JPH08269762A - Catalytic electrode for oxidation of water and its production - Google Patents

Catalytic electrode for oxidation of water and its production

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JPH08269762A
JPH08269762A JP9302095A JP9302095A JPH08269762A JP H08269762 A JPH08269762 A JP H08269762A JP 9302095 A JP9302095 A JP 9302095A JP 9302095 A JP9302095 A JP 9302095A JP H08269762 A JPH08269762 A JP H08269762A
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JP
Japan
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component
electrode
water
metal
metal complex
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Inventor
Masao Kaneko
正夫 金子
Yoichi Yamashita
洋市 山下
Kiyohide Yoshida
清英 吉田
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Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: To attain the oxidation of water at low oxidation potential by using a specified metallic component, a specified metallic complex component and a specified carrying method when a metallic component and a metallic complex component are carried on the surface of a substrate to obtain a catalytic electrode for oxidation of water. CONSTITUTION: A metallic component used for an electrode is one or more kinds of elements and/or oxides selected from among group VIII elements of the Periodic Table and their oxides and a metallic complex component is a water oxidation catalyst. The components are carried as a mixture or in a separate state on a carrier made of a polymer film, clay or an interlaminar compd. and formed in a layer shape on at least a part of an electrode substrate. The metallic component is preferably one selected from among Ru, Pt and Ir, the metallic complex component consists preferably of Ru or Mn and an N-contg. ligand and the weight ratio between the metallic component and the metallic complex component is (10-10<5> ):1.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、水の分解に用いられる
電極に関し、詳しくは低い酸化電位で水を酸化できる水
の酸化用触媒電極及びそれを製造する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrode used for decomposing water, and more particularly to a catalyst for oxidizing water which can oxidize water at a low oxidation potential and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
水の電気分解などで用いられる水の酸化用電極として、
白金等の貴金属や金属酸化物(RuO2 、IrO2 、P
bO2 、フェライト等)、黒鉛等が用いられてきた(化
学便覧、応用化学編I、p.200 、丸善(1986))。水
の分解効率を上げるためには、種々の努力がなされてい
る。その一つとして、金属錯体などの水の酸化触媒を用
いることが考えられる。しかし、電極上に直接酸化触媒
を設けても、逆に電極への電子移動の妨げとなり、水の
分解効率が低下することを本発明者らが確認している。
2. Description of the Related Art
As an electrode for oxidation of water used in electrolysis of water, etc.
Noble metals such as platinum and metal oxides (RuO 2 , IrO 2 , P
bO 2 , ferrite, etc.), graphite, etc. have been used (Chemical Handbook, Applied Chemistry I, p. 200, Maruzen (1986)). Various efforts have been made to increase the efficiency of water decomposition. As one of them, it is conceivable to use a water oxidation catalyst such as a metal complex. However, the present inventors have confirmed that even if an oxidation catalyst is directly provided on the electrode, the transfer of electrons to the electrode is hindered, and the water decomposition efficiency is reduced.

【0003】一方、人工光合成の場合、光触媒半導体か
らなる水の酸化電極上に水の酸化触媒を設けると、光照
射を妨げるだけでなく、上記理由で水の分解効率の改善
が得られない。水分解の効率を向上させるためには光照
射を妨げることなく、かつ光励起系から供給される正孔
を酸化用電極に効率よく移動し、しかる後に電極表面で
できるだけ過電圧が低い条件で水を酸化することが必要
とされている。
On the other hand, in the case of artificial photosynthesis, if a water oxidation catalyst is provided on a water oxidation electrode composed of a photocatalytic semiconductor, not only does light irradiation be prevented, but the improvement of water decomposition efficiency cannot be obtained for the above-mentioned reasons. In order to improve the efficiency of water decomposition, holes supplied from the photoexcitation system are efficiently transferred to the oxidation electrode without hindering light irradiation, and then water is oxidized on the electrode surface under conditions where the overvoltage is as low as possible. There is a need to

【0004】つまり、水の酸化特性を有し、かつ効率良
く電子を受容できる電極、いわゆる水の酸化電位の低い
酸化電極が求められている。
That is, there is a demand for an electrode having water oxidation characteristics and capable of efficiently receiving electrons, that is, an oxidation electrode having a low water oxidation potential.

【0005】従って、本発明の目的は、低い酸化電位で
水を酸化できる水の酸化用触媒電極及びそれを製造する
方法を提供することである。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a water oxidation catalyst electrode capable of oxidizing water at a low oxidation potential and a method for producing the same.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記の課題に鑑み鋭意研
究の結果、本発明者らは、金属及び/又は金属酸化物と
水の酸化触媒である金属錯体とを電極基板に担持するこ
とにより、低い酸化電位の酸化電極が得られることを発
見し、本発明を完成した。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors have found that a metal and / or metal oxide and a metal complex which is an oxidation catalyst for water are supported on an electrode substrate. It was discovered that an oxidation electrode having a low oxidation potential was obtained, and the present invention was completed.

【0007】すなわち、本発明の水の酸化用触媒電極
は、電極基板の表面に金属成分と、金属錯体成分とを担
持してなり、前記金属成分は元素周期表の第8族の元素
及びそれらの酸化物からなる群より選ばれた一種以上の
元素及び/又は酸化物であり、前記金属錯体成分は水を
酸化する触媒であることを特徴とする。
That is, the catalyst electrode for oxidizing water of the present invention has a metal component and a metal complex component supported on the surface of an electrode substrate, and the metal component is an element belonging to Group 8 of the periodic table and a metal component thereof. And / or an oxide selected from the group consisting of oxides of the above, wherein the metal complex component is a catalyst for oxidizing water.

