a surface structure of CPs, LSs, MCSs and BCs and having 1.5 mg of active loading. , Used as a working electrode for electrochemical investigation. Data were recorded using a Zennium / ZAHNER electrochemical workstation (Electrik Co., Ltd.) controlled by Thales Z 2.0 software. First, all working electrodes were cycled at least 10 times at a scanning rate of 50 mV seconds-1 until the signal was stable. Next, CV data was collected. The current density 5 refers to the geometric surface area (1 cm 2) of the working electrode investigated. The measured potentials were reported for the Hg / HgO reference electrode. The freshly prepared electrolyte solution (NaOH in 0.5M), was degassed by bubbling a slow stream of N 2 was purified on a electrolyte in electrochemical glass cell. To ensure a N 2 saturated electrolyte was maintained N 2 flow in the electrochemical measurements. A freshly prepared electrolyte was used for each electrochemical measurement to ensure the reproducibility of the recorded results. A chronoamperometry test (CA) was performed to evaluate the electrode stability during the ethanol electrolytic oxidation reaction. The CA measurement was obtained by applying a constant potential of 0.7 V to Hg / HgO in the presence of 0.5 M ethanol. The EIS measurement was performed in the frequency range where the amplitude was 5 mV and the open circuit potential was 100 kHz to 0.01 Hz.
[例4]
<C−NT/Co3O4 CP又はBC/3D−PNi電極の作製>
BC電極を、1.5gのCoCl2・6H2O、0.5gの尿素(CO(NH2)2)、及び60mLのH2Oの溶液から作製した。CP電極を、1.43gのCoCl2・6H2O、3.6gの尿素、及び60mLのH2Oの溶液から作製した。C−NT(80mg)を溶液に添加し、これを3時間撹拌した後、100mLのテフロンライニングされたステンレス鋼製オートクレーブ中の1cm2の3D−PNi上に堆積させた。混合物を150℃で12時間熱処理し、次いで自然に25℃まで冷却した。3D−PNi、C/Co(OH)x(CO3)0.5・0.11H2O上で成長した生成物を、無水エタノール及び脱イオン水で順次洗浄し、次いで60℃で一晩乾燥させた。次に、調製したC/Co(OH)x(CO3)0.5・0.11H2O/CP又はBCの電極を、400℃、5℃/分の昇温速度で4時間、N2ガス流下で焼成した。
[Example 4]
<Manufacturing of C-NT / Co 3 O 4 CP or BC / 3D-PNi electrode>
The BC electrode, CoCl 2 · 6H 2 O in 1.5g, urea 0.5g (CO (NH 2) 2 ), and were prepared from H 2 O solution of 60 mL. The CP electrodes were prepared from CoCl 2 · 6H 2 O, urea 3.6g and 60mL of H 2 O solution, the 1.43 g. C-NT (80 mg) was added to the solution, which was stirred for 3 hours and then deposited on 1 cm 2 of 3D-PNi in a 100 mL Teflon-lined stainless steel autoclave. The mixture was heat treated at 150 ° C. for 12 hours and then naturally cooled to 25 ° C. Products grown on 3D-PNi, C / Co (OH) x (CO 3 ) 0.5 / 0.11H 2 O were washed sequentially with anhydrous ethanol and deionized water, then dried overnight at 60 ° C. I let you. Next, the prepared C / Co (OH) x (CO 3 ) 0.5 / 0.11H 2 O / CP or BC electrode was placed at a heating rate of 400 ° C. and 5 ° C./min for 4 hours, N 2 It was fired under a gas flow.
