JPWO2013005252A1 - Electrode for electrolysis, method for producing the same, and electrolysis apparatus - Google Patents
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Abstract
本発明は、水の電気分解において卑貴金属の酸化物を用いた酸素極及びその作製方法を提供することを目的とする。本発明は、電解液を電気分解して水素を生成する電気分解用電極201であって、導電性の基材204と、該基材表面上に形成された卑金属酸化物203と、該卑金属酸化物203表面に担持した貴金属202とを備え、前記貴金属202が、Au,Ag及びこれらの酸化物から選択される1種以上であることを特徴とする。この構成により、資源量の多い卑金属の酸化物と微量の貴金属とを組み合わせた電極の作製が可能となり、本手法を用いることで資源量に問題なく、耐食性を有し、さらに過電圧の低い水の電気分解用酸素極を提供できる。An object of the present invention is to provide an oxygen electrode using an oxide of a noble metal in water electrolysis and a method for manufacturing the oxygen electrode. The present invention is an electrolysis electrode 201 that electrolyzes an electrolytic solution to generate hydrogen, and includes a conductive base material 204, a base metal oxide 203 formed on the surface of the base material, and the base metal oxidation. A noble metal 202 supported on the surface of the object 203, wherein the noble metal 202 is at least one selected from Au, Ag, and oxides thereof. This configuration makes it possible to produce an electrode that combines a large amount of base metal oxides and a small amount of noble metal. An oxygen electrode for electrolysis can be provided.
Description
本発明は電気分解用電極及びその作製方法、並びに電気分解装置に関する。 The present invention relates to an electrode for electrolysis, a method for producing the electrode, and an electrolyzer.
化石燃料の大量消費による二酸化炭素の影響によって、地球温暖化の進行が深刻になる中で、化石燃料に代わって次世代を担うエネルギー源として水素が注目されている。水素は使用後に水しか排出しないため、環境負荷の少ないクリーンなエネルギー源と考えられている。 As global warming becomes more serious due to the influence of carbon dioxide due to the large consumption of fossil fuel, hydrogen is attracting attention as an energy source for the next generation instead of fossil fuel. Since hydrogen discharges only water after use, it is considered to be a clean energy source with low environmental impact.
水素の製造に関しては、化石燃料の水蒸気改質がもっともポピュラーであるが、鉄やソーダの製造に伴う副生水素,熱分解反応,光触媒反応,微生物反応,水の電気分解反応など多数の手法が存在する。特に水の電気分解は太陽光発電や風力発電など再生可能エネルギー由来の電力を用いれば、製造時の二酸化炭素排出量も極めて低レベルに抑えられるため、真にクリーンなエネルギー製造方法として注目されている。 For hydrogen production, steam reforming of fossil fuels is the most popular, but there are many techniques such as by-product hydrogen, thermal decomposition reaction, photocatalytic reaction, microbial reaction, and water electrolysis reaction associated with iron and soda production. Exists. In particular, water electrolysis is attracting attention as a truly clean energy production method because it uses carbon derived from renewable energy such as solar power generation and wind power generation to reduce carbon dioxide emissions during production to an extremely low level. Yes.
水の電気分解反応において、酸素発生側は腐食性の強い環境であるため、耐食性が高く、酸素発生反応に対する過電圧の低い電極が求められる。そこで電極材料としては白金や白金族であるイリジウムおよびルテニウムの酸化物が、一般的に広く利用されている。例えば、特許文献1には、白金族又は白金族酸化物を主触媒とする電極触媒層を基材上に設け、電極触媒層と基材との間に耐剥離性及び耐食性に優れた高温酸化皮膜を中間層として設けた電解用電極が開示されている。
In the water electrolysis reaction, since the oxygen generation side is a highly corrosive environment, an electrode having high corrosion resistance and low overvoltage with respect to the oxygen generation reaction is required. Therefore, platinum and platinum group iridium and ruthenium oxides are generally widely used. For example, in
従来、特許文献1等に示されているように電極触媒層としては、白金,ルテニウム酸化物,イリジウム酸化物などの白金族材料が用いられている。水の電気分解反応において酸素が発生する電位では、ほとんどの金属は酸化する。イリジウムやルテニウムの酸化物は他の金属酸化物に比べ電子伝導度が高く、低抵抗であるため酸素発生電極として利用されている。しかしながら、白金は高コストであり、イリジウムやルテニウムは世界の年間生産量が10トン前後であるため、材料コストおよび利用可能な資源量という観点から問題がある。このため、より豊富な資源量を持つ材料を用いながら、耐食性を有し、過電圧の低い新たな酸素極の開発が必要とされている。
Conventionally, platinum group materials such as platinum, ruthenium oxide and iridium oxide have been used as the electrode catalyst layer as disclosed in
しかしながら、白金族以外の他の金属酸化物、特に生産量の多い卑金属の酸化物は一般的に電子伝導性が低く抵抗が高いため、電極として用いるには不向きであり、電解用電極として白金族と同等の特性を備える代替材料が見つかっていないのが実情である。 However, other metal oxides other than the platinum group, particularly base metal oxides with a large amount of production, are generally unsuitable for use as electrodes because of their low electronic conductivity and high resistance. The actual situation is that no alternative material having the same characteristics as the above has been found.
本発明は、以上の問題点を踏まえ、電気分解電極において、白金族フリーで構成され、耐食性に優れ、さらに過電圧の低い酸素発生極を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide an oxygen-generating electrode that is composed of a platinum group free electrode, is excellent in corrosion resistance, and has a low overvoltage.
