JP7842832B2 - 触媒電極、触媒電極の製造方法及び膜電極接合体 - Google Patents

触媒電極、触媒電極の製造方法及び膜電極接合体

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Description

本開示の実施例は触媒電極、触媒電極の製造方法及び膜電極接合体に関する。
水素エネルギーはクリーンエネルギーであり、長期的にエネルギー問題を解決するための有力な代替エネルギーの１つとして注目を浴びている。水素生産方式のうち電気エネルギーを利用して水を水素と酸素に分離し、二酸化炭素を排出しない水電解方式は環境にやさしいため、多くの関心が集まっており、カーボンニュートラルの達成に大きく寄与できると予想される。
一方、水電解反応には酸素発生反応（Ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＥＲ）と水素発生反応（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＨＥＲ）があり、酸素発生反応及び水素発生反応は下記化学式１の通りである。ここで、ＯＥＲは酸素発生電極で発生し、ＨＥＲは水素発生電極で発生する。
［化１］
酸素発生反応：２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ－
水素発生反応：４Ｈ＋＋４ｅ－→２Ｈ２
全体反応：２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２
特に、上記水電解反応において、水素発生反応より酸素発生反応時の遅い反応速度により理論的な酸素発生反応電圧より高い過電圧（Ｏｖｅｒｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が発生するため、水電解システムの性能向上のためには多くの過電圧を必要とする酸素発生反応の反応過電圧を下げる高効率の触媒の開発が求められる。
本開示の実施例は酸素発生反応の性能が向上した触媒電極、触媒電極の製造方法及び膜電極接合体を提供することができる。
本開示の実施例による触媒電極は、金属層と、上記金属層上に形成された触媒層と、を含み、上記触媒層は銀及びイリジウムを含む。
一実施形態では、触媒電極は、触媒層中に０．０２ｍｇ／ｃｍ２～０．８ｍｇ／ｃｍ２の範囲の担持量でイリジウムを含む。
一実施例において、上記触媒層に含まれた銀及びイリジウムの少なくとも一部は互いに化学的に結合することができる。
一実施例において、上記金属層は、金属メッシュ、金属フォーム（ｆｏａｍ）、金属ホイル、金属フェルト、及び金属繊維からなる群より選択される１つ以上を含んでもよい。
一実施例において、上記金属層は、チタン、ニッケル、及びステンレススチールからなる群より選択される１つ以上の金属または金属合金を含んでもよい。
一実施例において、上記触媒層は上記銀を含み、上記金属層と接触する第１層と、上記イリジウムを含み、上記第１層上に形成される第２層と、を含んでもよい。
一実施例において、上記第１層に含まれた銀の少なくとも一部は上記金属層の金属と化学的に結合することができる。
一実施例において、上記触媒層はバインダーを含まなくてもよい。
本開示の実施例による触媒電極の製造方法は、金属基板に銀及びイリジウムをコーティングする段階を含む。
一実施例において、上記金属基板に銀及びイリジウムをコーティングする段階は、銀イオンを含む銀前駆体溶液に上記金属基板を投入することにより、上記金属基板上に銀を含む第１層を形成する段階と、イリジウムイオンを含むイリジウム前駆体溶液に上記第１層が形成された金属基板を投入することにより、上記第１層上にイリジウムを含む第２層を形成する段階と、を含んでもよい。
一実施例において、上記第１層を形成する段階は上記第１層がコーティングされた基板を熱処理する段階を含んでもよい。
一実施形態では、第１層でコーティングされた基板を熱処理する工程は、１００℃～９００℃の温度で１０分～１０時間行われる。
一実施例において、上記第２層を形成する段階は上記第２層がコーティングされた基板を熱処理する段階を含んでもよい。
一実施形態では、第２の層がコーティングされた基板を熱処理する工程は、１００℃～９００℃の温度で１０分～１０時間行われる。
一実施例において、上記触媒電極の製造方法は、上記金属基板に銀及びイリジウムをコーティングする段階の前に、上記金属基板を酸処理する段階をさらに含んでもよい。