【0008】また、電極基板の表面に元素周期表の第8
族の元素及びそれらの酸化物からなる群より選ばれた一
種以上の元素及び/又は化合物からなる金属成分と、水
を酸化する触媒である金属錯体成分とを担持してなる水
の酸化用触媒電極を製造する本発明の第一の方法は、前
記金属成分と前記金属錯体成分とを混合した後、前記電
極基板状に薄膜を形成することを特徴とする。
[0008] In addition, the surface of the electrode substrate has an eighth element of the periodic table.
For oxidizing water, comprising a metal component comprising at least one element and / or compound selected from the group consisting of group III elements and their oxides, and a metal complex component which is a catalyst for oxidizing water. A first method of the present invention for producing an electrode is characterized in that a thin film is formed on the electrode substrate after mixing the metal component and the metal complex component.

【0009】さらに、電極基板の表面に元素周期表の第
8族の元素及びそれらの酸化物からなる群より選ばれた
一種以上の元素及び/又は化合物からなる金属成分と、
水を酸化する触媒である金属錯体成分とを担持してなる
水の酸化用触媒電極を製造する本発明の第二の方法は、
前記金属成分を前記電極基板上で薄膜状に形成した後、
前記金属錯体成分を前記金属成分層上に薄膜状に形成す
ることを特徴とする。
Further, a metal component comprising at least one element and / or compound selected from the group consisting of elements of Group VIII of the periodic table and their oxides on the surface of the electrode substrate;
A second method of the present invention for producing a water oxidation catalyst electrode comprising a metal complex component that is a catalyst for oxidizing water,
After forming the metal component in a thin film on the electrode substrate,
The method is characterized in that the metal complex component is formed in a thin film on the metal component layer.

【0010】以下、本発明を詳細に説明する。 [1]水の酸化電極 本発明の水の酸化電極は電極基板に金属成分と金属錯体
成分とを担持してなる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. [1] Water Oxidation Electrode The water oxidation electrode of the present invention comprises a metal component and a metal complex component supported on an electrode substrate.

【0011】(a)電極基板 水の電気分解などに用いる場合、電極基板は白金等の貴
金属や金属酸化物(RuO2 、IrO2 、PbO2 、フ
ェライト等)、黒鉛、グラファイト等からなる。
(A) Electrode substrate When used for electrolysis of water, the electrode substrate is made of a noble metal such as platinum or a metal oxide (RuO 2 , IrO 2 , PbO 2 , ferrite, etc.), graphite, graphite or the like.

【0012】人工光合成用水の酸化電極である場合、電
極基板は光触媒である半導体からなる。具体的には、n
−Cds、n−CdSe、N−GaP等からなる電極基
板が挙げられる。
In the case of an oxidation electrode for artificial photosynthesis water, the electrode substrate is made of a semiconductor which is a photocatalyst. Specifically, n
An electrode substrate made of -Cds, n-CdSe, N-GaP, or the like.

【0013】(b)金属成分 金属成分は元素周期表の第8族の元素及びそれらの酸化
物からなる群より選ばれた一種以上の元素及び/又は酸
化物であり、好ましくはRu、Pt、Irのいずれか一
種以上の元素及び/又は酸化物であり、特に好ましくは
Ruの元素及び/又はその酸化物である。金属及び/又
はその酸化物は、2種類以上共存させて用いてもよい。
電極基板に上記金属成分を担持することにより、水の酸
化触媒と電極間に電子の移動を効率良く行うことができ
る。
(B) Metal component The metal component is one or more elements and / or oxides selected from the group consisting of Group 8 elements of the periodic table and their oxides, preferably Ru, Pt, Ir is at least one element and / or oxide, particularly preferably Ru element and / or oxide thereof. Two or more metals and / or oxides thereof may be used together.
By supporting the metal component on the electrode substrate, electrons can be efficiently transferred between the water oxidation catalyst and the electrode.

【0014】電極表面の担持面積に対する金属成分の担
持量は0.1〜20mg/cm2 が好ましく、0.5〜
10mg/cm2 がより好ましい。金属成分の担持量が
0.1mg/cm2 未満では、電子の移動効率の向上が
見られず、また金属成分の担持量が20mg/cm2
越えると、安定性が低下するため好ましくない。
The loading amount of the metal component with respect to the loading area of the electrode surface is preferably 0.1 to 20 mg / cm 2 , and 0.5 to 20 mg / cm 2.
10 mg / cm 2 is more preferred. If the supported amount of the metal component is less than 0.1 mg / cm 2 , the electron transfer efficiency is not improved, and if the supported amount of the metal component exceeds 20 mg / cm 2 , the stability is lowered, which is not preferable.

【0015】(c)金属錯体成分 金属錯体成分は、それ自身で水の酸化が可能な化合物で
ある。具体的には、ルテニウム、マンガン等と窒素含有
配位子とからなる錯体等が挙げられる。窒素含有配位子
として、2,2’−ビピリジン、アンミン、o−フェナ
ントロリン等が挙げられる。例えぱ、アンミン配位子型
Ru三核錯体(式1)、ペンタアンミンRu錯体(式
2)、テトラキス(2,2’−ビピリジン)−μ−オキ
ソ−ジルテニウム錯体(式3)、テトラキス(2,2’
−ビピリジン)−ジμ−オキソ−ジマンガン錯体(式
4)等が挙げられる。
(C) Metal complex component The metal complex component is a compound capable of oxidizing water by itself. Specific examples include a complex composed of ruthenium, manganese, or the like and a nitrogen-containing ligand. Examples of the nitrogen-containing ligand include 2,2′-bipyridine, ammine, o-phenanthroline and the like. For example, an ammine ligand type Ru trinuclear complex (formula 1), a pentaammine Ru complex (formula 2), a tetrakis (2,2′-bipyridine) -μ-oxo-ziruthenium complex (formula 3), a tetrakis ( 2,2 '
-Bipyridine) -di-oxo-dimanganese complex (formula 4).