本発明は、電解液を電気分解して水素を生成する電気分解用電極であって、導電性の基材と、該基材表面上に形成された卑金属酸化物と、該卑金属酸化物表面に担持した貴金属とを備え、前記貴金属が、Au,Ag及びこれらの酸化物から選択される1種以上であることを特徴とする。 The present invention relates to an electrode for electrolysis that electrolyzes an electrolytic solution to generate hydrogen, a conductive base material, a base metal oxide formed on the surface of the base material, and a surface of the base metal oxide. And a noble metal supported, wherein the noble metal is at least one selected from Au, Ag, and oxides thereof.
以上の構造により、高コストな白金や資源量に課題を持つイリジウムおよびルテニウムの代替として、資源量は多いが酸素極としての性能に劣る卑金属酸化物を用いながら、耐食性を有し、過電圧の低い新たな酸素極として利用することが可能となる。 With the above structure, as an alternative to high-cost platinum and iridium and ruthenium, which have a problem with the amount of resources, it has corrosion resistance and low overvoltage while using a base metal oxide that has a large amount of resources but is inferior in performance as an oxygen electrode It can be used as a new oxygen electrode.
本発明によれば、資源量の多い卑金属の酸化物と微量の貴金属とを組み合わせた電極の作製が可能となり、資源量に問題なく、耐食性を有し、さらに過電圧の低い水の電気分解用電極を提供することができる。 According to the present invention, it becomes possible to produce an electrode combining a base metal oxide with a large amount of resources and a small amount of noble metal, and there is no problem with the amount of resources, and it has corrosion resistance and further has a low overvoltage. Can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の電解用電極を適用した電気分解装置のセル101の模式図の一例である。セル101は水素発生極102,酸素発生極103,隔壁104,電解槽105および電解液106からなる。酸素発生極103と水素発生極102は隔壁104を挟んで対向して設置する。これらを電解槽105に挿入し、電解液106を注入して利用する。酸素発生極103と水素発生極102は負荷108と接続され、電極間に電圧が印加されることによって電気分解が行われる。
FIG. 1 is an example of a schematic diagram of a
図2に本発明の電気分解装置に適用される酸素発生極の構成の一例を示す模式図を示す。酸素発生極201は、導電性の基材204、その表面に形成された卑金属酸化物203、卑金属酸化物203に担持された金,銀またはそれらの酸化物から選ばれる貴金属202で構成される。本発明において、担持とは、担持体である卑金属酸化物203の表面の一部が露出した状態で貴金属202が化学的または物理的に吸着した状態を指す。本発明の酸素発生極としては、電解液,卑金属酸化物および貴金属の三相界面が形成されるように卑金属酸化物の表面の一部が露出した状態で貴金属が担持された構成であれば良く、その形状は特に限定されない。図2では、反応面積を増大させるために高比表面積化された形状の卑金属酸化物203の表面に貴金属202の微粒子が担持された構成となっている。このように、電極の比表面積を増加でき、電解液,卑金属酸化物、及び、貴金属の三相界面を多くできる構造とすることがより好ましい。この構成により、白金族フリーで耐食性に優れ、さらに過電圧の低い酸素発生極とすることができる。詳細を以下に説明する。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of an oxygen generating electrode applied to the electrolyzer of the present invention. The
卑金属酸化物は腐食環境に強く、また酸素発生反応に対する活性を備えているが、電気導電性が低く、酸素発生反応が進行する電位での反応抵抗が高い点が問題となり、これまでは酸素発生極として十分な性能を発揮することはできなかった。また、金,銀およびこれらの酸化物は抵抗が低く、電極材料として広く用いられている。しかしながら、酸素発生反応の進行に必要な過電圧が高いため、酸素発生極としての性能は劣る。特に金は表面の反応性が低く酸素発生反応に不活性であることが高い過電圧の原因と考えられる。このように、本発明の酸素発生極に用いる卑金属酸化物と貴金属は、それぞれ単体では酸素発生極として十分な特性が得られなかった。これに対し、鋭意検討を行った結果、本発明の酸素発生極のように電解液と卑金属酸化物および貴金属との間で三相界面が形成されるように卑金属酸化物および貴金属を組み合わせることによって、酸素発生極として優れた特性が得られることを見出した。すなわち、本発明の電極では、卑金属酸化物の表面に貴金属を担持した構成としている。貴金属は酸化しにくく腐食に強いため、酸素発生反応が進行する電位でも導電性を有している。これにより、貴金属を電子の通過パスとして用いることにより卑金属酸化物の反応抵抗が低減できる。また金属酸化物と貴金属の界面において触媒活性が高まる傾向にあることを確認した。これは、吸着力の強い貴金属表面には水が吸着しやすく、電解反応の速度向上効果が見込まれるためと考えられる。また貴金属単体では、発生した酸素分子が表面に強く吸着し電解反応を阻害するところを、卑金属酸化物により貴金属表面に負電荷が生じ酸素との吸着が弱まるため、反応阻害の抑制効果による触媒活性の増加も考えられる。なお、卑金属酸化物の反応抵抗を低減する観点からは、貴金属を担持せず、卑金属内部に混合する、もしくは貴金属構造体表面に卑金属酸化物を担持しても効果を得られるが、上述の三相界面が形成されないため十分な触媒活性を得ることはできない。また、表面に担持する場合に比べ貴金属の使用量が増加し、コスト増要因にもなる。したがって、卑金属酸化物の表面に貴金属を担持した構成とすることが好ましい。 Base metal oxides are resistant to corrosive environments and have activity against oxygen generation reactions, but they have low electrical conductivity and high reaction resistance at potentials where oxygen generation reactions proceed. It was not possible to demonstrate sufficient performance as a pole. Gold, silver and their oxides have low resistance and are widely used as electrode materials. However, since the overvoltage required for the progress of the oxygen generation reaction is high, the performance as the oxygen generation electrode is poor. In particular, gold is considered to be the cause of high overvoltage because of its low surface reactivity and inertness to oxygen generation reaction. As described above, the base metal oxide and the noble metal used for the oxygen generating electrode of the present invention cannot each have sufficient characteristics as an oxygen generating electrode. On the other hand, as a result of earnest investigation, by combining the base metal oxide and the noble metal so that a three-phase interface is formed between the electrolyte solution and the base metal oxide and the noble metal as in the oxygen generating electrode of the present invention. The present inventors have found that excellent characteristics can be obtained as an oxygen generating electrode. That is, the electrode of the present invention has a