JP6987383B2 - 金属空気電池用正極触媒及び金属空気電池 - Google Patents
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Description
(正極)
充電反応(酸素発生反応):4OH−→O2+2H2O+4e− ・・・(1)
放電反応(酸素還元反応):O2+2H2O+4e−→4OH− ・・・(2)
(負極)
充電反応:ZnO+H2O+2e−→Zn+2OH− ・・・(3)
放電反応:Zn+2OH−→ZnO+H2O+2e− ・・・(4)
本実施の形態に係る金属空気電池用正極触媒は、一般式(BazSr1−z)2CoxFe2−2x(SiyGe1−y)1+xO7(式中、0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1)で表されるメリライト型複合酸化物を備える。ここで、Co2+、Fe3+、Si4+及びGe4+の原子数の総和は、Ba及びSrの原子数の総和に対し3/2である。また、Co2+、Fe3+、Si4+及びGe4+の電荷の総和は+10となるように設計する。これにより、メリライト型複合酸化物相を形成することができる。
メリライト型複合酸化物の製造方法としては、特に限定されるものではなく、セラミックス材料の各種製造方法を用いることができる。例えば、錯体重合法や水熱合成法等の液相法、焼結法等の固相法等を用いることができる。このうち、液相法は、低温焼成でも化学的に均一性の高い粒子を得ることができ、その結果として小粒径・高比表面積でより高いORR活性及びOER活性を示す正極触媒を得ることができる。
溶液調製工程は、金属源を、目的生成物中に含まれる金属の化学量論比と同様になるよう純水に添加し溶解し、クエン酸を加えて均一になるよう撹拌し、原料溶液を得る工程である。
ゲル化工程は、原料溶液を加熱濃縮してクエン酸ゲルを製造する工程である。
前駆体調製工程は、クエン酸ゲルに熱処理を施すことよって有機分を分解させることで、粉体の前駆体を得る工程である。
必須の態様ではないが、粉砕工程は、前駆体調製工程で得られた紛体の前駆体を粉砕する工程である。
焼成工程は、前駆体を焼成する工程である。
本実施の形態に係る金属空気電池は、上述した正極触媒を備えることを特徴とするものである。そして、このような金属空気電池は、充放電特性が高く、また、耐久性が高い。
(実施例1〜33)
以下に示す方法により、正極触媒としての試料を調製した。原料としては、以下のものを用いた。
Ba源:Ba(CH3COO)2(純度99.9%,和光純薬工業)
Sr源:SrNO3(純度99.5%,和光純薬工業)
Co源:Co(CH3COO)2・4H2O(純度99%,和光純薬工業)
Fe源:Fe(NO3)3・9H2O(純度99.9%,和光純薬工業)
Si源:C8H2O4Si(97%,東京化成工業)
Ge源:GeO2(99.99%,高純度化学研究所)
La源:La(NO3)3・6H2O(99.9%,和光純薬工業)
Ca源:Ca(NO3)2・4H2O(99.9%,和光純薬工業)
ゲル化剤:くえん酸C6H8O7(純度98%,和光純薬工業)
目的生成物が2mmolとなるように、目的生成物の金属イオンの化学両論比と同様の仕込み比で各金属源を純水に溶解し、クエン酸を総カチオン量の3倍モル量加えて均一な溶液となるよう撹拌し混合した。混合した原料溶液を120℃に設定した恒温槽に静置し、加熱濃縮した。流動性を失いゲル状となった過飽和のクエン酸ゲルに450℃で熱処理によって、有機分を分解して粉体の前駆体を得た。このようにして得た前駆体を粉砕し、ボックス炉を用いて大気中1000℃で12時間焼成した。
目的生成物が2mmolとなるように、目的生成物の金属イオンの化学両論比と同様の仕込み比で各金属源を純水に溶解し、クエン酸を総カチオン量の3倍モル量加えて均一な溶液となるよう撹拌し混合した。混合した原料溶液を120℃に設定した恒温槽に静置し、加熱濃縮した。流動性を失いゲル状となった過飽和のクエン酸ゲルに450℃で熱処理を施し、有機分を分解して粉体の前駆体を得た。このようにして得た前駆体を粉砕し、ボックス炉を用いて大気中1000℃で12時間焼成した。