【0016】[0016]

【式1】(Equation 1)

【0017】[0017]

【式2】(Equation 2)

【0018】[0018]

【式3】(Equation 3)

【0019】[0019]

【式4】(ただし、X- はアニオンを表す。)Formula 4 (where X represents an anion)

【0020】電極表面の担持面積に対する金属錯体成分
の担持量は0.001〜1mg/cm2 が好ましく、
0.01〜0.1mg/cm2 が特に好ましい。金属錯
体成分の担持量が0.001mg/cm2 未満では、水
の酸化効率の向上が見られず、また金属錯体成分の担持
量が1mg/cm2 を越えると、錯体の自己分解により
失活が起こるため好ましくない。人工光合成用電極の場
合、電極基板への光照射の妨げとならないために、金属
錯体成分の担持量は0.01〜0.1mg/cm2 が特
に好ましい。
The loading amount of the metal complex component with respect to the loading area of the electrode surface is preferably 0.001 to 1 mg / cm 2 ,
0.01 to 0.1 mg / cm 2 is particularly preferred. If the supported amount of the metal complex component is less than 0.001 mg / cm 2 , the oxidation efficiency of water is not improved, and if the supported amount of the metal complex component exceeds 1 mg / cm 2 , the complex is deactivated by self-decomposition. Undesirably occurs. In the case of an artificial photosynthesis electrode, the amount of the metal complex component to be carried is particularly preferably 0.01 to 0.1 mg / cm 2 so as not to hinder the irradiation of light to the electrode substrate.

【0021】金属成分と金属錯体成分との重量比は1
0:1〜105 :1とするのが好ましく、10:1〜1
4 :1とするのが特に好ましい。金属成分と金属錯体
成分との重量比が10:1未満では、かえって活性が低
下してしまい、また105 :1を越えると、やはり活性
が十分に付与されないため好ましくない。
The weight ratio between the metal component and the metal complex component is 1
It is preferably 0: 1 to 10 5 : 1 and 10: 1 to 1
It is particularly preferred that the ratio be 0 4 : 1. If the weight ratio of the metal component to the metal complex component is less than 10: 1, the activity is rather reduced. If the weight ratio exceeds 10 5 : 1, the activity is still not sufficiently imparted.

【0022】(d)水の酸化電極の形態 上記範囲内であれば、本発明の水の酸化電極が種々な形
態をとることができる。以下は例を挙げて本発明の形態
を説明するが、これらの例が本発明を限定するものでは
ない。
(D) Form of Water Oxidation Electrode Within the above range, the water oxidation electrode of the present invention can take various forms. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to examples, but these examples do not limit the present invention.

【0023】(i) 電極金属成分と金属錯体成分との混合
体が電極基板の表面の少なくとも一部に層状に形成され
てなる。
(I) A mixture of an electrode metal component and a metal complex component is formed in a layer on at least a part of the surface of an electrode substrate.

【0024】なお、混合体を直接電極基板上に担持する
こともできるが、混合体を担体に担持してから電極基板
に担持することもできる。担体として、高分子膜、層間
化合物、粘土等が挙げられる。具体的には、高分子膜と
してパーフルオロアルキルスルホン酸高分子(以下はナ
フィオンと呼ぶ)、ポリスチレンスルホン酸等、層間化
合物としてゼオライト、テトラチタン酸等が挙げれる。
The mixture can be directly carried on the electrode substrate, but the mixture can be carried on a carrier and then carried on the electrode substrate. Examples of the carrier include a polymer film, an interlayer compound, and clay. Specifically, a perfluoroalkylsulfonic acid polymer (hereinafter, referred to as Nafion) and polystyrenesulfonic acid are used as the polymer film, and zeolite and tetratitanic acid are used as the interlayer compound.

【0025】(ii)金属成分が電極基板の表面の少なくと
も一部に層状に形成されており、金属錯体成分が金属成
分の層の表面の少なくとも一部に層状に形成されてな
る。金属錯体成分層を直接金属成分層上に形成してもよ
いし、金属錯体成分を上述した担体に担持してから金属
成分層上に層を形成することもできる。金属成分層と金
属錯体成分層との合計層厚が100μm以下であるのが
好ましく、10μm以下であるのが特に好ましい。
(Ii) The metal component is formed in a layer on at least a part of the surface of the electrode substrate, and the metal complex component is formed in a layer on at least a part of the surface of the metal component layer. The metal complex component layer may be formed directly on the metal component layer, or the metal complex component may be supported on the above-described carrier and then formed on the metal component layer. The total layer thickness of the metal component layer and the metal complex component layer is preferably 100 μm or less, particularly preferably 10 μm or less.

【0026】金属成分を層状に形成し、その上に金属錯
体成分層を形成する場合、金属錯体成分層を103 層以
下、つまり高さ103 分子の層以下とするのが好まし
く、特に単層、つまり高さ1分子の層とするのが好まし
い。
When the metal component is formed in a layer and a metal complex component layer is formed thereon, it is preferable that the metal complex component layer has a thickness of 10 3 or less, that is, a layer having a height of 10 3 molecules or less. It is preferable to use a layer, that is, a layer having a height of one molecule.

【0027】[2]水の酸化電極の製造方法 本発明の水の酸化電極の製造方法は上記形態により異な
る。本発明の第一の方法は、金属成分と金属錯体成分を
混合した後、電極基板上に薄膜を形成する。電極基板上
に薄膜を形成する方法は、キャスティング法又は浸漬法
を用いることができる。
[2] Method for Producing Water Oxidation Electrode The method for producing the water oxidation electrode of the present invention differs depending on the above-described embodiment. In the first method of the present invention, a thin film is formed on an electrode substrate after mixing a metal component and a metal complex component. As a method for forming a thin film on the electrode substrate, a casting method or an immersion method can be used.