[例5]
<C−NT/Co3O4 MCS/3D−PNi電極及びg−C/Co3O4 LS/3D−PNi電極の作製>
組成物へのC−NT又はg−C導電性基板の添加は、MCS及びLS構造を達成するために不可欠であった。1.43gのCoCl2・6H2O、2.94gのヘキサメチレンテトラミン(C6H12N4)、及び60mLのH2Oの混合物を10分間撹拌した。その後、80mgのC−NT又はg−Cを溶液に添加し、混合物を3時間撹拌した後、100mLのテフロンライニングされたステンレス鋼製オートクレーブ中の1cm2の3D−PNi上に堆積させた。混合物を150℃で12時間熱処理し、次いで自然に25℃まで冷却した。3D−PNi、C−NT又はg−C/Co(OH)x(CO3)0.5・0.11H2O上で成長した生成物を、無水エタノール及び脱イオン水で順次洗浄し、60℃で一晩乾燥させた。次に、調製したC/Co(OH)x(CO3)0.5・0.11H2O/MCS電極及びg−C/Co(OH)x(CO3)0.5・0.11H2O/LS電極を、400℃、5℃/分の昇温速度で4時間、N2ガス流下で焼成した。
[Example 5]
<Manufacturing of C-NT / Co 3 O 4 MCS / 3D-PNi electrode and g-C / Co 3 O 4 LS / 3D-PNi electrode>
The addition of the C-NT or g-C conductive substrate to the composition was essential to achieve the MCS and LS structures. CoCl 2 · 6H 2 O in 1.43 g, hexamethylenetetramine 2.94g (C 6 H 12 N 4 ), and was a mixture of H 2 O in 60mL was stirred for 10 minutes. Then 80 mg of C-NT or g-C was added to the solution, the mixture was stirred for 3 hours and then deposited on 1 cm 2 of 3D-PNi in a 100 mL Teflon-lined stainless steel autoclave. The mixture was heat treated at 150 ° C. for 12 hours and then naturally cooled to 25 ° C. The product grown on 3D-PNi, C-NT or g-C / Co (OH) x (CO 3 ) 0.5 / 0.11H 2 O was washed successively with absolute ethanol and deionized water, 60. Allowed to dry overnight at ° C. Next, the prepared C / Co (OH) x (CO 3 ) 0.5 / 0.11H 2 O / MCS electrode and g-C / Co (OH) x (CO 3 ) 0.5 / 0.11H 2 the O / LS electrodes, 400 ° C., 4 hours at a heating rate of 5 ° C. / min, and calcined under N 2 gas flow.
[例6]
<数学的モデリング>
DFTは、電子相関効果を効果的に説明する有望な手法である。この研究では、DFTで調べた全ての計算は、BIOVIA DassaultシステムのDMol3に従って行われた(2,3)。交換相関エネルギー関数を、Perdew−Burke−Ernzerhof(PBE)形式主義によって表した(4)。Kohn−Shamの方程式を、偏光関数を用いた二重数値品質基準セット(DNP:double numeric quality basis set)で拡張した。相対論的効果を考慮するために、DFTセミコア擬ポテンシャル(参考文献5)を、ドープされたクラスターのコア電子の処理に使用した。軌道カットオフ範囲及びフェルミスメアリング(Fermi smearing)を、それぞれ5.0Å及び0.001Haとして選択した。10−6任意単位の収束基準で十分に収束した幾何学的及び電子的構造を得るために、自己整合フィールド(SCF:self−consistent−field)手順を実施した。エネルギー、最大力、及び最大変位収束を、それぞれ10−6Ha、0.002Ha/Å、及び0.005Åに設定した。一方、静電部位の電位は、空間の所定の位置でイオンが受ける単位電荷あたりのクーロン相互作用の尺度である。静電ポテンシャル(EP)分布を計算するために、DFTも使用した。モデリングは、表面電荷マップの特徴を使用して、等表面上の各点で物理的な量的調査を示すために実施された。典型的には、電子密度の等表面は、格子表現を用いたEP強度(EPI)に基づいて着色され、この電荷は、EPが計算されるいわゆる輪郭内の立方格子上にマッピングされる。スラブモデルを、各触媒の9原子層で構成した(図23)。構造内の活性中心を比較するために、表面層及び表面下の層の酸素原子が、化学量論的モードに関与していた。最適化されたモデルに示されるように、EPを、−0.06eVから+0.6eVの範囲にわたって調査した。
[Example 6]
<Mathematical modeling>
DFT is a promising method for effectively explaining the electron correlation effect. In this study, all calculations examined by the DFT were performed according to DMol3 of the BIOVIA Dassault System (2,3). The exchange correlation energy function was expressed by Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) formalism (4). The Kohn-Sham equation was extended with a dual numerical quality basis set (DNP) using polarization functions. To consider the relativistic effect, the DFT semi-core pseudopotential (Reference 5) was used to process the core electrons of the doped cluster. The orbital cutoff range and Fermi smearing were selected as 5.0 Å and 0.001 Ha, respectively. A self-aligned field (SCF) procedure was performed to obtain a well-converged geometric and electronic structure with a convergence criterion of 10-6 arbitrary units. The energy, maximum force, and maximum displacement convergence were set to 10-6 Ha, 0.002 Ha / Å, and 0.005 Å, respectively. On the other hand, the potential of the electrostatic site is a measure of Coulomb interaction per unit charge that an ion receives at a given position in space. A DFT was also used to calculate the electrostatic potential (EP) distribution. Modeling was performed to show a physical quantitative study at each point on the equisurface using the features of the surface charge map. Typically, the electron density equisurface is colored based on EP intensity (EPI) using lattice representation, and this charge is mapped onto a cubic lattice in the so-called contour from which EP is calculated. The slab model was composed of 9 atomic layers of each catalyst (Fig. 23). To compare the active centers in the structure, oxygen atoms in the surface and subsurface layers were involved in the stoichiometric mode. EP was investigated over the range of -0.06 eV to +0.6 eV, as shown in the optimized model.
