JPWO2020096022A1 - Oxygen Evolution (OER) Electrode Catalyst Materials and Their Use - Google Patents

Oxygen Evolution (OER) Electrode Catalyst Materials and Their Use Download PDF

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Abstract

本発明は、γ-CoOOH型の原子配列構造と同一又は類似する原子配列構造を有し、かつ酸素欠陥を有するCo酸化物ナノクラスターであって、ナノクラスター中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されていてもよい、Co酸化物材料及びその製造方法に関する。Co酸化物ナノクラスターの粒子径は、10nm以下である。本発明のCo酸化物材料はOER活性がより高い遷移金属酸化物触媒であり、本発明は、この触媒を用いた空気極用触媒や水電解陽極用触媒、空気極及び空気二次電池も提供する。The present invention is a Co oxide nanocluster having the same or similar atomic arrangement structure as the γ-CoOOH type atomic arrangement structure and having an oxygen defect, and a part of Co in the nanocluster is Fe and / Alternatively, the present invention relates to a Co oxide material and a method for producing the same, which may be substituted with Ni. The particle size of the Co oxide nanocluster is 10 nm or less. The Co oxide material of the present invention is a transition metal oxide catalyst having a higher OER activity, and the present invention also provides a catalyst for an air electrode, a catalyst for a water electrolysis anode, an air electrode and an air secondary battery using this catalyst. do.

Description

本発明は、酸素発生(OER)電極触媒用材料およびその利用に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、2018年11月8日出願の日本特願2018−210890号の優先権を主張し、その全記載は、ここに特に開示として援用される。
The present invention relates to materials for oxygen evolution (OER) electrode catalysts and their use.
Cross-reference to related applications This application claims the priority of Japanese Patent Application No. 2018-210890 filed on November 8, 2018, the entire description of which is incorporated herein by reference in particular.

酸素発生(OER)電極触媒は、アルカリ電解クリーン水素生成のアノード、および金属空気電池の空気極として重要である。これまでに、様々な結晶性Co系酸化物が酸素発生電極触媒として検討されてきており(非特許文献1-3)、またその表面活性種の同定も進んでいる。最近では高酸化活性触媒として知られるBa0.5Sr0.5Co0.4Fe0.6O3がアルカリ溶液中酸素発生電位以上になるとアモルファス化し、これが活性種となることが報告されている(非特許文献4)。また更に最近では非晶質Fe1-xCoxOy固溶体が,高い酸素発生電極触媒活性を示すことが報告されている(非特許文献5)。Oxygen evolution (OER) electrode catalysts are important as anodes for alkaline electrolytic clean hydrogen production and as air electrodes for metal-air batteries. So far, various crystalline Co-based oxides have been studied as oxygen-evolving electrode catalysts (Non-Patent Documents 1-3), and their surface active species have been identified. Recently, it has been reported that Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.4 Fe 0.6 O 3, which is known as a highly oxidative activity catalyst, becomes amorphous when it exceeds the oxygen evolution potential in an alkaline solution, and this becomes an active species (Non-Patent Document 4). More recently, it has been reported that an amorphous Fe 1-x Co x O y solid solution exhibits high oxygen-evolving electrode catalytic activity (Non-Patent Document 5).

さらに、これまで酸素発生触媒として注目されてこなかったブラウンミラーライト型遷移金属酸化物A2B2O5を用いることによりOER反応に対してPt触媒に匹敵する活性を示し、中でも2種類の遷移金属を含むものを用いることにより、貴金属触媒を凌ぐ活性を示すことが報告されている(特許文献1)。Furthermore, by using the brown mirror light type transition metal oxide A 2 B 2 O 5 , which has not been attracting attention as an oxygen evolution catalyst, the activity is comparable to that of the Pt catalyst for the OER reaction, and two types of transitions are among them. It has been reported that the use of a metal-containing catalyst exhibits an activity superior to that of a noble metal catalyst (Patent Document 1).

また、新たな構造を有するOER触媒の例として、CoOOHナノシート構造を有する材料が報告されている(非特許文献6)。この材料は、α-Co(OH)2シートをClアニオン及び水の存在下で超音波処理することで、層の剥離を行い次いで、NaClOを用いて酸化処理することで調製され、Fig.1bのTEM像及び1cのAFMM像によれば、200〜300nmの粒子サイズを有する。さらに、Fig.1dのXRDの結果によれば、結晶性を有する。Further, as an example of an OER catalyst having a new structure, a material having a CoOOH nanosheet structure has been reported (Non-Patent Document 6). This material was prepared by sonicating an α-Co (OH) 2 sheet in the presence of Cl anion and water to peel off the layers, and then oxidizing it with NaClO. Fig.1b According to the TEM image of 1c and the AFMM image of 1c, it has a particle size of 200 to 300 nm. Furthermore, according to the XRD result in Fig. 1d, it has crystallinity.