【0028】また、金属成分と金属錯体成分との混合は
金属成分粉末と金属錯体成分粉末とを公知の方法で混合
できるが、高分子膜、粘土、層間化合物等の担体に金属
成分と金属錯体成分とをそれぞれ又は同時に担持するこ
とにより、金属成分と金属錯体成分とを高分子膜等の固
相マトリックス中に分散または吸着させて用いることも
できる。この場合、金属成分と金属錯体成分と担持した
担体をキャスティング法、スピンコーティング、蒸着法
等の方法を用いて電極基板上に薄膜状に形成する。
The metal component and the metal complex component can be mixed by a known method. The metal component powder and the metal complex component powder can be mixed by a known method. By carrying the components individually or simultaneously, the metal component and the metal complex component can be used by being dispersed or adsorbed in a solid phase matrix such as a polymer film. In this case, the carrier supporting the metal component and the metal complex component is formed into a thin film on the electrode substrate by using a method such as a casting method, spin coating, and vapor deposition method.

【0029】本発明の第二の方法は、前記金属成分を前
記電極基板上で薄膜状に上に形成した後、前記金属錯体
成分を前記金属成分層上に薄膜状に形成する。
According to a second method of the present invention, after the metal component is formed on the electrode substrate in a thin film, the metal complex component is formed on the metal component layer in a thin film.

【0030】(a)金属成分の担持方法 金属成分は真空蒸着法、高周波スパッタリング法、イオ
ンプレーティング法等の方法により電極基板上に所望の
厚さで薄膜化することができる。また、電極基板を金属
成分塩の水溶液に浸漬して、還元電位を印加することに
より、金属成分のイオンを還元して金属を電極上に析出
させることにより薄膜化することもできる。金属成分の
薄膜を形成した後、酸素共存下で電極を加熱処理するこ
とにより、金属酸化物の薄膜とすることができる。
(A) Method of Carrying Metal Component The metal component can be formed into a thin film of a desired thickness on the electrode substrate by a method such as a vacuum evaporation method, a high-frequency sputtering method, and an ion plating method. Alternatively, the electrode substrate may be immersed in an aqueous solution of a metal component salt, and a reduction potential may be applied to reduce the ions of the metal component and deposit the metal on the electrode to form a thin film. After the metal component thin film is formed, the electrode is subjected to a heat treatment in the presence of oxygen, whereby a metal oxide thin film can be obtained.

【0031】(b)金属錯体成分の担持方法 金属成分層の上にキャスティング法又は浸漬法を用いて
金属錯体成分の薄膜層るを形成することができるし、金
属錯体成分を担持した担体を金属成分層の上に薄膜層を
形成することもできる。例えば、金属成分層の上に金属
錯体溶液を添加した後、溶媒を除去して乾燥させること
により、金属成分層の表面を金属錯体成分で被覆する。
又は、金属成分層を形成した電極基板を金属錯体溶液に
浸漬してから溶媒を除去することにより、表面に金属錯
体成分の薄膜層を形成する。
(B) Method of Carrying Metal Complex Component A thin film layer of the metal complex component can be formed on the metal component layer by using a casting method or an immersion method. A thin film layer can be formed on the component layer. For example, after the metal complex solution is added onto the metal component layer, the solvent is removed and dried, so that the surface of the metal component layer is coated with the metal complex component.
Alternatively, the electrode substrate on which the metal component layer is formed is immersed in the metal complex solution and then the solvent is removed, thereby forming a thin film layer of the metal complex component on the surface.

【0032】[0032]

【作用】上述したように、本発明の水の酸化用触媒電極
は、電極基板上に金属成分と金属錯体成分を担持するす
ることにより、水の酸化触媒と電極を融合し、電子の受
容効率を高め、その結果水の酸化を促進することができ
る。
As described above, the water oxidation catalyst electrode of the present invention fuses the water oxidation catalyst and the electrode by supporting a metal component and a metal complex component on the electrode substrate, and thus has an electron accepting efficiency. And thereby promote the oxidation of water.

【0033】[0033]

【実施例】本発明を以下の具体的実施例によりさらに詳
細に説明する。実施例1 炭素六員環平面が電極面と平行に並んでいるBasal Plan
e Pyrolytic Graphite電極(以下BPG電極と略す、表
面積0.17cm2 )を作用極、白金板を対極として0.2 m
Mの酢酸鉛を含む10mMの塩化白金酸水溶液に浸漬し、
BPG電極を負極として対極との間に2.0 Vの電圧をか
けてBPG電極上に白金微粒子を析出させ、計3.0 Cの
電気量が流れるまて行った。その後1Mの硫酸水溶液中
で同様の操作を行い、白金微粒子(白金黒)で修飾した
BPG電極を作製した。電析した白金微粒子の量は約1.
2 mgであった。
The present invention will be described in more detail with reference to the following specific examples. Example 1 Basal Plan in which carbon six-membered ring planes are arranged in parallel with the electrode surface
e Pyrolytic Graphite electrode (hereinafter abbreviated as BPG electrode, surface area: 0.17 cm 2 ) 0.2 m with working electrode and platinum plate as counter electrode
Immersed in 10 mM chloroplatinic acid aqueous solution containing M lead acetate,
A voltage of 2.0 V was applied between the BPG electrode and the counter electrode to deposit platinum fine particles on the BPG electrode. Thereafter, the same operation was performed in a 1 M aqueous sulfuric acid solution to prepare a BPG electrode modified with platinum fine particles (platinum black). The amount of the deposited platinum fine particles is about 1.
2 mg.