[例7]
<階層Co3O4ナノコンポジットの水熱アシスト形成>
図2は、例示的な電極の形態進化の概要を示す。強固な機械的接着力を有する3D−PNi基板上に直接成長した階層金属骨格から誘導されたC−NT又はg−C/Co3O4ナノハイブリッド構造が得られた。これは、合成されたC−NT又はg−C/Co(OH)x(CO3)0.5・0.11H2O/3D−PNi電極を、400℃で4時間、適切に熱分解した後に得られた(追加の詳細は実験のセクションにある)。3D−PNi骨格に垂直に向いた長手方向に沿って形態制御されたナノハイブリッドを製造するために、スケーラブルで柔軟な方法が採用された。これらのプロセスでは、NR構造においてCPs及びBCsの表面形態が優勢であり、且つナノシートにおいてMCSs及びLSsの表面形態が優勢であるように設計された。GOシート(g−C)又は機能化された多層カーボンナノチューブ(C−NT)対応物は、カーボン支持体として作用した。基本的には、製造された電極のユニークな構造は、指向性を有する塩基性塩(尿素及びHMT)及びコバルト前駆体によってもたらされた。
[Example 7]
< Hydraulic Co 3 O 4 nanocomposite hydro-assisted formation>
FIG. 2 shows an outline of the morphological evolution of an exemplary electrode. A C-NT or g-C / Co 3 O 4 nanohybrid structure derived from a layered metal skeleton grown directly on a 3D-PNi substrate with strong mechanical adhesion was obtained. This was a suitable thermal decomposition of the synthesized C-NT or g-C / Co (OH) x (CO 3 ) 0.5 / 0.11H 2 O / 3D-PNi electrode at 400 ° C. for 4 hours. Obtained later (additional details can be found in the experimental section). A scalable and flexible method has been adopted to produce morphologically controlled nanohybrid along the longitudinal direction perpendicular to the 3D-PNi backbone. In these processes, the surface morphology of CPs and BCs was predominant in the NR structure, and the surface morphology of MCSs and LSs was predominant in the nanosheets. The GO sheet (g-C) or functionalized multi-walled carbon nanotube (C-NT) counterpart acted as a carbon support. Basically, the unique structure of the produced electrodes was provided by directional basic salts (urea and HMT) and cobalt precursors.
本明細書に記載の水熱処理条件の下で、自己支持型(すなわち、C−NT又はgC/Co3O4又はCoO/基板)電極、Co3O4又はCoO及びC−NT又はgC/Co3O4又はCoOハイブリッドの製造は、ミクロ及びメソスケールのサイズ(0.5〜65.8nm)の均一な間隔を空けた内側細孔を有するBC−NR、CP−NR、LS及びMCS構造の形態学的特徴と同様の形態学的特徴を生じるように階層的に制御することができる。これは、電界放出型走査型電子顕微鏡(FE−SEM)顕微鏡写真(図3〜図6)、熱重量分析(TG)−示差熱分析(DTA)、広角粉末X線回折(WA−XRD)及びN2等温線から明らかである(図7、図25及び図26参照)。化学結合、構造環境、及び元素状態の観点から、幾何学的C/Co3O4のメソ結晶ハイブリッドの原子コア・レベルの組織を調べるために、C/Co3O4 CPsのX線光電子分光法(XPS)分析及びラマン分光法を実施した(図27)。 Under the hydrothermal conditions described herein, self-supporting (ie, C-NT or gC / Co 3 O 4 or CoO / substrate) electrodes, Co 3 O 4 or CoO and C-NT or gC / Co. The production of 3 O 4 or CoO hybrids is of BC-NR, CP-NR, LS and MCS structures with uniformly spaced inner pores of micro and mesoscale size (0.5-65.8 nm). It can be hierarchically controlled to produce morphological features similar to those of morphological features. This includes field emission scanning electron microscope (FE-SEM) micrographs (FIGS. 3-6), thermogravimetric analysis (TG) -differential thermal analysis (DTA), wide-angle powder X-ray diffraction (WA-XRD) and It is clear from the N2 isotherm (see FIGS. 7, 25 and 26). Chemical bond, from the viewpoint of structural environment, and elemental, in order to examine the geometric C / Co 3 O 4 of meso crystal hybrid atomic core levels of the organization, C / Co 3 O 4 CPs X -ray photoelectron spectroscopy Method (XPS) analysis and Raman spectroscopy were performed (Fig. 27).