一実施形態では、銀前駆体溶液は、硝酸銀、酢酸銀、硫酸銀、過塩素酸銀、銀アセチルアセトネート、および銀メタンスルホン酸塩からなる群から選択される１つ以上の銀前駆体を含み、および／またはイリジウム前駆体溶液は、塩化イリジウム、塩化イリジウム水和物、臭化イリジウム、イリジウムアセチルアセトネート、ヘキサクロロイリジウム酸、ヘキサクロロイリジウム酸ナトリウム、およびヘキサクロロイリジウム酸カリウムからなる群から選択される１つ以上のイリジウム前駆体を含み、好ましくはイリジウム塩化物水和物を含む。
本開示の実施例による膜電極接合体は、電解質膜と、上記電解質膜の一面に位置するアノードと、上記電解質膜の他の一面に位置するカソードと、を含み、上記アノードは金属層と、上記金属層上に形成され、銀及びイリジウムを含む触媒層と、を含む。
本発明はさらに、水電解装置または燃料電池に組み込むための触媒電極の使用を提供する。
本開示によれば、ＯＥＲ性能が向上した触媒電極、触媒電極の製造方法、および膜電極アセンブリを提供することができる。
本開示によると、酸素発生反応の性能が向上した触媒電極、触媒電極の製造方法及び膜電極接合体を提供することができる。
本開示の一実施例による触媒電極を説明するための図である。 本開示の一実施例による触媒電極の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図２のＳ１１０動作をより詳細に説明するための図である。 図２のＳ１２０動作をより詳細に説明するための図である。 図２による触媒電極の製造方法によって製造された触媒電極を説明するための図である。 本開示の一実施例による触媒電極のＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）マッピングイメージである。 本開示の一実施例及び比較例による触媒電極のＸＲＤ（Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分析結果を示すグラフである。 本開示の一実施例及び比較例による触媒電極のＸＰＳ（Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析結果を示すグラフである。 本開示の一実施例及び比較例による触媒電極に対して、ＩＣＰ－ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析を行って測定されたイリジウム金属の担持量を示すグラフである。 本開示の一実施例及び比較例による触媒電極の酸素発生反応の性能を示すグラフである。
本明細書または出願に開示されている実施例に対する構造的または機能的説明は本発明の技術的思想による実施例を説明する目的でのみ例示されており、本発明の技術的思想による実施例は本明細書または出願に開示されている実施例の他にも様々な形態で実施することができ、本発明の技術的思想は本明細書または出願に説明されている実施例に限定されると解釈されない。
以下、本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。しかしながら、当業者であれば、添付図面を参照して説明したこのような実施形態は、本発明の精神をさらに理解するために提供されたものであり、詳細な説明および添付の特許請求の範囲に開示されている保護対象を制限するものではないことを理解するであろう。
さらに、本開示全体を通じて、特に明記しない限り、「含む」、「含む」、「含有する」または「有する」という語は、他の構成要素の排除を意味するものではなく、他の構成要素をさらに含むことを意味し、さらに列挙されていない要素、材料、またはプロセスは排除されない。
文脈が明確に別段のことを示さない限り、本明細書で使用される用語の単数形は、複数形を含むものと解釈され得る。本明細書で使用される場合、「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」の単数形は、文脈が明確に別段のことを示さない限り、複数の指示対象を含む。
本開示で使用される数値範囲は、下限値と上限値を含む範囲内のすべての値、ある形式で論理的に導き出され、定義された範囲内に及ぶ増分、すべての二重制限値、および異なる形式で定義された数値範囲内の上限値と下限値のすべての可能な組み合わせを含む。例として、組成物の含有量が１０％～８０％または２０％～５０％であると定義されている場合、１０％～５０％または５０％～８０％の数値範囲も本開示の明細書に記載されていると解釈されるべきである。本開示で別途定義されていない限り、実験誤差または値の切り捨てにより数値範囲外になる可能性がある値も、定義された数値範囲に含まれる。