【0034】この白金微粒子上に金属錯体アンミン配位
子型Ru三核錯体の0.6 mM水溶液10μlを添加して乾
燥することにより、白金微粒子上に約3.2 μgのアンミ
ン配位子型Ru三核錯体を吸着させた。このときのPt
/アンミン配位子型Ru三核錯体の重量比は約370 :1
である。このPt/アンミン配位子型Ru三核錯体修飾
電極を作用極として、0.1 Mの過塩素酸ナトリウム水溶
液中に入れ、対極を白金板、参照極をAg/AgClと
した3極式セルを構成し、溶液内にアルゴンガスを吹き
込んで空気をアルゴンで置換した後密閉し、酸化電位を
かけると水が酸化され、触媒上で酸素の泡が発生した。
By adding 10 μl of a 0.6 mM aqueous solution of the metal complex ammine ligand type Ru trinuclear complex to the platinum fine particles and drying, about 3.2 μg of the ammine ligand type Ru trinuclear complex is formed on the platinum fine particles. Was adsorbed. Pt at this time
The weight ratio of the trinuclear complex / ammine ligand type is about 370: 1.
It is. Using this Pt / ammine ligand type Ru trinuclear complex-modified electrode as a working electrode, a triode cell was placed in a 0.1 M sodium perchlorate aqueous solution, the counter electrode was a platinum plate, and the reference electrode was Ag / AgCl. Then, argon gas was blown into the solution to replace the air with argon, followed by sealing. When an oxidation potential was applied, water was oxidized, and oxygen bubbles were generated on the catalyst.

【0035】定電位で電解を1時間行った後、気体をシ
リンジでサンプリングし、モレキャラシープ5Aのカラ
ムを取り付けたガスクロマトグラフにより、発生した酸
素の定性および定量を行った。参照極に対する酸化電位
を1.05〜1.4 Vの範囲で変化させて、それぞれの電位で
の酸素発生量を測定した。酸素の発生量と印可する酸化
電位との関係を図1に示した。また、印可する酸化電位
が1.2 Vの時の酸素発生量を表1に示した。
After performing the electrolysis at a constant potential for 1 hour, the gas was sampled with a syringe, and the generated oxygen was qualitatively and quantitatively determined by gas chromatography equipped with a column of Molechara sheep 5A. The oxidation potential with respect to the reference electrode was changed in the range of 1.05 to 1.4 V, and the amount of oxygen generated at each potential was measured. FIG. 1 shows the relationship between the amount of generated oxygen and the applied oxidation potential. Table 1 shows the amount of oxygen generated when the applied oxidation potential was 1.2 V.

【0036】比較例1 実施例1と同じ方法で1.2 mgの白金微粒子(白金黒)
で修飾したBPG電極を作製した。この白金黒修飾BP
G電極を用いて実施例1と同じ方法で水の電気分解を行
い、酸素の発生量を測定した。酸素の発生量と印可する
酸化電位との関係を図1に示した。また、印可する酸化
電位が1.2 Vの時の酸素発生量を表1に示した。
Comparative Example 1 1.2 mg of platinum fine particles (platinum black) in the same manner as in Example 1.
A BPG electrode modified with was prepared. This platinum black modified BP
Using the G electrode, water electrolysis was performed in the same manner as in Example 1, and the amount of generated oxygen was measured. FIG. 1 shows the relationship between the amount of generated oxygen and the applied oxidation potential. Table 1 shows the amount of oxygen generated when the applied oxidation potential was 1.2 V.

【0037】比較例2 実施例1と同じ未修飾のBPG電極を用いて実施例1と
同じ方法で水の電気分解を行い、酸素の発生量を測定
し、図1及び表1に示した。
Comparative Example 2 Using the same unmodified BPG electrode as in Example 1, water was electrolyzed in the same manner as in Example 1, and the amount of generated oxygen was measured. The results are shown in FIG.

【0038】図1から分かるように、いずれの酸化電位
においてもPtとアンミン配位子型Ru三核錯体で修飾
した電極(実施例1)ほうが、Ptのみで修飾した電極
(比較例1)よりはるかに高い酸素発生量を示し、Pt
とアンミン配位子型Ru三核錯体とを共存させることに
より高活性な酸化触媒として作用していることがわか
る。また、酸素が発生し始める電位はPt/アンミン配
位子型Ru三核錯体修飾電極(実施例1)系では1.0
5V(対参照極)であり、比較例1のPtのみで修飾電
極の1.15Vより0.1 Vも高く、Ptとアンミン配位子型
Ru三核錯体との担持電極のほうが酸素発生の過電圧が
すっと小さいことを示す。
As can be seen from FIG. 1, at any oxidation potential, the electrode modified with Pt and the trinuclear complex of ammine ligand type Ru (Example 1) was better than the electrode modified with Pt alone (Comparative Example 1). Show much higher oxygen evolution, Pt
It can be seen that the coexistence of a triamine complex with an ammine ligand type Ru acts as a highly active oxidation catalyst. The potential at which oxygen starts to be generated is 1.0 in the Pt / ammine ligand type Ru trinuclear complex-modified electrode (Example 1) system.
5 V (vs. the reference electrode), which was 0.1 V higher than 1.15 V of the modified electrode only for Pt of Comparative Example 1, and the overpotential of oxygen generation was smoother for the supported electrode of Pt and the ammine ligand type Ru trinuclear complex. Indicates small.