FE−SEM及びHAADF−STEM顕微鏡写真(図1〜図6、図8、図9及び図11)は、反応時間及び成長温度が自立型ナノ構造体の固定化及び核形成に十分であることを示している。さらに、金属粒子は、熱水処理の間、静電的相互作用によって対応物の表面官能基に結合した(図2A−a、図2B−a、及び図2B−b)。これらの酸素官能基は、対応物を反応溶液中に完全に分散させ、対応物の骨格上にCo3O4メソ結晶の成長を確実にする信頼できるメディエーターを提供する。形成されたナノ構造体の多孔度は、ガス、吸着された水及び有機分子の放出から比較的高温で分解した後に、大きく向上した。この結果は、活物質の利用率の向上を示している。したがって、その電気化学的性能の顕著な改善が期待された。さらに、このようなユニークな構造は、電解液がグラフェン層を通り、カーボンチューブに沿って通過するための明確な経路を提供し、高速の電子輸送をもたらす。興味深いことに、C−NT又はg−C/Co3O4又はCoO/3D−PNi電極の制御された長手方向の成長は、Co3+活性部位の広範な領域を含むより好ましい露出した表面及び界面を生成する。この効果は、HR−HAAF−STEM顕微鏡写真によって証明されるように、EORの動態を向上させる(図11)。 FE-SEM and HAADF-STEM micrographs (FIGS. 1-6, 8, 9 and 11) show that reaction times and growth temperatures are sufficient for immobilization and nucleation of free-standing nanostructures. Shown. In addition, the metal particles were attached to the surface functional groups of the counterpart by electrostatic interaction during the hot water treatment (FIGS. 2A-a, 2B-a, and 2B-b). These oxygen functional groups provide a reliable mediator that completely disperses the counterpart in the reaction solution and ensures the growth of Co 3 O 4 mesocrystals on the backbone of the counterpart. The porosity of the formed nanostructures improved significantly after decomposition at relatively high temperatures from the release of gas, adsorbed water and organic molecules. This result shows an improvement in the utilization rate of the active material. Therefore, a significant improvement in its electrochemical performance was expected. In addition, such a unique structure provides a clear path for the electrolyte to pass through the graphene layer and along the carbon tubing, resulting in high electron transport. Interestingly, the controlled longitudinal growth of the C-NT or g-C / Co 3 O 4 or CoO / 3D-PNi electrodes is a more preferred exposed surface and interface that includes a broad region of the Co 3+ active site. To generate. This effect improves the dynamics of EOR, as evidenced by HR-HAAF-STEM micrographs (Fig. 11).
Claims (20)
前記支持体は、カーボンナノチューブ又はグラフェンシートからなり、
前記金属酸化物触媒は、Co 3 O 4 結晶であり、
前記基板は、発泡金属又はガラス状炭素からなり、
前記支持体がカーボンナノチューブである場合には、当該カーボンナノチューブの長手方向は前記基板の平面に対して垂直な方向となるように位置し、
前記支持体がグラフェンシートである場合には、当該グラフェンシートの平面は前記基板の平面に対して垂直な方向となるように位置し、
前記Co 3 O 4 結晶は、ミラー指数{111}/{112}界面平面及び{110}/{001}界面平面を有する、電極。 An electrode containing a support, a metal oxide catalyst located on the surface of the support , and a substrate.
The support is made of carbon nanotubes or graphene sheets.
The metal oxide catalyst is a Co 3 O 4 crystal.
The substrate is made of foamed metal or glassy carbon.
When the support is a carbon nanotube, the longitudinal direction of the carbon nanotube is positioned so as to be perpendicular to the plane of the substrate.
When the support is a graphene sheet, the plane of the graphene sheet is positioned so as to be perpendicular to the plane of the substrate.
The Co 3 O 4 crystal is an electrode having a Miller index {111} / {112} interface plane and a {110} / {001} interface plane.