本開示の目的上、特に示されていない限り、本開示で使用される成分の量、反応条件、寸法、物理的特性などを表すすべての数値は、すべての場合において用語「約」によって修飾されていると理解されるべきである。以下、本開示において特に定義されていない限り、「約」は、記載された値の ３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、５％、３％、２％、１％、０．５％、０．１％、０．０５％、または ０．０１％ 以内の値とみなされる。反対の指示がない限り、本開示で説明される数値パラメータは、本発明によって得られることが求められる所望の特性に応じて変化する可能性がある近似値である。
本発明の広い範囲を説明する数値範囲およびパラメータは近似値であるにもかかわらず、特定の例で説明される数値は可能な限り正確に報告されている。しかし、いかなる数値も、それぞれの試験測定で見られる標準偏差から必然的に生じる一定の誤差を本質的に含んでいる。
触媒電極
本開示の一側面では、金属層及び上記金属層上に形成された触媒層を含み、上記触媒層は銀及びイリジウムを含む触媒電極が提供される。
図１は本開示の一実施例による触媒電極を説明するための図である。以下、図１を参照して本開示の実施例による触媒電極を説明する。
図１を参照すると、触媒電極１００は金属層１０及び触媒層２０を含む。
金属層１０は触媒金属が堆積される基板として機能することができ、一実施例では、金属層１０は金属メッシュ、金属フォーム（ｆｏａｍ）、金属ホイル、金属フェルト、及び金属繊維からなる群より選択される１つ以上を含むことができる。また、一実施例において、金属層１０はチタン、ニッケル、及びステンレススチールからなる群より選択される１つ以上の金属を含んでもよい。例えば、金属層はチタンメッシュを含むことができるが、これに限定されない。
触媒層２０は金属層１０上に形成され、銀及びイリジウムを含む。触媒層２０は、銀とイリジウムとを１つの層に含んでもよく、また、後述するように、銀とイリジウムとをそれぞれ別々の層に含んでもよい。実施例では、金属層１０に先ず銀がコーティングされた後、イリジウムがコーティングされることができる。一実施例では、触媒層２０は銀を含み金属層１０と接触する第１層と、イリジウムを含み第１層上に形成される第２層と、を含んでもよい。一実施例では、第１層に含まれた銀の少なくとも一部は金属層の金属と化学的に結合することができ、これにより、触媒電極１００の電子伝達性能及び耐久性が向上することができる。銀と金属層の金属との間の化学結合は金属結合であってもよい。
実施例では、触媒層２０に含まれた銀及びイリジウムの少なくとも一部は互いに化学的に結合することができる。銀とイリジウムの化学結合は金属結合である可能性がある。即ち、触媒層２０に含まれた銀及びイリジウムの少なくとも一部が互いに化学的に結合することにより、触媒層２０に含まれた銀及びイリジウムの少なくとも一部の電子構造が変更されることができる。触媒層２０に含まれた銀及びイリジウムの少なくとも一部の電子構造が変更されることにより、特に触媒層２０に含まれたイリジウムの少なくとも一部の電子構造が変更されることにより、触媒電極１００の酸素発生反応に対する活性が向上することができ、その結果、触媒電極１００の酸素発生性能が向上することができる。
実施例において、触媒層２０はバインダーを含まなくてもよい。金属層１０上に銀及びイリジウムが直接コーティングされてもよく、金属層１０と触媒層２０との間に化学的結合が形成され得るため、別のバインダーを用いなくても金属層１０上に触媒層２０が形成されることができる。
一般的に使用されているナフィオンバインダーはＰＦＡＳ（パーフルオロアルキル化合物）であり、環境問題を引き起こす可能性があり、電極反応中にナフィオンバインダーが劣化することで活性が低下し、耐久性が低下するという問題がある。また、バインダーを使用せずに触媒層を集電体（金属層）上に直接堆積させることができるため、集電体（金属層）と触媒層間の化学結合が増加し、電子伝達性および耐久性が向上する。
本開示の実施例による触媒電極１００は従来に使用されていた貴金属触媒電極に比べて少ない金属ローディング量だけでも、従来の貴金属触媒電極と比較して同等またはむしろ優れた酸素発生性能を有することができる。
本開示の実施例による触媒電極１００は水分解装置に含まれるか、燃料電池に含まれてもよいが、触媒電極１００の用途はこれに限定されない。
触媒電極の製造方法
本開示の他の側面では、金属基板に銀及びイリジウムをコーティングする段階を含む触媒電極の製造方法が提供される。
図２は本開示の一実施例による触媒電極の製造方法を説明するためのフローチャートである。以下、図２を参照して本開示の実施例による触媒電極の製造方法を説明する。