【0039】実施例2 BGP電極の代わりに表面積1cm2 の白金板電極を用
いた以外は、実施例1と同様に電気触媒化学的な水の酸
化反応を行うことにより白金板電極に1mgの白金黒を
被覆した電極を作成し、また実施例1と同じ方法で3μ
gのアンミン配位子型Ru三核錯体を担持した。実施例
1と同じ方法で1.2 Vの酸化電位で水の電気分解を行
い、酸素の発生量を測定し、表1に示した。
Example 2 An electrocatalytic water oxidation reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that a platinum plate electrode having a surface area of 1 cm 2 was used in place of the BGP electrode. An electrode coated with black was prepared, and 3 μm was formed in the same manner as in Example 1.
g of ammine ligand type Ru trinuclear complex was supported. Water was electrolyzed at an oxidation potential of 1.2 V in the same manner as in Example 1, and the amount of generated oxygen was measured.

【0040】比較例3及び4 実施例2と同じ未修飾の白金板電極(比較例3)、白金
黒修飾白金板電極(比較例4)を用いて、ぞれぞれ実施
例1と同じ方法で1.2 Vの酸化電位で水の電気分解を行
い、酸素の発生量を測定し、表1に示した。
Comparative Examples 3 and 4 The same method as in Example 1 was used, using the same unmodified platinum plate electrode (Comparative Example 3) and platinum black-modified platinum plate electrode (Comparative Example 4) as in Example 2. Was subjected to electrolysis of water at an oxidation potential of 1.2 V, and the amount of generated oxygen was measured.

【0041】実施例3 金属錯体としてアンミン配位子型Ru三核錯体の代わり
にペンタアンミンRu錯体を用いた以外は、実施例1と
同じ方法でPt(1.2 mg)/ペンタアンミンRu錯体
(1.5 μg)修飾BPG電極を作成した。実施例1と同
じ方法で行い、1.2 Vの酸化電位で水の電気分解を行
い、酸素の発生量を測定し、表1に示した。
Example 3 A Pt (1.2 mg) / pentaammine Ru complex (1.5 mg) was prepared in the same manner as in Example 1 except that a pentaammine Ru complex was used as the metal complex instead of the ammine ligand type Ru trinuclear complex. μg) A modified BPG electrode was prepared. The procedure was the same as in Example 1. Water was electrolyzed at an oxidation potential of 1.2 V, and the amount of generated oxygen was measured.

【0042】実施例4 実施例1と同じBPG電極を用い、高周波スパッタリン
グによりBPG電極上に白金の薄膜を形成した。電極上
に担持した白金は0.5 mgである。この白金修飾BPG
電極上にナフィオンの2.5 重量%のアルコール溶液を20
μl添加して拡げた後風乾させ、次に1mMのアンミン
配位子型Ru三核錯体水溶液中に浸漬して1.5 μgのア
ンミン配位子型Ru三核錯体を飽和吸着させた。この修
飾電極を用いて実施例1と同じ方法で、1.2 Vの酸化電
位で水の電気分解を行い、酸素の発生量を測定し、表1
に示した。
Example 4 Using the same BPG electrode as in Example 1, a platinum thin film was formed on the BPG electrode by high frequency sputtering. The amount of platinum supported on the electrode is 0.5 mg. This platinum-modified BPG
Apply 2.5% by weight alcohol solution of Nafion on the electrode
After adding and spreading, the mixture was air-dried, and then immersed in a 1 mM aqueous solution of an ammine ligand-type Ru trinuclear complex to saturate and adsorb 1.5 μg of an ammine ligand-type Ru trinuclear complex. Using this modified electrode, in the same manner as in Example 1, water was electrolyzed at an oxidation potential of 1.2 V, and the amount of generated oxygen was measured.
It was shown to.

【0043】比較例5 実施例4で作成した白金修飾のBPG電極を用いて、実
施例1と同じ方法で1.2 Vの酸化電位で水の電気分解を
行い、酸素の発生量を測定し、表1に示した。
COMPARATIVE EXAMPLE 5 Using the platinum-modified BPG electrode prepared in Example 4, water was electrolyzed at an oxidation potential of 1.2 V in the same manner as in Example 1, and the amount of generated oxygen was measured. 1 is shown.

【0044】実施例5 実施例2と同じ白金板電極(表面積1cm2 )上に5.03
mMのRuO2 水溶液を浸漬し、還元電位をかけて電流
密度1A/dm2 の条件でRuO4 1mgを白金板電極
上に電析させた。このRuO2 修飾白金板電極上に、ナ
フィオンの2.5重量%アルコール溶液をキャストして乾
燥させることにより約10μmのナフィオン膜を形成し
た。これを1mMのアンミン配位子型Ru三核錯体の水
溶液に浸漬して、ナフィオン膜中に0.2Mのアンミン
配位子型Ru三核錯体を飽和吸着させ、RuO2 /アン
ミン配位子型Ru三核錯体修飾電極を作製した。この修
飾電極を作用極として、実施例1と同じ方法で、1.2 V
の酸化電位で水の電気分解を行い、酸素の発生量を測定
し、表1に示した。
Example 5 5.03 was placed on the same platinum plate electrode (surface area: 1 cm 2 ) as in Example 2.
A 1 mM RuO 2 aqueous solution was immersed, and a reduction potential was applied to deposit 1 mg of RuO 4 on a platinum plate electrode under the condition of a current density of 1 A / dm 2 . On this RuO 2 -modified platinum plate electrode, a 2.5% by weight alcohol solution of Nafion was cast and dried to form a Nafion film of about 10 μm. This was immersed in an aqueous solution of a 1 mM ammine ligand type Ru trinuclear complex to allow saturated adsorption of a 0.2 M ammine ligand type Ru trinuclear complex in a Nafion membrane, and a RuO 2 / ammine ligand type trinuclear complex was obtained. An electrode modified with a Ru trinuclear complex was prepared. Using this modified electrode as a working electrode, 1.2 V
The electrolysis of water was performed at the oxidation potential of, and the amount of generated oxygen was measured.

