JPWO2018047961A1 - アルカリ水電解用陽極の製造方法及びアルカリ水電解用陽極 - Google Patents
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Abstract
Description
陽極反応:2OH-→H2O+1/2O2+2e- (1)
陰極反応:2H2O+2e-→H2+2OH- (2)
Ni+2OH-→Ni(OH)2+2e- (3)
電位の増加に従って、3価、4価へと酸化される。反応式として、
Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e- (4)
NiOOH+OH-→NiO2+H2O+e- (5)
ニッケル系電池ではこのような酸化物、水酸化物を活物質として利用しているが、アルカリ水電解では、このようなニッケル材料の活性を抑制することが好ましい。
アルカリ水電解に使用される酸素発生用陽極としては、ニッケル自体も酸素過電圧が小さく、特に硫黄を含んだニッケルめっき電極は水電解用陽極として利用されている。
すなわち、本発明の一態様は、硝酸リチウム及びカルボン酸ニッケルを水に溶解させて、リチウムイオン及びニッケルイオンを含有する水溶液を作製する工程と、少なくとも表面がニッケル又はニッケル基合金よりなる導電性基体の表面に、前記水溶液を塗布する工程と、前記水溶液を塗布した前記導電性基体を450℃以上600℃以下の範囲内の温度で熱処理し、前記導電性基体上にリチウム含有ニッケル酸化物からなる触媒層を形成する工程と、を含むアルカリ水電解用陽極の製造方法である。
更に本発明の方法により作製された陽極は、熱処理温度が低いために表面の酸化抵抗が低減されている。また、加速寿命試験を行った後でも触媒の活性が失われない。従って、再生可能エネルギー等の出力変動が大きい動力源を用いたアルカリ水電解装置に適用した場合でも、長期間に亘って高い触媒活性を維持することができ、耐久性に優れる陽極を得ることが可能である。
図1は、本発明のアルカリ水電解用陽極の1実施態様を示す模式図であり、陽極1は、陽極基体2と、陽極基体2の表面に形成される触媒層3とを備える。
陽極基体2は、少なくとも表面がニッケル又はニッケル基合金よりなる導電性基体である。陽極基体2は、全体がニッケル又はニッケル基合金から作製されていても良い。あるいは、鉄、ステンレス、アルミニウム、チタン等の金属材料の表面に、めっき等などによりニッケル又はニッケル合金のコーティングが形成された陽極基体であっても良い。
触媒層3は、リチウム含有ニッケル酸化物からなる。具体的に、リチウム含有ニッケル酸化物は、化学式LixNi2-xO2(0.02≦x≦0.5)で表されることが好ましい。xが0.02未満であると、十分な導電性が得られない。一方、xが0.5を超えると物理的強度及び化学的安定性が低下する。上記組成とすることにより、電解に十分な導電性が得られるとともに、長期間使用した場合でも優れた物理的強度及び化学的安定性を有することができる。
まず、触媒層の前駆体を作製する。前駆体は、リチウムイオン及びニッケルイオンを含有する水溶液である。リチウム成分原料は硝酸リチウム(LiNO3)であり、ニッケル成分原料はカルボン酸ニッケルである。カルボン酸ニッケルとしては、ギ酸ニッケル(Ni(HCOO)2)、酢酸ニッケル(Ni(CH3COO)2)などを挙げることができる。なかでも、酢酸ニッケル(Ni(CH3COO)2)を用いることが好ましい。水溶液中のリチウム及びニッケルのモル比が、Li:Ni=0.02:1.98〜0.5:1.5の範囲となるように、硝酸ニッケル及びカルボン酸ニッケルを水に溶解させる。なお、溶解度及び保存における安定性を考慮して、カルボン酸ニッケルの濃度は0.1mol/L以上1mol/L以下であることが好ましく、0.1〜0.6mol/Lであることがさらに好ましい。
層平均密度(g/cm3)=6.67×(1−気孔率) ・・・(1)
陰極としては、アルカリ水電解に耐えうる基体材料で陰極過電圧が小さい触媒を選択する必要がある。陰極基体としてニッケルそのままかニッケル基体に活性陰極を被覆したものが用いられている。基体としては陽極同様、エクスパンドメッシュ、多孔質エクスパンドメッシュを使用できる。
<実施例1>
前駆体として、硝酸リチウム(和光純薬工業株式会社製、純度99%)と、酢酸ニッケル四水和物(Ni(CH3COO)2・4H2O、純正化学株式会社製、純度98.0%)とを純水に添加し、溶解させた。水溶液中のリチウム及びニッケルのモル比は、Li:Ni=0.1:1.9とした。水溶液中の酢酸ニッケル濃度は0.3mol/Lとした。