本開示の他の側面による触媒電極の製造方法は金属基板に銀及びイリジウムをコーティングする段階を含む。また、本開示の他の側面による触媒電極の製造方法は金属基板に銀及びイリジウムをコーティングする段階の前に、金属基板を酸処理する段階をさらに含んでもよい。金属基板は上述した金属層と同じ構成であってもよく、このため、一実施例において金属基板は金属メッシュ、金属フォーム（ｆｏａｍ）、金属ホイル、金属フェルト、及び金属繊維からなる群より選択される１つ以上を含んでもよく、一実施例において金属基板はチタン、ニッケル、及びステンレススチールからなる群より選択される１つ以上の金属を含んでもよい。
図２を参照すると、金属基板に銀及びイリジウムをコーティングする段階は、金属基板上に銀を含む第１層を形成する段階（Ｓ１１０動作）と、第１層上にイリジウムを含む第２層を形成する段階（Ｓ１２０動作）と、を含むことができる。
Ｓ１１０動作は銀イオンを含む銀前駆体溶液２００に金属基板１０を投入することで行うことができる（図３）。即ち、Ｓ１１０動作はディップコーティングにより行われることができる。これにより、イオン化エネルギーの高い銀を金属基板上に均一にコーティングすることができる。一実施例では、銀前駆体溶液は銀塩（ｓａｌｔ）を含んでもよい。例えば、銀前駆体溶液は硝酸銀、銀アセテート、硫酸銀、銀パークロレイト、銀アセチルアセトナート、銀メタンスルホナートからなる群より選択される１種以上を含むことができるが、これに限定されるものではない。また、一実施例では、銀前駆体溶液は溶媒として水、エタノールなどを含むことができるが、特定例に限定されない。堆積効率の観点から、水及びエタノールの混合溶媒を使用することもできる。
Ｓ１１０動作は第１層がコーティングされた基板を熱処理する段階をさらに含んでもよい。熱処理する段階は１００℃～９００℃の温度で、１０分～１０時間行われることができる。これにより、金属基板上にコーティングされた第１層内の銀が安定した金属相を有することができ、金属基板上の不純物が除去されることができる。
Ｓ１２０動作はイリジウムイオンを含むイリジウム前駆体溶液３００に第１層２１が形成された金属基板１０を投入することで行うことができる（図４）。即ち、Ｓ１２０動作はディップコーティングにより行われることができる。一実施例では、イリジウム前駆体溶液はイリジウム塩（ｓａｌｔ）を含んでもよい。例えば、イリジウム前駆体溶液は塩化イリジウム、塩化イリジウム水和物、臭化イリジウム、イリジウムアセチルアセトナート、ヘキサクロロイリド酸、ヘキサクロロイリデートナトリウム及びヘキサクロロイリデートカリウムからなる群より選択される１種以上を含んでもよいが、これに限定されるものではない。また、一実施例において、イリジウム前駆体溶液は溶媒として水、エタノールなどを含むことができるが、特定例に限定されない。堆積効率の観点から、水及びエタノールの混合溶媒を使用することもできる。
Ｓ１２０動作は第２層がコーティングされた基板を熱処理する段階をさらに含んでもよい。熱処理する段階は１００℃～９００℃の温度で、１０分～１０時間行われることができる。これにより、第１層上にコーティングされた第２層内のイリジウムが安定した金属相を有することができる。
これにより、図５に示すように金属層１０上に第１層２１及び第２層２２を含む触媒層２０が形成された触媒電極１００が製造されることができる。このように金属層１０上に先ず第１層２１を形成することにより、金属基板の金属が水電解反応中に酸化されることを最小化することができる。
膜電極接合体
本開示のさらに他の側面では、電解質膜と、上記電解質膜の一面に位置するアノードと、上記電解質膜の他の一面に位置するカソードと、を含み、上記アノードは金属層及び上記金属層上に形成され、銀及びイリジウムを含む触媒層を含む膜電極接合体が提供される。
本開示のさらに他の側面で提供される膜電極接合体は上述の触媒電極をアノードとして含んでもよい。即ち、アノードは金属層と、上記金属層上に形成され、銀及びイリジウムを含む触媒層と、を含むことができる。
また、本開示のさらに他の側面で提供される膜電極接合体はカソード触媒を含むカソードを含むことができ、カソード触媒は当業界で通常使用される物質であってもよい。例えば、カソード触媒は白金、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、パラジウム、白金－ルテニウム合金、白金－オスミウム合金、白金－パラジウム合金、及びそれらの酸化物からなる群より選択される１種の単一物または２種以上の混合物を用いてもよいが、これに限定されない。
また、本開示のさらに他の側面で提供される膜電極接合体は上記アノード及びカソードの間に配置される電解質膜を含むことができ、例えば、電解質膜はフッ素系高分子または炭化水素系高分子を含む高分子電解質膜であってもよいが、これに限定されない。
本開示のさらに他の側面で提供される膜電極接合体は水電解装置または燃料電池に含まれてもよい。