【0045】表1例No. 酸素発生量(μl/hr) 実施例1 35.1 実施例2 15.7 実施例3 12.5 実施例4 40.3 実施例5 70.1 比較例1 5.52 比較例2 0 比較例3 0 比較例4 2.15比較例5 10.2 Table 1 Example No. Oxygen generation amount (μl / hr) Example 1 35.1 Example 2 15.7 Example 3 12.5 Example 4 40.3 Example 5 70.1 Comparative Example 15 .52 Comparative Example 2 0 Comparative Example 3 0 Comparative Example 4 2.15 Comparative Example 5 10.2

【0046】表1から分かるように、電極基板だけを用
いた比較例2、3、及び電極基板に白金を修飾した比較
例1、3、4に比べて、金属成分と金属錯体成分を担持
した本発明の電極は高い酸素を発生し、優れた水酸化性
能を示した。
As can be seen from Table 1, the metal component and the metal complex component were carried in comparison with Comparative Examples 2 and 3 using only the electrode substrate and Comparative Examples 1, 3 and 4 in which the electrode substrate was modified with platinum. The electrode of the present invention generated high oxygen and showed excellent hydroxylation performance.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の水の酸化
用触媒電極は、電極基板に金属成分及び金属錯体成分を
担持することにより、水からの電子を受容しやすく、速
やかにその電子を輸送することができる。そのため、低
い酸化電位で水を酸化することができ、水の酸化速度を
速くすることができる。
As described above in detail, the catalyst electrode for oxidizing water of the present invention easily accepts electrons from water by supporting a metal component and a metal complex component on the electrode substrate, and quickly converts the water. It can transport electrons. Therefore, water can be oxidized at a low oxidation potential, and the oxidation rate of water can be increased.

【0048】本発明の水の酸化用触媒電極は、水の電気
分解、人工光合成等の電極として用いることができる。
The catalyst electrode for oxidizing water of the present invention can be used as an electrode for electrolysis of water, artificial photosynthesis and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1及び比較例1、2における酸素の発生
量と印可する酸化電位の関係を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the amount of generated oxygen and the applied oxidation potential in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.

【化1】 Embedded image

【化2】 Embedded image

【化3】 Embedded image

【化4】 Embedded image

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 洋市 埼玉県熊谷市末広四丁目14番1号 株式会 社リケン熊谷事業所内 (72)発明者 吉田 清英 埼玉県熊谷市末広四丁目14番1号 株式会 社リケン熊谷事業所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hiroshi Yamashita 4-14-1, Suehiro, Kumagaya-shi, Saitama Pref.Rikken Kumagaya Office (72) Inventor Kiyohide Yoshida 4-14, Suehiro, Kumagaya-shi, Saitama No. 1 Inside the Riken Kumagaya Office