前駆体として、硝酸リチウム(実施例1と同じ)と、硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO3)2・6H2O、純正化学株式会社製、純度98.0%)とを純水に添加し、溶解させた。水溶液中のリチウム及びニッケルのモル比は実施例1と同じとした。水溶液中の硝酸ニッケルの濃度は1.0mol/Lとした。
図2に示す通り、実施例1及び比較例1で同じ位置にピークが表れている。このことから、実施例1と比較例1とは同様の結晶構造を有することが示された。但し、図3に示すように、実施例1の酸化物の層(触媒層)は比較例の触媒層よりも薄い。
図3に示す通り、実施例1の触媒層は緻密な酸化物であり、比較例1の触媒層は多孔質な酸化物であることが分かる。この結果、比較例1では耐久性試験下での電極消耗により基板への電解液の浸漬が生じ、基板の腐食へとつながると考えられる。
まず、加速寿命試験前の各サンプルについて、以下の条件でSSV(Slow Scan Voltammotram)を行った。SSVの結果から、各試料の酸素発生時の電圧及び電流密度を算出した。
電解液:25質量%KOH水溶液、温度30℃±1℃
電位範囲:0.5V〜1.8V
走査速度:5mV/sec
対極:Niコイル
参照極:可逆水素電極(RHE)
測定雰囲気:窒素雰囲気
サイクル数:5回
電位範囲:0.5V〜1.8V
操作速度:1V/sec
サイクル数:0、1000、3000、5000、10000、15000、20000サイクル
比較例1は、加速寿命試験前の段階では実施例1とほぼ同等の電圧及び電流密度を示していたが、サイクル数が増加するに従って、電圧が漸増し、電流密度が漸減する傾向が見られた。
この結果から、実施例1の場合は加速寿命試験により電気化学的特性が向上するとともに、長期間に亘りその性能が維持されることが示された。
実施例1と同様の工程により、ニッケル板(面積1.0cm2)上に触媒層を形成し、実施例2の陽極を作製した。
特許文献4に記載されている方法により、比較例2の陽極を作製した。すなわち、5質量%水酸化リチウム水溶液(リチウム成分原料:水酸化リチウム一水和物(LiOH・H2O、和光純薬工業株式会社製、純度98.0〜102.0%)中に実施例1と同じニッケル板を1時間浸漬した。その後、大気雰囲気にて1000℃1時間の条件で熱処理を実施した。X線回折分析の結果、比較例2の触媒層の組成はLi0.14Ni1.86O2であった。
実施例2は電圧が変わっても図5と同じ傾向が見られ、サイクル数の増加に伴い触媒が活性化した。一方、比較例2は逆に、サイクル数の増加により触媒性能が低下した。
前駆体として、硝酸リチウム(和光純薬工業株式会社製、純度99%)と、酢酸ニッケル四水和物(Ni(CH3COO)2・4H2O、純正化学株式会社製、純度98.0%)とを純水に添加し、溶解させた。水溶液中のリチウム及びニッケルのモル比は、Li:Ni=0.1:1.9とした。水溶液中の酢酸ニッケル濃度は0.56mol/Lとした。
表1に示す条件としたこと以外は、前述の実施例3と同様にして触媒層を形成して、実施例4〜8、比較例3〜8の電極を得た。得られた各電極の触媒層(酸化物)の特性を表2に示す。なお、比較例の電極の触媒層の層平均密度については、比較例3及び4の値のみ代表例として示した。また、得られた各電極の断面のSEM画像を図8〜18に示す。触媒層の層平均密度は、触媒層の断面写真(SEM画像)を画像解析して算出した触媒層の気孔率を用いて、下記式(1)から算出した。なお、触媒層の気孔率は、画像処理ソフト(モリテックス社製、商品名「MSX−500Di」に付属する画像処理ソフト)を使用し、二値化したSEM画像のピクセル数から、「気孔率=気孔面積/総面積」の値として算出した。
2 陽極基体
3 触媒層
Claims (3)
- 硝酸リチウム及びカルボン酸ニッケルを水に溶解させて、リチウムイオン及びニッケルイオンを含有する水溶液を作製する工程と、
少なくとも表面がニッケル又はニッケル基合金よりなる導電性基体の表面に、前記水溶液を塗布する工程と、
前記水溶液を塗布した前記導電性基体を450℃以上600℃以下の範囲内の温度で熱処理し、前記導電性基体上にリチウム含有ニッケル酸化物からなる触媒層を形成する工程と、
を含むアルカリ水電解用陽極の製造方法。 - 前記リチウム含有ニッケル酸化物は、組成式LixNi2-xO2(0.02≦x≦0.5)で表される請求項1に記載のアルカリ水電解用陽極の製造方法。
- 少なくとも表面がニッケル又はニッケル基合金よりなる導電性基体と、
前記導電性基体上に形成された、組成式LixNi2-xO2(0.02≦x≦0.5)で表されるリチウム含有ニッケル酸化物からなる触媒層と、を備え、
前記触媒層の層平均密度が、5.1g/cm3以上6.67g/cm3以下であるアルカリ水電解用陽極。
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