実施例
以下、実施例及び比較例に基づいて本開示による触媒電極、触媒電極の製造方法及び膜電極接合体をより具体的に説明する。ただし、以下の実施例及び比較例は本開示をより詳細に説明するための例示に過ぎず、本開示は以下の実施例及び比較例によって限定されるものではない。
＜実施例１＞－Ｉｒ－Ａｇ／Ｔｉ電極の製造
蒸留水／エタノール（体積比１：１）の混合溶液に硝酸銀（Ｓｉｌｍｅｒ ｎｉｔｒａｔｅ、Ｓｉｇｍａ）を加えた後、完全に溶解するまで超音波処理及び撹拌して１００ｍＭ濃度の銀前駆体溶液を調製した。
このように調製された銀前駆体溶液にシュウ酸（１０ｗｔ％）で酸処理されたチタンメッシュを投入することによりディップコーティングした後、ホットプレートで８０℃で乾燥させる過程を３回繰り返した。その後、３００℃で１時間熱処理する過程を通じて銀がコーティングされたチタン電極が製造された。
また、蒸留水／エタノール（体積比１：１）の混合溶媒に塩化イリジウム水和物（Ｉｒｉｄｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｈｙｄｒａｔｅ、Ｓｉｇｍａ）を加えた後、完全に溶解するまで超音波処理及び撹拌して６．７ｍＭ濃度のイリジウム前駆体溶液を調製した。
このように調製されたイリジウム前駆体溶液に銀がコーティングされたチタン電極を投入することによりディップコーティングした後、ホットプレートで８０℃で乾燥させる過程を３回繰り返した。その後、３００℃で１時間熱処理する過程を通じて銀及びイリジウムがコーティングされたＩｒ－Ａｇ／Ｔｉ電極が製造された。
＜比較例１＞－Ｉｒ／Ｔｉ電極の準備
チタンメッシュを銀前駆体溶液に投入する工程を行わないことを除いては、実施例１と同じ方法で電極を製造した。
＜比較例２＞－Ａｇ／Ｔｉ電極の準備
チタンメッシュをイリジウム前駆体溶液に投入する工程を行わないことを除いては、実施例１と同じ方法で電極を製造した。
＜比較例３＞－ＩｒＯ２電極の準備
常用の酸化極触媒であるＩｒＯ２ ｂｌａｃｋ（重量１００％、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）を用意した。
＜実験例１＞－実施例１の電極のモルフォロジー分析
ＥＤＳ検出器を備えた走査電子顕微鏡（Ａｐｒｅｏ）を用いて、実施例１の電極に対するＥＤＳマッピング分析結果を取得し、これを図６に示した。
図６を参照すると、実施例１の電極のチタンメッシュ上にイリジウム及び銀が同時に存在することが確認でき、イリジウム及び銀がともにチタンメッシュ全体にわたって均一に堆積されていることを確認することができる。
＜実験例２＞－電極内触媒層の堆積特性の分析
実施例１、比較例１、比較例２の電極に対してＸ線回折分析法（Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ＸＲＤ；ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ）を用いて金属結晶面を確認した。このとき、Ｃｕ Ｋα線を用いて４０ｋＶ及び１００ｍＡで測定し、０．０１°の間隔で分当たり６°の走査速度で１０～８０°の範囲だけ測定し、その結果を図７に示した。
図７を参照すると、比較例１の電極のＸＲＤ分析結果ではイリジウムピークが観察され、比較例２の電極のＸＲＤ分析結果では銀ピークが観察された。一方、実施例１の電極では銀に対するピークのみが確認され、イリジウムのピークは非常に小さくて観察しにくい。ただし、実験例１における分析結果と実験例２のＸＲＤ分析結果をまとめると、イリジウムが非常に小さいサイズで均等に分布するため、ＸＲＤ分析時にイリジウムピークが確認しにくいことが分かる。
また、実施例１及び比較例１の電極に対してＸ線光電子分光法（Ｘ－ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＸＰＳ）により電極表面に存在する金属の電子構造を確認し、その結果を図８に示した。
図８を参照すると、実施例１の電極及び比較例１の電極のイリジウムメインピークを確認したところ、実施例１のピークは比較例１のピークと比較して右側に移動しており、実施例１の電極の触媒層にイリジウムの他に銀がさらに存在することを推定することができ、銀の存在によってイリジウムの電子構造が変更されたことが分かる。
また、実施例１及び比較例３の電極に対して誘導結合プラズマ質量分析法（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ａｔｏｍｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＩＣＰ－ＡＥＳ、ＮｅｘＩＯＮ ３００Ｘ）を活用して製造された電極の触媒層にそれぞれ存在するイリジウムの含量（ｗｔ％）を求め、その結果を図１０に示した。