configuration in which a noble metal is supported on the surface of a base metal oxide. Since noble metals are difficult to oxidize and are resistant to corrosion, they have conductivity even at potentials where oxygen generation reaction proceeds. Thereby, the reaction resistance of a base metal oxide can be reduced by using a noble metal as an electron passage path. It was also confirmed that the catalytic activity tends to increase at the interface between the metal oxide and the noble metal. This is presumably because water is likely to be adsorbed on the surface of the noble metal having a strong adsorptive power, and an effect of improving the rate of the electrolytic reaction is expected. In the case of a noble metal alone, the generated oxygen molecule strongly adsorbs on the surface and inhibits the electrolytic reaction, but the base metal oxide creates a negative charge on the surface of the noble metal and weakens the adsorption with oxygen. An increase is also conceivable. From the viewpoint of reducing the reaction resistance of the base metal oxide, it is possible to obtain the effect even if the noble metal is not supported, mixed inside the base metal, or the base metal oxide is supported on the surface of the noble metal structure. Since no phase interface is formed, sufficient catalytic activity cannot be obtained. In addition, the amount of noble metal used is increased as compared with the case where it is supported on the surface, which causes a cost increase. Therefore, it is preferable to have a configuration in which a noble metal is supported on the surface of the base metal oxide.
以上のように、本発明の電極では卑金属酸化物表面に微量の貴金属を担持することで、貴金属の導電性向上効果と界面の触媒性能活性化効果により、部材コストを抑制しながら、高活性の酸素極を実現した。 As described above, in the electrode of the present invention, by supporting a small amount of noble metal on the surface of the base metal oxide, it is highly active while suppressing the member cost due to the conductivity improvement effect of the noble metal and the catalyst performance activation effect of the interface. Realized oxygen electrode.
本発明の酸素発生極に用いる卑金属酸化物は、Ni,Mo,Nb,Ta,Ti,Zr,Fe,Mn,W,Snのいずれかひとつの金属、もしくは複数からなる合金から構成される。卑金属酸化物としては、酸素発生反応に対して高い触媒活性を有するNi,Fe,Mnを利用することが好ましい。特にMnは塩水に対する酸素発生活性が高く、塩水を電解して水素と酸素を製造する場合には特に好ましい。また酸素発生電位は腐食環境であるため、電極の長寿命化を図る観点から高い腐食安定性を有するNb,Ta,Ti,Zr,Mn,Wを組み合わせて使用するとよい。利用可能な資源量の面ではTiもしくはFeの活用が望ましい。 The base metal oxide used for the oxygen generating electrode of the present invention is composed of any one of Ni, Mo, Nb, Ta, Ti, Zr, Fe, Mn, W, and Sn, or an alloy composed of a plurality of metals. As the base metal oxide, it is preferable to use Ni, Fe, or Mn having high catalytic activity for the oxygen generation reaction. In particular, Mn has a high oxygen generation activity with respect to salt water, and is particularly preferable when hydrogen and oxygen are produced by electrolysis of salt water. Further, since the oxygen generation potential is a corrosive environment, Nb, Ta, Ti, Zr, Mn, and W having high corrosion stability are preferably used in combination from the viewpoint of extending the life of the electrode. In terms of available resources, it is desirable to use Ti or Fe.
卑金属酸化物の形状は、高比表面積ならばよく、特に制限するものではないが、多孔体,粒子状,柱状,板状,樹状が好ましい。電極の高比表面積化には、構造の微細化が有効であるが、過度な微細化は電極強度の低下につながる。そこで比表面積としては見かけの表面積に対し、実表面積が10〜1000倍であることが望ましい。 The shape of the base metal oxide is not particularly limited as long as it has a high specific surface area, but is preferably a porous body, particles, columns, plates, or dendrites. In order to increase the specific surface area of the electrode, it is effective to refine the structure, but excessive refinement leads to a decrease in electrode strength. Therefore, the specific surface area is desirably 10 to 1000 times the actual surface area with respect to the apparent surface area.
卑金属酸化物表面に担持する貴金属は、Au,Ag及びこれらの酸化物のいずれかひとつ、もしくは複数の組み合わせで構成される。Agは酸素発生反応に対して触媒活性を有しており、導電性も高く、安価で、産出量も多いため本発明の電極材料として望ましい。Auはバルクでは酸素発生反応に対する触媒活性を有していないが、ナノ粒子化することで触媒活性の発現が見込まれる。また耐食性が高く、Agより強い腐食環境で利用できる。 The noble metal supported on the base metal oxide surface is composed of one or a combination of Au, Ag and these oxides. Ag is desirable as an electrode material of the present invention because it has catalytic activity for oxygen generation reaction, has high conductivity, is inexpensive, and has a large output. Au does not have catalytic activity for oxygen generation reaction in bulk, but it is expected that catalytic activity will be manifested by forming nanoparticles. Moreover, it has high corrosion resistance and can be used in a corrosive environment stronger than Ag.