特許文献1:WO2015/115592 Patent Document 1: WO2015 / 115592

非特許文献1:T. Maiyalagan, et al., Nature Commun., 5, 3949 (2014).
非特許文献2:A. Grimoud et al, Nature Chem., 9, 457 (2017).
非特許文献3:Y. Matsumoto et al, J. Electrochem. Soc., 127, 811 (1980).
非特許文献4:K. J. May et al, J. Phys. Chem. Lett., 3, 3264 (2012).
非特許文献5:L. Wei et al., Adv. Mater., 10.1002/adma.201701410
非特許文献6:J.Huang, et al., Angewandte_Chemie_International_Edition 2015, 54, 8722-8727
特許文献1及び非特許文献1〜6の全記載は、ここに特に開示として援用される。
Non-Patent Document 1: T. Maiyalagan, et al., Nature Commun., 5, 3949 (2014).
Non-Patent Document 2: A. Grimoud et al, Nature Chem., 9, 457 (2017).
Non-Patent Document 3: Y. Matsumoto et al, J. Electrochem. Soc., 127, 811 (1980).
Non-Patent Document 4: KJ May et al, J. Phys. Chem. Lett., 3, 3264 (2012).
Non-Patent Document 5: L. Wei et al., Adv. Mater., 10.1002 / adma. 201701410
Non-Patent Document 6: J. Huang, et al., Angewandte_Chemie_International_Edition 2015, 54, 8722-8727
The entire description of Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 to 6 is incorporated herein by reference in particular.

特許文献1に記載されている2種類の遷移金属を含むブラウンミラーライト型遷移金属酸化物A2B2O5は、貴金属触媒を凌ぐOER活性を示すものである。しかし、実用に供することを鑑みれば、OER活性がより高く、かつ長期間安定した活性を示す触媒の開発が必要とされている。また、非特許文献3に記載の材料は製造方法が複雑であり、OER活性も高くないことからさらに改善の余地がある。 The brown mirror light type transition metal oxide A 2 B 2 O 5 containing two kinds of transition metals described in Patent Document 1 exhibits OER activity superior to that of a noble metal catalyst. However, in view of practical use, it is necessary to develop a catalyst having higher OER activity and stable activity for a long period of time. In addition, the materials described in Non-Patent Document 3 have a complicated manufacturing method and do not have high OER activity, so there is room for further improvement.

そこで本発明の目的は、OER活性がより高い新たな遷移金属酸化物触媒を開発し、さらにこの触媒を用いた空気極用触媒や水電解陽極用触媒、空気極及び空気二次電池を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to develop a new transition metal oxide catalyst having higher OER activity, and further to provide a catalyst for an air electrode, a catalyst for a water electrolysis anode, an air electrode and an air secondary battery using this catalyst. There is.