図９を参照すると、実施例１の電極の触媒層に存在するイリジウムの含量は０．１ｍｇ／ｃｍ２水準で、１．７ｍｇ／ｃｍ２水準のイリジウム含量を有する比較例３の電極に比べて活性金属であるイリジウムのローディング量が著しく低いことを確認することができる。実施例１の電極は著しく低いイリジウムローディング量にもかかわらず、後述するように比較例３の電極と比較してむしろ優れた活性を有することができる。
＜実験例３＞－電極の電気化学的特性の評価
実施例１、比較例１、比較例２及び比較例３の電極を作用電極（ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）に、Ａｇ／ＡｇＣｌ（ｓａｔ．３Ｍ ＫＣｌ）を基準電極（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）に、グラファイトロッド（ｇｒａｐｈｉｔｅ ｒｏｄ）を対電極（ｃｏｕｎｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）に使用して、実施例１、比較例１、比較例２、及び比較例３の電極に対して酸素発生反応の分極を測定した。各電極は０．５ＭのＨ２ＳＯ４酸性溶液に投入し、１０ｍＶ／ｓの走査速度（ｓｃａｎ ｒａｔｅ）及び常温条件で酸素発生反応を行った。
酸素発生反応に対する分極結果を図１０及び以下の表１に示しており、このとき、全ての測定値は「ｖｓ ＲＨＥ（ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）」で表現した。
図１０及び表１を参照すると、電流密度１０ｍＡｃｍ－２基準酸素発生反応の性能は、実施例１、比較例３、比較例１、比較例２の順に活性に優れることが分かる。
実施例１は１０ｍＡｃｍ－２に該当する電流密度値を得るために２８７ｍＶだけの過電圧が必要とされ、これは比較例３に比べて１５ｍＶ、比較例１に比べて５３ｍＶ小さい値である。
上述の実施例１のＩＣＰ分析結果で確認したように、実施例１は比較例３に比べて著しく低い触媒金属ローディング量を有するにもかかわらず、むしろ酸素発生性能は比較例３に比べて優れることが分かる。
即ち、実施例１の電極はチタンメッシュ上にイリジウム及び銀が同時に堆積され、互いに相互作用することにより活性金属であるイリジウムの電子構造が変更されることで酸素発生性能が著しく向上したと予想することができる。

Claims (14)

  1. 金属層と、
    前記金属層上に形成された触媒層と、を含み、
    前記触媒層は、
    銀及びイリジウムを含み、
    前記触媒層は、
    前記銀を含み、前記金属層と接触する第１層と、
    前記イリジウムを含み、前記第１層上に形成される第２層と、を含み、
    前記第２層に含まれるイリジウムは金属相を有する、酸素発生反応用の触媒電極。
  2. 前記触媒層に含まれた銀及びイリジウムの少なくとも一部は、
    互いに化学的に結合する、請求項１に記載の触媒電極。
  3. 請求項１に記載の触媒電極であって、触媒層中にイリジウムが０．０２～０．８ｍｇ／ｃｍ２の担持量で含まれることを特徴とする触媒電極。
  4. 前記金属層は、
    金属メッシュ、金属フォーム（ｆｏａｍ）、金属ホイル、金属フェルト、及び金属繊維からなる群より選択される１つ以上を含む、請求項１に記載の触媒電極。
  5. 前記金属層は、
    チタン、ニッケル、及びステンレススチールからなる群より選択される１つ以上の金属を含む、請求項４に記載の触媒電極。
  6. 前記第１層に含まれた銀の少なくとも一部は、
    前記金属層の金属と化学的に結合する、請求項１に記載の触媒電極。
  7. 前記触媒層は、
    バインダーを含まない、請求項１に記載の触媒電極。
  8. 金属基板に銀及びイリジウムをコーティングする段階を含み、
    前記金属基板に銀及びイリジウムをコーティングする段階は、
    銀イオンを含む銀前駆体溶液に前記金属基板を投入することにより、前記金属基板上に銀を含む第１層を形成する段階と、
    イリジウムイオンを含むイリジウム前駆体溶液に前記第１層が形成された金属基板を投入することにより、前記第１層上に金属相のイリジウムを含む第２層を形成する段階と、を含む、酸素発生反応用の触媒電極の製造方法。
  9. 前記第１層を形成する段階は、
    前記第１層がコーティングされた基板を熱処理する段階を含む、請求項８に記載の触媒電極の製造方法。
  10. 前記第２層を形成する段階は、
    前記第２層がコーティングされた基板を熱処理する段階を含む、請求項８に記載の触媒電極の製造方法。