貴金属の形態は、微粒子であることが望ましい。Au,Ag及びこれらの酸化物は卑金属に比べ高価であり、材料コストを削減するためにも使用量は抑える必要がある。しかしながら、過度な微細化は強度低下の要因となるため好ましくない。そこで貴金属の微粒子は1〜100nm程度のサイズであることが好ましく、1〜20nmであるとより好ましい。安定な電極性能を発現するため、貴金属微粒子は卑金属酸化物表面に均一に高分散されることが望ましいが、凝集していても問題ない。導電性向上の観点から、貴金属は薄膜状、もしくは線状に担持してもよい。しかしながら、高比表面積な卑金属酸化物表面に均一に薄膜状もしくは線状の貴金属を担持するのは技術的に困難であり、作製コストの増加につながるため、貴金属は微粒子状で担持することが好ましい。高い導電性が必要な場合は、担持量を増やし、微粒子の凝集を促すとよい。 The form of the noble metal is desirably fine particles. Au, Ag, and their oxides are more expensive than base metals, and the amount used must be reduced in order to reduce material costs. However, excessive miniaturization is not preferable because it causes a decrease in strength. Therefore, the noble metal fine particles preferably have a size of about 1 to 100 nm, and more preferably 1 to 20 nm. In order to express stable electrode performance, it is desirable that the noble metal fine particles are uniformly dispersed on the surface of the base metal oxide, but there is no problem even if they are aggregated. From the viewpoint of improving conductivity, the noble metal may be supported in a thin film shape or a linear shape. However, it is technically difficult to uniformly support a thin film or linear noble metal on the surface of a base metal oxide having a high specific surface area, which leads to an increase in production cost. Therefore, it is preferable to support the noble metal in the form of fine particles. . When high conductivity is required, it is better to increase the loading amount and promote aggregation of fine particles.
貴金属と卑金属酸化物との界面では、酸素発生反応を加速する、より高い触媒活性の発現作用が期待できる。そこで貴金属と卑金属酸化物とはより長い界面を有することが好ましい。界面の最大化のためには、貴金属は微粒子状であることが望ましい。また電極表面で貴金属が占める面積と卑金属酸化物が占める面積とは1:1であることが理想的であるが、作製の困難さを考慮すると、貴金属の表面積が該卑金属酸化物担体の表面積に対して30〜70%程度であればよく、40〜60%の範囲内であればより好ましい。 At the interface between the noble metal and the base metal oxide, a higher catalytic activity can be expected to accelerate the oxygen generation reaction. Therefore, it is preferable that the noble metal and the base metal oxide have a longer interface. In order to maximize the interface, the noble metal is desirably in the form of fine particles. Further, the area occupied by the noble metal and the area occupied by the base metal oxide on the electrode surface is ideally 1: 1, but considering the difficulty of production, the surface area of the noble metal is the surface area of the base metal oxide support. On the other hand, it may be about 30 to 70%, and more preferably in the range of 40 to 60%.
卑金属酸化物と貴金属を担持する基材は導電性があればよく、金属材料であれば特に制限するものではないが、コスト面ではFe、耐食性の面ではNiもしくはTiを用いるとよい。また、卑金属酸化物との密着性を維持できれば、炭素材料を基材として用いてもよい。また、基板の表面を凹凸形状とし、基板を高比表面積化することが好ましい。その際、見かけの表面積に対し、実表面積が10〜1000倍とすることが望ましい。このように高比表面積化した基材上に卑金属酸化物を形成することによって、上述した卑金属酸化物を高比表面積化と同様の効果が得られる。 The base material supporting the base metal oxide and the noble metal only needs to be electrically conductive and is not particularly limited as long as it is a metal material. However, it is preferable to use Fe in terms of cost and Ni or Ti in terms of corrosion resistance. In addition, a carbon material may be used as a base material as long as adhesion with a base metal oxide can be maintained. In addition, it is preferable that the surface of the substrate has a concavo-convex shape and the substrate has a high specific surface area. At that time, it is desirable that the actual surface area be 10 to 1000 times the apparent surface area. By forming the base metal oxide on the base material having a high specific surface area in this way, the same effect as that of increasing the specific surface area of the base metal oxide can be obtained.
本発明の酸素発生電極の作製方法は、上記の構成が作製できればよく、特に制限されるものではない。しかしながら、作製の簡便性やコストを考慮すると、塗布と焼成を繰り返す乾式法、もしくは電解析出を利用する湿式法を用いるとよい。 The method for producing the oxygen generating electrode of the present invention is not particularly limited as long as the above configuration can be produced. However, in view of the simplicity of production and cost, it is preferable to use a dry method in which coating and baking are repeated, or a wet method using electrolytic deposition.
乾式法では、まず導電性の基材表面に卑金属塩を含む溶媒を塗布し、空気中で焼成することにより卑金属酸化物を作製する。このとき卑金属塩の種類、および溶媒の種類は特に制限はなく、焼成することにより卑金属酸化物が作製できればよい。基材が金属の場合、熱膨張率の違いにより卑金属酸化物はひび割れが生じるため、単純に溶媒を塗布し、焼成しただけでも高い比表面積は得られる。しかしながら、界面活性剤のミセルやポリスチレンビーズなどの微小な有機構造体を溶媒に混合すると、焼成した時に有機構造体が含まれていた部分が空隙となり、非常に高い比表面積を有する卑金属酸化物を作製することが可能である。有機構造体の種類,濃度,サイズに関しては特に規定はなく、所望の卑金属酸化物に応じて選択すればよい。卑金属酸化物の総量は塗布・焼成の回数、もしくは卑金属塩の濃度,溶媒の粘度で調整することができる。また種類の異なる卑金属酸化物を連続で形成することも可能である。基材との密着性の悪い卑金属酸化物を利用したい場合、密着性向上効果のある卑金属酸化物を形成し、その上に利用したい卑金属酸化物を形成することもできる。 In the dry method, a base metal oxide is first prepared by applying a solvent containing a base metal salt to the surface of a conductive substrate and firing in air. At this time, the kind of base metal salt and the kind of solvent are not particularly limited, and it is sufficient that a base metal oxide can be produced by firing. When the base material is a metal, cracks occur in the base metal oxide due to the difference in thermal expansion coefficient. Therefore, a high specific surface area can be obtained simply by applying a solvent and baking. However, when fine organic structures such as surfactant micelles and polystyrene beads are mixed in a solvent, the portion containing the organic structures when baked becomes voids, and a base metal oxide having a very high specific surface area is formed. It is possible to produce. The type, concentration, and size of the organic structure are not particularly limited, and may be selected according to a desired base metal oxide. The total amount of the base metal oxide can be adjusted by the number of coating and firing, the concentration of the base metal salt, and the viscosity of the solvent. It is also possible to continuously form different types of base metal oxides. When it is desired to use a base metal oxide having poor adhesion to the substrate, a base metal oxide having an effect of improving adhesion can be formed, and a base metal oxide to be used can be formed thereon.