本発明は以下の通りである。
[1]
γ-CoOOH型の原子配列構造と同一又は類似する原子配列構造を有し、かつ酸素欠陥を有するCo酸化物ナノクラスターであって、ナノクラスター中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されていてもよい、Co酸化物材料。
[2]
前記Co酸化物ナノクラスターは、粒子径が10nm以下である、[1]に記載の材料。
[3]
CoO6八面体が陵共有により二次元的に連結して形成する[CoOx]平面単分子層に、電荷補償のためのプロトンが配位した[CoOxHy]平面単分子層がn層積層してできる[CoOxHy]n分子層シート状物質のナノクラスターを含有するCo酸化物材料であって、xは1.5〜2.0の範囲であり、yは0.01〜1の範囲であり、nは平面単分子層の分子層平面に垂直な方向(c軸方向)への積層数であり、1〜25の範囲であり、[CoOxHy]平面単分子層中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されていてもよい、またCoO6八面体の酸素の一部が欠損していても良い前記材料。
[4]
前記[CoOxHy]平面単分子層の一辺が10nm以下である、[3]に記載の材料。
[5]
TEM像において観察されるナノクラスターの最大外径は0.3〜10nmの範囲である、[1]〜[4]のいずれかに記載の材料。
[6]
ナノクラスター中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されている、[1]〜[5]のいずれかに記載の材料。
[7]
CoのFe及び/又はNiへの置換量は、オージェ分光スペクトル解析により得られるCo:Fe原子比又はICP分析による元素分析により得られるCo:Fe原子比が100:0.1〜10の範囲である[6]に記載の材料。
[8]
OER触媒用である[1]〜[7]のいずれかに記載の材料。
[9]
Ca2CoFeO5及び/又はCa2CoNiO5を含有する原料をアノード分極下に置くか、又はアルカリ水溶液に浸漬することを含む、[1]〜[7]のいずれかに記載の材料の製造方法。
[10]
アノード分極は、RHEに対して1.5〜2.0Vの範囲の電圧になる電流密度で行い、アルカリ水溶液への浸漬は、1M以上の濃度のアルカリ水溶液に1日以上行う、[9]に記載の製造方法。
[11]
Fe塩及び/又はNi塩並びにCo塩を含有する水溶液にアルカリを添加して、Fe及び/又はNi並びにCoを含有する水酸化物を沈澱させ、沈殿物を回収する工程、前記Fe及び/又はNi並びにCoを含有する水酸化物の沈殿物を酸素含有雰囲気中で焼成して、Fe及び/又はNi並びにCoを含有するオキシ水酸化物を得ることを含む[1]〜[7]のいずれかに記載の材料の製造方法。
[12]
前記Fe塩、Ni塩及びCo塩は、それぞれ硝酸塩であり、前記アルカリは、アルカリ金属水酸化物である[11]に記載の製造方法。
[13]
[1]〜[7]のいずれかに記載の材料又は[9]〜[12]のいずれかに記載の方法で製造された材料を含む空気極用触媒。
[14]
[1]〜[7]のいずれかに記載の材料又は[9]〜[12]のいずれかに記載の方法で製造された材料を含む水電解陽極用触媒。
[15]
[13]又は[14]に記載の触媒を含む金属空気二次電池用空気極。
[16]
前記材料は酸素発生用触媒として含有され、酸素還元用触媒をさらに含む[15]に記載の空気極。
[17]
[15]又は[16]に記載の空気極と、負極活物質を含有する負極と、前記空気極と前記負極との間に介在する電解質とを有する金属空気二次電池。
[18]
酸素還元用触媒を含む酸素還元用空気極をさらに含む[17]に記載の金属空気二次電池。
The present invention is as follows.
[1]
A Co oxide nanocluster having the same or similar atomic arrangement structure as the γ-CoOOH type atomic arrangement structure and having an oxygen defect, and a part of Co in the nanocluster is replaced with Fe and / or Ni. Co-oxide material, which may be.
[2]
The material according to [1], wherein the Co oxide nanocluster has a particle size of 10 nm or less.
[3]
CoO 6 octahedra are formed by connecting two-dimensionally by Ling sharing [CoO x] plane monolayer protons for charge compensation is coordinated [CoO x H y] plane monolayer n layer can be laminated to a [CoO x H y] Co oxide material containing nano-clusters of n molecular layer sheet material, x is in the range of 1.5 to 2.0, y is in the range of 0.01 to 1, n is the number of stacked direction perpendicular to the molecular layer planes of monomolecular layer (c-axis direction) in the range of 1 to 25, a portion of [CoO x H y] plane Co monomolecular layer The material may be substituted with Fe and / or Ni, and may lack some of the oxygen in the CoO 6 octahedron.
[4]
Material according to the one side of the [CoO x H y] plane monomolecular layer is 10nm or less, [3].
[5]
The material according to any one of [1] to [4], wherein the maximum outer diameter of the nanoclusters observed in the TEM image is in the range of 0.3 to 10 nm.
[6]
The material according to any one of [1] to [5], wherein a part of Co in the nanocluster is replaced with Fe and / or Ni.
[7]
The amount of Co substituted for Fe and / or Ni has a Co: Fe atomic ratio obtained by Auger spectroscopic analysis or a Co: Fe atomic ratio obtained by elemental analysis by ICP analysis in the range of 100: 0.1 to 10. 6] The material according to.
[8]
The material according to any one of [1] to [7] for an OER catalyst.
[9]
The method for producing a material according to any one of [1] to [7], which comprises placing a raw material containing Ca 2 CoFeO 5 and / or Ca 2 CoNiO 5 under anodic polarization or immersing it in an alkaline aqueous solution. ..
[10]
The production according to [9], wherein the anodic polarization is carried out at a current density having a voltage in the range of 1.5 to 2.0 V with respect to RHE, and the immersion in the alkaline aqueous solution is carried out in the alkaline aqueous solution having a concentration of 1 M or more for 1 day or more. Method.
[11]
A step of adding an alkali to an aqueous solution containing a Fe salt and / or Ni salt and a Co salt to precipitate a hydroxide containing Fe and / or Ni and Co, and recovering the precipitate. Any of [1] to [7], which comprises calcining a precipitate of a hydroxide containing Ni and Co in an oxygen-containing atmosphere to obtain an oxyhydroxide containing Fe and / or Ni and Co. The method for producing the material described in Crab.
[12]
The production method according to [11], wherein the Fe salt, the Ni salt and the Co salt are nitrates, respectively, and the alkali is an alkali metal hydroxide.
[13]
An air electrode catalyst containing the material according to any one of [1] to [7] or the material produced by the method according to any one of [9] to [12].
[14]
A catalyst for a water electrolytic anode containing the material according to any one of [1] to [7] or the material produced by the method according to any one of [9] to [12].
[15]
An air electrode for a metal-air secondary battery containing the catalyst according to [13] or [14].
[16]
The air electrode according to [15], wherein the material is contained as an oxygen evolution catalyst and further contains an oxygen reduction catalyst.
[17]
A metal-air secondary battery having an air electrode according to [15] or [16], a negative electrode containing a negative electrode active material, and an electrolyte interposed between the air electrode and the negative electrode.
[18]
The metal-air secondary battery according to [17], further comprising an oxygen-reducing air electrode including an oxygen-reducing catalyst.