前記CoThe Co 33 OO 44 結晶が表面に位置する前記カーボンナノチューブが、前記基板に対して、トウモロコシ結節ペレット(CPs:corn tubercle pellets)様の形態学的構造を有する、請求項1に記載の電極。The electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotubes having crystals located on the surface have a morphological structure similar to corn nodule pellets (CPs) with respect to the substrate.
前記CoThe Co 33 OO 44 結晶が表面に位置する前記カーボンナノチューブが、前記基板に対して、バナナクラスター(BCs:banana clusters)様の形態学的構造を有する、請求項1に記載の電極。The electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotubes having crystals located on the surface have a banana cluster (BCs: banana clusters) -like morphological structure with respect to the substrate.
前記CoThe Co 33 OO 44 結晶が表面に位置する前記カーボンナノチューブが、前記基板に対して、複数のカンチレバーシート(MCSs:multiple cantilever sheets)様の形態学的構造を有する、請求項1に記載の電極。The electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotubes having crystals located on the surface have a morphological structure like a plurality of cantilever sheets (MCSs) with respect to the substrate.
前記CoThe Co 33 OO 44 結晶が表面に位置する前記グラフェンシートが、前記基板に対して、薄シート(LSs:lamina sheets)様の形態学的構造を有する、請求項1に記載の電極。The electrode according to claim 1, wherein the graphene sheet on which the crystal is located has a morphological structure similar to that of a thin sheet (LSs: lamina sheets) with respect to the substrate.
発泡金属又はガラス状炭素からなる基板の存在下で、コバルト(II)塩と、尿素又はヘキサメチレンテトラミンと、カーボンナノチューブ又はグラフェンシートからなる支持体と、水とを含む水溶液を形成する工程;
前記水溶液を水熱処理する工程;
前記水熱処理する工程によって得られた前記基板上の生成物を洗浄し、乾燥させる工程;
前記基板上の生成物を焼成する工程、
を含む、上記方法。 The method for manufacturing the electrode according to any one of claims 1 to 6.
A step of forming an aqueous solution containing a cobalt (II) salt , urea or hexamethylenetetramine, a support made of carbon nanotubes or a graphene sheet, and water in the presence of a substrate made of metal foam or glassy carbon;
Step of the water solution to a hydrothermal treatment;
A step of washing and drying the product on the substrate obtained by the step of hydrothermal treatment ;
Step that forms baked product on the substrate,
The above method, including.
前記支持体がカーボンナノチューブである場合には、当該カーボンナノチューブの長手方向は前記基板の平面に対して垂直な方向となるように位置し、When the support is a carbon nanotube, the longitudinal direction of the carbon nanotube is positioned so as to be perpendicular to the plane of the substrate.
前記支持体がグラフェンシートである場合には、当該グラフェンシートの平面は前記基板の平面に対して垂直な方向となるように位置する、請求項7〜11のいずれか一項に記載の方法。The method according to any one of claims 7 to 11, wherein when the support is a graphene sheet, the plane of the graphene sheet is located so as to be in a direction perpendicular to the plane of the substrate.
前記水溶液中の前記尿素の質量は、前記コバルト(II)塩の質量よりも小さく、The mass of the urea in the aqueous solution is smaller than the mass of the cobalt (II) salt.
前記生成物は、前記基板に対して、トウモロコシ結節ペレット(CPs:corn tubercle pellets)様の形態学的構造を有する、請求項7〜15のいずれか一項に記載の方法。The method according to any one of claims 7 to 15, wherein the product has a corn tubercle pellets-like morphological structure with respect to the substrate.
前記水溶液中の前記尿素の質量は、前記コバルト(II)塩の質量よりも大きく、The mass of the urea in the aqueous solution is larger than the mass of the cobalt (II) salt.
前記生成物は、前記基板に対して、バナナクラスター(BCs:banana clusters)様の形態学的構造を有する、請求項7〜15のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 7 to 15, wherein the product has a banana cluster (BCs: banana clusters) -like morphological structure with respect to the substrate.
前記生成物は、前記基板に対して、複数のカンチレバーシート(MCSs:multiple cantilever sheets)様の形態学的構造を有する、請求項7〜15のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 7 to 15, wherein the product has a plurality of cantilever sheets (MCSs) -like morphological structures with respect to the substrate.
前記生成物は、前記基板に対して、薄シート(LSs:lamina sheets)様の形態学的構造を有する、請求項7〜15のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 7 to 15, wherein the product has a thin sheet (LSs: lamina sheets) -like morphological structure with respect to the substrate.
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