卑金属酸化物を形成し終えた後、貴金属塩を含む溶媒を塗布し、焼成することで貴金属を卑金属酸化物表面に担持した電極が完成する。貴金属塩の種類、および溶媒の種類は特に規定するものではないが、貴金属微粒子を高分散するためには濡れ性のよい溶媒が好ましく、メタノール,エタノール,プロパノール,ブタノールなどの低分子量のアルコールを用いるとよい。貴金属微粒子の担持量,サイズ,分散性は塗布・焼成の回数、もしくは卑金属塩の濃度,溶媒の粘度で調整することができる。 After the formation of the base metal oxide, a solvent containing a noble metal salt is applied and baked to complete an electrode carrying the noble metal on the surface of the base metal oxide. The type of the noble metal salt and the type of the solvent are not particularly limited, but a solvent with good wettability is preferable for highly dispersing the noble metal fine particles, and a low molecular weight alcohol such as methanol, ethanol, propanol, or butanol is used. Good. The amount, size, and dispersibility of the noble metal fine particles can be adjusted by the number of coating and firing, the concentration of the base metal salt, and the viscosity of the solvent.
乾式法は、塩を含む溶液の塗布・焼成を繰り返すだけで電極の作製が可能であり、簡便で低コストな作製方法である。 The dry method is a simple and low-cost production method in which an electrode can be produced simply by repeatedly applying and baking a solution containing a salt.
湿式法では、導電性の基材を対極とともに卑金属塩を含む溶媒中に浸漬し、電圧をかけて電解析出する。酸化電位側でアノード析出させれば、卑金属酸化物を直接基材表面に作製することが可能である。また還元電位側で卑金属をカソード析出させた後、空気中で焼成することで卑金属酸化物を作製することもできる。乾式法では有機構造体を変化させ多孔体の構造を制御する程度だが、湿式法では添加剤の種類や析出条件などにより卑金属酸化物の形状を柱状,板状,樹状などに比較的容易に制御できるところが利点である。 In the wet method, a conductive base material is immersed in a solvent containing a base metal salt together with a counter electrode, and electrolytic deposition is performed by applying a voltage. If the anode is deposited on the oxidation potential side, the base metal oxide can be directly formed on the substrate surface. In addition, after the base metal is deposited on the cathode at the reduction potential side, the base metal oxide can be produced by firing in air. In the dry method, the structure of the porous body is controlled by changing the organic structure, but in the wet method, the shape of the base metal oxide is comparatively easy to columnar, plate-like, dendritic, etc., depending on the type of additive and deposition conditions. The advantage is that it can be controlled.
作製した卑金属酸化物の導電度が高ければ、貴金属を電解析出によって担持することも可能である。この場合、パルス電着法や定電位法,定電流法などの電解析出手法により貴金属微粒子のサイズや分散度を制御できる。また添加剤によって貴金属微粒子の形状やサイズを制御することも可能である。 If the produced base metal oxide has high conductivity, it is possible to carry a noble metal by electrolytic deposition. In this case, the size and degree of dispersion of the noble metal fine particles can be controlled by electrolytic deposition techniques such as pulse electrodeposition, constant potential, and constant current. Further, the shape and size of the noble metal fine particles can be controlled by the additive.
作製法については、湿式法で作製した卑金属酸化物の表面に乾式法で貴金属微粒子を担持してもよく、その逆でもよい。他の手法を利用してもよく、作製した卑金属酸化物の表面に市販の貴金属ナノ粒子を担持してもよい。 As for the production method, noble metal fine particles may be supported by the dry method on the surface of the base metal oxide produced by the wet method, or vice versa. Other techniques may be used, and commercially available noble metal nanoparticles may be supported on the surface of the produced base metal oxide.
本実施形態の電気分解装置において、水素発生極102は水を還元して水素を発生させる反応を促進する役割を有する。水素発生極102は高比表面積が好ましく、多孔体や網状,不織布状であるとより好ましい。さらに表面にナノ構造体などを作製するとよい。水素発生極は水素発生反応をより低電力で行うため、より水素過電圧の小さなPt,Rh,Irなどの白金族を利用することが好ましい。白金族はコスト高であるため、より安価なNi,Feなどを用いてもよく、白金族と合金化して用いても良い。
In the electrolysis apparatus of this embodiment, the
電解液106としては、特に制限はないが、電極や電解槽の腐食を抑えるため、アルカリ性の水溶液を用いることが好ましい。
Although there is no restriction | limiting in particular as the
隔壁104の材料としては、特に規定はしないが、水溶液に溶解しない安定性の高い樹脂が好ましい。ポリイミド,ポリエチレンなどが例として挙げられる。樹脂の場合、イオンが内部を移動できるように多孔体,スポンジ状であることが必要である。また電解質と隔壁の特性を併せ持つイオン導電性樹脂を利用しても良い。特にプロトン導電性樹脂を利用した場合、酸素極側は水溶液,水素極側には水が必要なく、純粋な水素のみになるため気液分離の必要がなく、発電も容易になる。
The material of the
水電解による水素製造では、水素コストの削減のため電力消費量と部材コストの低減が強く求められる。本実施形態の電極は、高比表面積で酸素発生過電圧が低く、部材コストが安いため、水素製造装置の酸素極として好適である。 In hydrogen production by water electrolysis, reduction of power consumption and member cost is strongly demanded in order to reduce hydrogen cost. The electrode of the present embodiment is suitable as an oxygen electrode of a hydrogen production apparatus because it has a high specific surface area, a low oxygen generation overvoltage, and a low member cost.