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電極基板の表面に金属成分と、金属錯体
成分とを担持してなる水の酸化用触媒電極であって、前
記金属成分は元素周期表の第8族の元素及びそれらの酸
化物からなる群より選ばれた一種以上の元素及び/又は
酸化物であり、前記金属錯体成分は水を酸化する触媒で
あることを特徴とする水の酸化用触媒電極。
1. A catalyst electrode for oxidizing water comprising a metal component and a metal complex component supported on a surface of an electrode substrate, wherein the metal component is an element belonging to Group 8 of the periodic table and its oxidation. A catalyst for oxidizing water, wherein the metal complex component is at least one element and / or oxide selected from the group consisting of:
【請求項2】 請求項1に記載の水の酸化用触媒電極に
おいて、前記金属成分と前記金属錯体成分との混合体が
前記電極基板の表面の少なくとも一部に層状に形成され
ていることを特徴とする水の酸化用触媒電極。
2. The water oxidation catalyst electrode according to claim 1, wherein a mixture of the metal component and the metal complex component is formed in a layer on at least a part of the surface of the electrode substrate. Characteristic catalyst electrode for water oxidation.
【請求項3】 請求項2に記載の水の酸化用触媒電極に
おいて、前記金属成分と前記金属錯体成分との混合体が
高分子膜、粘土又は層間化合物のいずれかからなる担体
に担持されており、前記担体が前記電極基板の表面の少
なくとも一部に層状に形成されていることを特徴とする
水の酸化用触媒電極。
3. The catalyst electrode for oxidizing water according to claim 2, wherein the mixture of the metal component and the metal complex component is supported on a carrier comprising a polymer film, clay, or an intercalation compound. A catalyst electrode for oxidizing water, wherein the carrier is formed in a layer on at least a part of the surface of the electrode substrate.
【請求項4】 請求項1に記載の水の酸化用触媒電極に
おいて、前記金属成分が前記電極基板の表面の少なくと
も一部に層状に形成されており、前記金属錯体成分が前
記金属成分の層の表面の少なくとも一部に層状に形成さ
れていることを特徴とする水の酸化用触媒電極。
4. The water oxidation catalyst electrode according to claim 1, wherein the metal component is formed in a layer on at least a part of the surface of the electrode substrate, and the metal complex component is a layer of the metal component. A water oxidation catalyst electrode, which is formed in a layer on at least a part of the surface of the catalyst.
【請求項5】 請求項4に記載の水の酸化用触媒電極に
おいて、前記金属錯体成分が高分子膜、粘土又は層間化
合物のいずれかからなる担体に担持されており、前記担
体が前記金属成分層の表面の少なくとも一部に層状に形
成されていることを特徴とする水の酸化用触媒電極。
5. The catalyst electrode for oxidizing water according to claim 4, wherein the metal complex component is supported on a carrier made of any of a polymer film, clay, and an intercalation compound, and the carrier is formed of the metal component. A water oxidation catalyst electrode, which is formed in a layer on at least a part of the surface of the layer.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載の水の酸
化用触媒電極において、前記金属成分がRu、Pt及び
Irからなる群より選ばれる一種以上の元素及び/又は
酸化物であることを特徴とする水の酸化用触媒電極。
6. The catalyst electrode for oxidizing water according to claim 1, wherein the metal component is one or more elements and / or oxides selected from the group consisting of Ru, Pt, and Ir. A catalyst electrode for oxidizing water.
【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載の水の酸
化用触媒電極において、前記金属錯体成分はルテニウ
ム、マンガンのいずれかと、窒素含有配位子とからなる
ことを特徴とする水の酸化用触媒電極。
7. The water oxidation catalyst electrode according to claim 1, wherein the metal complex component comprises at least one of ruthenium and manganese and a nitrogen-containing ligand. Oxidation catalyst electrode.
【請求項8】 請求項7に記載の水の酸化用触媒電極に
おいて、前記金属錯体成分はアンミン配位子型Ru三核
錯体(式1)、ペンタアンミンRu錯体(式2)、テト
ラキス(2,2’−ビピリジン)−μ−オキソ−ジルテ
ニウム錯体(式3)、テトラキス(2,2’−ビピリジ
ン)−ジμ−オキソ−ジマンガン錯体(式4)のいずれ
かであることを特徴とする水の酸化用触媒電極。
8. The water oxidation catalyst electrode according to claim 7, wherein the metal complex component is an ammine ligand type Ru trinuclear complex (formula 1), a pentaammine Ru complex (formula 2), and tetrakis (2). , 2′-bipyridine) -μ-oxo-diruthenium complex (formula 3) and tetrakis (2,2′-bipyridine) -diμ-oxo-dimanganese complex (formula 4). Catalytic electrode for water oxidation.
【請求項9】 請求項1〜8のいずれかに記載の水の酸
化用触媒電極において、前記金属成分と前記金属錯体と
の重量比は10:1〜105 :1であることを特徴とす
る水の酸化用触媒電極。
9. The catalyst electrode for oxidizing water according to claim 1, wherein a weight ratio of the metal component to the metal complex is 10: 1 to 10 5 : 1. Catalytic electrode for oxidizing water.
【請求項10】 請求項1〜9のいずれかに記載の水の
酸化用触媒電極において、前記電極基板の担持面積に対
して前記金属成分の担持量は0.1〜20mg/cm2
であり、前記金属錯体の担持量は0.001〜1mg/
cm2 であることを特徴とする水の酸化用触媒電極。
10. The catalyst electrode for oxidizing water according to claim 1, wherein the supported amount of the metal component is 0.1 to 20 mg / cm 2 with respect to the supported area of the electrode substrate.
And the loading amount of the metal complex is 0.001 to 1 mg /
oxidation catalyst electrode water which is a cm 2.
【請求項11】 電極基板の表面に元素周期表の第8族
の元素及びそれらの酸化物からなる群より選ばれた一種
以上の元素及び/又は化合物からなる金属成分と、水を
酸化する触媒である金属錯体成分とを担持してなる水の
酸化用触媒電極を製造する方法であって、前記金属成分
と前記金属錯体成分とを混合した後、前記電極基板上に
薄膜状に形成することを特徴とする方法。
11. A catalyst for oxidizing water and a metal component comprising at least one element and / or compound selected from the group consisting of Group 8 elements of the periodic table and their oxides on the surface of the electrode substrate. A method for producing a catalyst electrode for oxidizing water comprising a metal complex component, wherein the metal component and the metal complex component are mixed and then formed into a thin film on the electrode substrate. A method characterized by the following.
【請求項12】 請求項11に記載の方法において、前
記金属成分と前記金属錯体成分とを混合した後、高分子
膜、粘土又は層間化合物のいずれかからなる担体に分散
又は吸着させて担持し、前記担体を前記電極基板上に薄
膜を形成することを特徴とする方法。
12. The method according to claim 11, wherein after mixing the metal component and the metal complex component, the metal component and the metal complex component are dispersed or adsorbed on a carrier made of a polymer film, clay, or an intercalation compound and supported. Forming a thin film of the carrier on the electrode substrate.
【請求項13】 電極基板の表面に元素周期表の第8族
の元素及びそれらの酸化物からなる群より選ばれた一種
以上の元素及び/又は化合物からなる金属成分と、水を
酸化する触媒である金属錯体成分とを担持してなる水の
酸化用触媒電極を製造する方法であって、前記金属成分
を前記電極基板上で薄膜状に形成した後、前記金属錯体
成分を前記金属成分層上に薄膜状に形成することを特徴
とする方法。
13. A catalyst for oxidizing water and a metal component comprising at least one element and / or compound selected from the group consisting of Group 8 elements and their oxides on the surface of an electrode substrate. A method for producing a catalyst electrode for oxidation of water carrying a metal complex component, wherein the metal component is formed in a thin film on the electrode substrate, and then the metal complex component is coated with the metal component layer. A method comprising forming a thin film thereon.
【請求項14】 請求項13に記載の方法において、前
記金属錯体成分を高分子膜、粘土又は層間化合物のいず
れかからなる担体に分散又は吸着させて担持し、前記担
体を前記金属成分層上に薄膜状に形成することを特徴と
する方法。
14. The method according to claim 13, wherein the metal complex component is supported by being dispersed or adsorbed on a carrier made of a polymer film, clay or an intercalation compound, and the carrier is provided on the metal component layer. A thin film.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015207515A (en) * 2014-04-23 2015-11-19 住友化学株式会社 Electrode and air secondary battery using the same

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