実施例6の試料0.15gを、4Mに調整したKOH水溶液5mLに浸漬し、室温(25℃)、40℃又は60℃でそれぞれ24時間静置した。静置後の水溶液の色を目視で確認した。図2は、実施例6の試料のKOH水溶液浸漬前後の水溶液の写真である。
対流ボルタンメトリー(Rotating Disk Electrode,RDE) 法により、実施例1〜33の試料のORR活性及びOER活性の評価を行った。回転電極装置(RRDE−3A,BAS製)の作用電極を1600rpmで回転させ、ポテンショスタット(HZ−7000,北斗電工製又はVersaSTAT4,METEK製)と接続し、電解液に4MのKOH水溶液を用い、サイクリックボルタンメトリー(CV)測定を行った。電極としては、以下のものを使用した。
作用電極(WE):5mmφガラス状カーボン(グラッシーカーボン,GC)電極
対電極(CE):コイル状白金(Pt)電極
参照電極(RE):アルカリ用参照電極(Hg/HgO/4M KOH)
カーボンの前処理として、アセチレンブラック(Acetylene carbon black,99.99%,STREM CHEMICALS)を硝酸中で30分間超音波分散させた後、80℃で一晩加熱撹拌子し、ろ過乾燥後、粉砕した。
5%ナフィオン(商標登録)分散液(和光純薬工業)を水酸化ナトリウム・エタノール(EtOH)溶液で中和し、得られた中和液とエタノールを3:47の体積比で混合してインク用溶媒とした。
サンプル瓶にインク用溶媒:アセチレンブラック:触媒(酸化物試料)=5mL:10mg:50mgの比で入れ、超音波分散させた。
超純水とEtOHで洗浄したグラッシーカーボンにインクを20μL滴下し(触媒量:0.2mg)、完全に乾燥させた。
サイクリックボルタンメトリー測定は以下の手順に従って、適時アルゴンまたは酸素ガスフローを行った後に開始した。測定条件は以下の通りである。
(1)クリーニング(cleaning)測定(in Ar)
0.176V〜−0.324V vs.Hg/HgO,50mV/s,
30cycles
(2)バックグラウンド(BG)測定(in Ar)
0.176V〜−0.324V vs Hg/HgO,1mV/s,
3cycles
(3)O2バブリング
(4)ORR測定(in O2)
0.176V〜−0.324V vs Hg/HgO,1mV/s,
3cycles
(5)OER測定
0.176V〜0.776V vs Hg/HgO,1mV/s,
3cycles
2 負極
3 電解質
10 金属空気電極
Claims (8)
- 一般式(BazSr1−z)2CoxFe2−2x(SiyGe1−y)1+xO7(式中、0<x<1,0≦y≦1,0≦z≦1)で表されるメリライト型複合酸化物を備える
金属空気電池用正極触媒。 - 前記メリライト型複合酸化物は、前記一般式中、0.5≦x≦0.9である
請求項1に記載の金属空気電池用正極触媒。 - 前記メリライト型複合酸化物は、前記一般式中、0≦y≦0.1である
請求項2に記載の金属空気電池用正極触媒。 - 前記メリライト型複合酸化物は、前記一般式中、0<y<1である
請求項1に記載の金属空気電池用正極触媒。 - 前記メリライト型複合酸化物は、比表面積が0.5m2/g以上10m2/g以下である
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の金属空気電池用正極触媒。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の金属空気電池用正極触媒を備える
金属空気電池。 - 前記金属空気電池用正極触媒がアルカリ溶液に浸漬されて構成される
請求項6に記載の金属空気電池。 - 4MのKOH水溶液中で測定した酸素発生反応の測定したTafel勾配は、55mV・dec−1以下である
請求項6又は7に記載の金属空気電池。
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