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described by way of specific examples, but the present invention is not limited to the following examples.
図2に本実施例の酸素発生極201の断面模式図を示す。酸素発生極201は貴金属微粒子202,卑金属酸化物203,導電性の基材204からなる。卑金属酸化物203は高比表面積であり、全体に貴金属微粒子202が高分散担持される。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the
電極の評価に関しては、表面形状評価を光学顕微鏡、断面形状評価をSEM、貴金属微粒子の粒径評価をXRDにより行った。電気化学的特性の評価は、1mol/LのKOH水溶液中において3極式で行った。参照極には銀/塩化銀を用い、対極は白金メッシュを利用した。酸素発生電位の立ち上がりと、一定電位における電流値の大きさから酸素発生反応に対する電極触媒活性を評価した。 Regarding the evaluation of the electrodes, the surface shape was evaluated by an optical microscope, the cross-sectional shape was evaluated by SEM, and the particle size of noble metal fine particles was evaluated by XRD. The electrochemical characteristics were evaluated in a tripolar manner in a 1 mol / L KOH aqueous solution. Silver / silver chloride was used for the reference electrode, and a platinum mesh was used for the counter electrode. The electrocatalytic activity for the oxygen generation reaction was evaluated from the rise of the oxygen generation potential and the magnitude of the current value at a constant potential.
実施例1では、貴金属微粒子202にAuを、卑金属酸化物203にTi酸化物を、基材204にTi板を選択した。電極作製法は乾式法を用いた。図3に乾式法による電極作製プロセスの一例を模式図で示す。まず基材301(Ti板)に5重量%の水溶性Ti錯体を水に溶解した溶媒302を塗布した。溶媒302には、ドデシル硫酸ナトリウムが含まれておりミセル状の有機構造体303を形成している。溶媒302を塗布したTi板を空気中で160℃,2時間乾燥させた後、500℃,10分間焼成することによりTiO2からなる卑金属酸化物304を形成した。さらに表面に1重量%の塩化金酸を含むブタノール溶液305を塗布した後、500℃で1時間焼成し、電極307を得た。In Example 1, Au was selected as the noble metal
さらに電極307をXRD測定し、結晶子径26nmのAu微粒子306が形成していることを確認した。次に電極触媒活性を評価した。0.7Vにおける電流値を測定したところ、26mAの酸素発生電流が観測できた。
Further, the
〔比較例1〕
比較例1では、Ti基材表面に卑金属酸化物としてTi酸化物を形成した電極の特性を評価した。作製方法は実施例1と同等である。[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, the characteristics of an electrode in which a Ti oxide was formed as a base metal oxide on the surface of a Ti base material were evaluated. The manufacturing method is the same as in Example 1.
表面形状は実施例1と同等の電極が得られた。一方、0.7Vにおける電流値は2mAであった。 An electrode having a surface shape equivalent to that of Example 1 was obtained. On the other hand, the current value at 0.7 V was 2 mA.
実施例2では、貴金属微粒子にAgを、卑金属酸化物にNiTi合金の酸化物を、基材にTi板を選択した。Ti板の表面にNiTi合金の酸化物を形成するために硫酸Niと水溶性Ti錯体を水に溶解した溶媒を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した。 In Example 2, Ag was selected as the noble metal fine particles, a NiTi alloy oxide was selected as the base metal oxide, and a Ti plate was selected as the base material. It was produced in the same manner as in Example 1 except that a solvent in which Ni sulfate and a water-soluble Ti complex were dissolved in water was used to form a NiTi alloy oxide on the surface of the Ti plate.
表面形状は実施例1と同じく凹凸の激しい表面が得られた。Agの結晶子径は35nmであった。0.7Vにおける電流値は32mAで、実施例1と同等の活性が確認できた。 As for the surface shape, a surface with severe irregularities was obtained as in Example 1. The crystallite diameter of Ag was 35 nm. The current value at 0.7 V was 32 mA, and the same activity as in Example 1 was confirmed.
〔比較例2〕
比較例3では、Ti基材表面に卑金属酸化物としてNiTi合金酸化物を形成した電極の特性を評価した。作製方法は実施例2と同等である。[Comparative Example 2]
In Comparative Example 3, the characteristics of an electrode in which a NiTi alloy oxide was formed as a base metal oxide on the Ti substrate surface were evaluated. The manufacturing method is the same as in Example 2.
表面形状は実施例1と同等の電極が得られた。一方、0.7Vにおける電流値は1mA以下であった。 An electrode having a surface shape equivalent to that of Example 1 was obtained. On the other hand, the current value at 0.7 V was 1 mA or less.