  11. 前記金属基板に銀及びイリジウムをコーティングする段階の前に、
    前記金属基板を酸処理する段階をさらに含む、請求項８から１０のいずれか一項に記載の触媒電極の製造方法。
  12. 前記銀前駆体溶液は、硝酸銀、酢酸銀、硫酸銀、過塩素酸銀、銀アセチルアセトネートおよび銀メタンスルホン酸塩からなる群から選択される少なくとも１つの銀前駆体を含み、および／またはイリジウム前駆体溶液は、塩化イリジウム水和物、臭化イリジウム、イリジウムアセチルアセトネート、ヘキサクロロイリジウム酸、ヘキサクロロイリジウム酸ナトリウム、およびヘキサクロロイリジウム酸カリウムからなる群から選択される少なくとも１種のイリジウム前駆体を含む、請求項８に記載の方法。
  13. 電解質膜と、
    前記電解質膜の一面に位置するアノードと、
    前記電解質膜の他の一面に位置するカソードと、を含み、
    前記アノードは、
    金属層と、
    前記金属層上に形成され、銀及びイリジウムを含む触媒層と、を含み、
    前記触媒層は、
    前記銀を含み、前記金属層と接触する第１層と、
    前記イリジウムを含み、前記第１層上に形成される第２層と、を含み、
    前記第２層に含まれるイリジウムは金属相を有する、酸素発生反応用の膜電極接合体。
  14. 請求項１から６のいずれかに記載の触媒電極を水電解装置または燃料電池に組み込むための使用。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019510885A (ja) 2016-04-07 2019-04-18 コベストロ、ドイチュラント、アクチエンゲゼルシャフトＣｏｖｅｓｔｒｏ Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ Ａｇ クロルアルカリ電気分解用の二機能性電極および電気分解デバイス
JP2019151870A (ja) 2018-03-01 2019-09-12 株式会社豊田中央研究所 酸素発生電極、酸素発生デバイス及び酸素発生電極の製造方法
CN114457368A (zh) 2022-03-08 2022-05-10 昆明冶金研究院有限公司 一种锌电积用涂层钛阳极及其制备方法
WO2023068246A1 (ja) 2021-10-20 2023-04-27 東レ株式会社 膜電極接合体および水電解装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITRM20130146A1 (it) * 2013-03-12 2014-09-13 Stefano Guarino Elettrodeposizione su schiume metalliche
US20190329234A1 (en) * 2016-12-01 2019-10-31 Basf Corporation Catalytic metal fiber felt and articles made therefrom
WO2020116651A1 (ja) 2018-12-07 2020-06-11 Ａｇｃ株式会社 ペルフルオロポリマー、液状組成物、固体高分子電解質膜、膜電極接合体および固体高分子形水電解装置
KR102499949B1 (ko) * 2021-02-02 2023-02-17 성균관대학교산학협력단 수전해용 전극 촉매 및 이의 제조 방법
CN113279006B (zh) * 2021-04-27 2022-05-31 大连理工大学 一种气体扩散电极、制备方法及其应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019510885A (ja) 2016-04-07 2019-04-18 コベストロ、ドイチュラント、アクチエンゲゼルシャフトＣｏｖｅｓｔｒｏ Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ Ａｇ クロルアルカリ電気分解用の二機能性電極および電気分解デバイス
JP2019151870A (ja) 2018-03-01 2019-09-12 株式会社豊田中央研究所 酸素発生電極、酸素発生デバイス及び酸素発生電極の製造方法
WO2023068246A1 (ja) 2021-10-20 2023-04-27 東レ株式会社 膜電極接合体および水電解装置
CN114457368A (zh) 2022-03-08 2022-05-10 昆明冶金研究院有限公司 一种锌电积用涂层钛阳极及其制备方法

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