実施例3では、基材として高比表面積化したTi板を使用した電極の特性を評価した。貴金属微粒子にAuを、卑金属酸化物にTi酸化物を選択した。図4に本実施例の電極401の断面模式図を示す。
In Example 3, the characteristics of an electrode using a Ti plate having a high specific surface area as a substrate were evaluated. Au was selected as the noble metal fine particles, and Ti oxide was selected as the base metal oxide. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the
基材404は、85度に加熱した10重量%のシュウ酸水溶液中にTi板を60分間浸漬して、表面をエッチングすることで高比表面積のTi板を作製した。次に5重量%の水溶性Ti錯体を含む水溶媒を塗布した後に焼成することで、Ti酸化物微粒子403を担持した。さらに1重量%の塩化金酸を含むブタノール溶液を塗布した後、再び焼成しAu微粒子402をTi酸化物微粒子403の表面に担持した。図5は電極401の表面光学顕微鏡像である。凹凸の激しい表面が確認できる。さらに、電極401をXRD測定し、結晶子径20nmのAu微粒子402が形成していることを確認した。次に電極触媒活性を評価した。0.7Vにおける電流値を測定したところ、25mAの酸素発生電流が観測できた。
As the
実施例4では、図6に示した基材604上に卑金属酸化物602の薄膜を形成し、卑金属酸化物602に貴金属微粒子603を担持した構成の電極特性を評価した。本実施例では、基材604にTi板、卑金属酸化物602にTi酸化物、貴金属微粒子にAuを用いた。Ti酸化物薄膜は水溶性Ti錯体を水に溶解した溶媒をTi基材に複数回塗布して作製した。Ti酸化物薄膜の膜厚は129nmであり、表面に粒径50nm程度のAu微粒子を高分散担持した。0.7Vにおける電流値を測定したところ、17mAの酸素発生電流が観測できた。
In Example 4, a
〔比較例3〕
比較例3では、Ti酸化物薄膜を形成したTi基材表面にAu薄膜をスパッタ担持した電極の特性を評価した。Ti薄膜の作製方法は実施例4と同等である。[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, the characteristics of an electrode having an Au thin film sputter-supported on the surface of a Ti base material on which a Ti oxide thin film was formed were evaluated. The method for producing the Ti thin film is the same as in Example 4.
平坦なTi酸化物薄膜に担持したAu薄膜のXRDピークはブロードとなり平均的な結晶子径は得られなかった。一方、0.7Vにおける電流値は1mA以下であった。 The XRD peak of the Au thin film supported on the flat Ti oxide thin film was broad, and an average crystallite diameter was not obtained. On the other hand, the current value at 0.7 V was 1 mA or less.
実施例5では、貴金属微粒子にAuを、卑金属酸化物にNi酸化物を、基材にNi板を選択した。電極作製法は湿式法を用いた。図7に湿式法による電極作製プロセスの一例を模式図で示す。まず、基材701を10重量%のNiSO4を溶解した水溶液702に浸漬した。水溶液702には、析出物の高比表面積化を図る添加剤として5重量%のドデシル硫酸ナトリウムを添加した。Niメッシュを対極とし、カソード析出の定電圧条件でNi板表面に板状の高比表面積Ni構造体703を電解析出した。電解析出後、純水で洗浄し、空気中で500℃1時間焼成し、板状の構造を有するNi酸化物704を得た。Ni酸化物704を2重量%の塩化金酸を含む水溶液705に浸漬し、Ptの対極との間に定電圧をかけてAu微粒子706を電解析出した。その後、純水で洗浄した後、乾燥し、再び500℃1時間焼成して電極707を得た。In Example 5, Au was selected as the noble metal fine particles, Ni oxide was selected as the base metal oxide, and Ni plate was selected as the base material. A wet method was used as an electrode manufacturing method. FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of an electrode manufacturing process by a wet method. First, the
断面SEMで観察したところ、Ni酸化物704は縦幅が300〜500nm、横幅が20〜100nm、高さが1μmの板状構造を形成していることが確認できた。さらに、電極707をXRD測定し、結晶子径12nmのAu微粒子706が形成していることを確認した。なお、実施例5では計算によりAu微粒子の表面に占める割合を求めた。Ni酸化物の形状を500nm×100nm×1μmとして表面積を計算したところ、Au微粒子が表面に占める割合は60%程度であった。0.7Vにおける電流値は127mAであった。
Observation with a cross-sectional SEM confirmed that the
〔比較例4〕
比較例4ではNi基材表面にNi酸化物を形成した。作製方法は実施例5と同様である。Ni酸化物は実施例5と同じく板状の構造体を形成していた。0.7Vにおける電流値は91mAであった。[Comparative Example 4]
In Comparative Example 4, Ni oxide was formed on the Ni substrate surface. The manufacturing method is the same as in Example 5. The Ni oxide formed a plate-like structure as in Example 5. The current value at 0.7 V was 91 mA.
実施例6では、貴金属微粒子にAuを、卑金属酸化物にMnの酸化物を、基材にNi板を選択した。電極作製法は湿式法と乾式法を組み合わせた。まずNi板を10重量%のMnSO4を溶解した0.1mol/L NaSO4水溶液に浸漬し、アノード析出の定電圧条件でNi板表面にMnOxを析出した。電解析出後、純水で洗浄し、空気中で250℃1時間乾燥した。さらに表面に1重量%の塩化金酸を含むブタノール溶液を塗布した後、300℃で1時間焼成し、電極化した。In Example 6, Au was selected as the noble metal fine particles, Mn oxide was selected as the base metal oxide, and a Ni plate was selected as the base material. The electrode fabrication method combined a wet method and a dry method. First, the Ni plate was immersed in a 0.1 mol / L NaSO 4 aqueous solution in which 10% by weight of MnSO 4 was dissolved, and MnOx was deposited on the surface of the Ni plate under the condition of constant voltage for anode deposition. After electrolytic deposition, it was washed with pure water and dried in air at 250 ° C. for 1 hour. Further, a butanol solution containing 1% by weight of chloroauric acid was applied to the surface, followed by baking at 300 ° C. for 1 hour to form an electrode.
表面構造を観察したところ、Mn酸化物は図2に示した実施例1のTi酸化物と同様の、凹凸の激しい表面を形成していた。Au微粒子の粒径は8nmであった。なお、実施例6では単位面積当たりのMn酸化物の量と結晶子径から表面積を計算した。その結果、Au微粒子が表面に占める割合は50%程度であった。0.7Vにおける電流値は190mAであった。 When the surface structure was observed, the Mn oxide formed a surface with severe irregularities similar to the Ti oxide of Example 1 shown in FIG. The particle diameter of the Au fine particles was 8 nm. In Example 6, the surface area was calculated from the amount of Mn oxide per unit area and the crystallite diameter. As a result, the ratio of the Au fine particles to the surface was about 50%. The current value at 0.7 V was 190 mA.
また10重量%のNaCl水溶液中でも電解反応が進行し、電極表面構造が維持できていることが確認できた。 Further, it was confirmed that the electrolytic reaction proceeded even in a 10% by weight NaCl aqueous solution and the electrode surface structure was maintained.
本実施例の電極は塩水に対する酸素発生活性が高く、例えば海水を電気分解して水素と酸素を製造することも可能である。 The electrode of this embodiment has high oxygen generation activity with respect to salt water. For example, seawater can be electrolyzed to produce hydrogen and oxygen.
101 セル
102 水素発生極
103 酸素発生極
104 隔壁
105 電解槽
106 電解液
201 酸素発生極
202 貴金属
203,304,602 卑金属酸化物
204,301,604,701 基材
302 溶媒
303 有機構造体
305 溶液
306,402,706 Au微粒子
307,401,601,707 電極
403 Ti酸化物微粒子
603 貴金属微粒子
702,705 水溶液
703 高比表面積Ni構造体
704 Ni酸化物DESCRIPTION OF
Claims (17)
導電性の基材と、該基材表面上に形成された卑金属酸化物と、該卑金属酸化物表面に担持した貴金属とを備え、
前記貴金属が、Au,Ag及びこれらの酸化物から選択される1種以上であることを特徴とする電気分解用電極。An electrode for electrolysis that generates hydrogen by electrolyzing an electrolyte solution,
Comprising a conductive base material, a base metal oxide formed on the base material surface, and a noble metal supported on the base metal oxide surface;
The electrode for electrolysis, wherein the noble metal is at least one selected from Au, Ag, and oxides thereof.
前記酸素発生極が、導電性の基材と、該基材表面上に形成された卑金属酸化物と、該卑金属酸化物表面に担持した貴金属とで構成され、前記貴金属が、Au,Ag及びこれらの酸化物から選択される1種以上であることを特徴とする電気分解装置。In an electrolysis apparatus equipped with a hydrogen generating electrode and an oxygen generating electrode arranged in contact with the electrolyte,
The oxygen generating electrode is composed of a conductive base material, a base metal oxide formed on the surface of the base material, and a noble metal supported on the surface of the base metal oxide, and the noble metal includes Au, Ag, and these An electrolysis apparatus, wherein the electrolysis apparatus is one or more selected from the oxides of:
導電性の基材の表面に卑金属酸化物を形成する工程と、
前記卑金属酸化物の表面にAu,Ag及びこれらの酸化物から選択される1種以上の貴金属を担持する工程とを備えることを特徴とする電気分解用電極の製造方法。A method for producing an electrode for electrolysis that electrolyzes an electrolytic solution to produce hydrogen,
Forming a base metal oxide on the surface of the conductive substrate;
And a step of supporting Au, Ag and one or more kinds of noble metals selected from these oxides on the surface of the base metal oxide.
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS57198280A (en) * | 1981-06-01 | 1982-12-04 | Asahi Glass Co Ltd | Electrolytic process of water |
JPS5923890A (en) * | 1982-07-29 | 1984-02-07 | Plasma Giken Kogyo Kk | Insoluble electrode |
JPS62500459A (en) * | 1984-09-17 | 1987-02-26 | エルテック・システムズ・コ−ポレ−ション | Composite catalyst material for electrolytic electrodes and its manufacturing method |
JPH01176086A (en) * | 1987-12-29 | 1989-07-12 | Permelec Electrode Ltd | Electrode for electrolysis having durability and manufacture thereof |
JPH06101083A (en) * | 1992-06-25 | 1994-04-12 | Eltech Syst Corp | Electrode with improved durable length of time |
JP2007046130A (en) * | 2005-08-11 | 2007-02-22 | Japan Nuclear Cycle Development Inst States Of Projects | Electrolytic hydrogen production system, and method for producing the same |
-
2011
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS57198280A (en) * | 1981-06-01 | 1982-12-04 | Asahi Glass Co Ltd | Electrolytic process of water |
JPS5923890A (en) * | 1982-07-29 | 1984-02-07 | Plasma Giken Kogyo Kk | Insoluble electrode |
JPS62500459A (en) * | 1984-09-17 | 1987-02-26 | エルテック・システムズ・コ−ポレ−ション | Composite catalyst material for electrolytic electrodes and its manufacturing method |
JPH01176086A (en) * | 1987-12-29 | 1989-07-12 | Permelec Electrode Ltd | Electrode for electrolysis having durability and manufacture thereof |
JPH06101083A (en) * | 1992-06-25 | 1994-04-12 | Eltech Syst Corp | Electrode with improved durable length of time |
JP2007046130A (en) * | 2005-08-11 | 2007-02-22 | Japan Nuclear Cycle Development Inst States Of Projects | Electrolytic hydrogen production system, and method for producing the same |
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