本発明によれば、OER活性が高くかつその活性が長期間安定している、OER触媒として有用な新たな材料を提供する。さらにこの材料を用いて、長期間優れたOER活性を示す空気極用触媒や水電解陽極用触媒を提供でき、従来品に比べて優れた空気極及び空気二次電池を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a new material useful as an OER catalyst, which has high OER activity and its activity is stable for a long period of time. Further, by using this material, it is possible to provide a catalyst for an air electrode and a catalyst for a water electrolysis anode that exhibit excellent OER activity for a long period of time, and it is possible to provide an air electrode and an air secondary battery that are superior to conventional products.

は、(a)ブラウンミラー型Ca2FeCoO5+δ(OER分極前)、および(b)1.6 V vs RHE にて1時間OER分極後のCa2FeCoO5+δの高分解能TEM像である。(a)における格子縞はブラウンミラー相の110面間隔に対応する。(b)において、いくつかの周期構造を有するナノクラスターを黄色破線囲んでいる。また内挿図はTEM像中央付近で測定した電子回折像を示している。Is a high-resolution TEM image of (a) Brown mirror type Ca 2 FeCoO 5 + δ (before OER polarization) and (b) Ca 2 FeCoO 5 + δ after 1 hour OER polarization at 1.6 V vs RHE. The plaid in (a) corresponds to the 110-plane spacing of the brown mirror phase. In (b), nanoclusters having several periodic structures are surrounded by a yellow dashed line. The inset shows the electron diffraction image measured near the center of the TEM image. は、カーボンシート上に担持したCa2FeCoO5(CFCと略記することがある)を、40 mA cm-2定電流で2hアノード分極し、その後15分開回路電位で保持するOER分極サイクルを一か月繰り返した時の電流−時間曲線である。 Is an OER polarization cycle in which Ca 2 FeCoO 5 (sometimes abbreviated as CFC) supported on a carbon sheet is anodic-polarized for 2 hours at a constant current of 40 mA cm -2 and then held at an open circuit potential for 15 minutes. It is a current-time curve when the month is repeated. は、作製直後(as-prepared)、1時間(1h)および1か月間(1 month)OER分極後(1 month)でのCFC担持カーボン電極のXRDパターンを示す。参照にCFC粉末のXRDパターンも併せて示した。▼および〇は、それぞれカーボンシートおよびNafion由来のピークを示している。Shows the XRD pattern of CFC-supported carbon electrodes immediately after fabrication (as-prepared), 1 hour (1 h) and 1 month (1 month) after OER polarization (1 month). The XRD pattern of CFC powder is also shown for reference. ▼ and 〇 indicate peaks derived from carbon sheet and Nafion, respectively. は、一か月OER分極前後のCFC粒子のオージェ分光スペクトルを示す。Shows Auger spectroscopic spectra of CFC particles before and after one month OER polarization. は、作製直後(As prepared)および20 mA cm-2定電流条件で1時間(1h)および1月(1 month)アノード分極したCa2FeCoO5の(a) Co K吸収端および(b) Fe K吸収端近傍X線吸収スペクトル(XANES)。広域X線吸収微細構造(EXAFS)より決定したCo原子((c), (e))およびFe原子((d), (f))周囲の動径分布。(c)および(d)はAs preparedおよび1h試料の比較、また(e)および(f)はAs preparedおよび1 month試料の比較を示している。また(c)および(d)にはγ-CoOOH構造モデル(図6)を用いたFitting結果(点線)を併せて示した。The (a) Co K absorption edge and (b) Fe of Ca 2 FeCoO 5 anodic polarized immediately after preparation (As prepared) and under 20 mA cm -2 constant current conditions for 1 hour (1 h) and January (1 month). X-ray absorption spectrum near the K-edge (XANES). Radial distribution around Co atoms ((c), (e)) and Fe atoms ((d), (f)) determined from extended X-ray absorption fine structure (EXAFS). (c) and (d) show a comparison of As prepared and 1h samples, and (e) and (f) show a comparison of As prepared and 1 month samples. The fitting results (dotted line) using the γ-CoOOH structure model (Fig. 6) are also shown in (c) and (d). は、γ-CoOOH(六方晶)の結晶構造モデルを示す。赤球(小)、青球(大)および白球(小、層の間に孤立)は、それぞれ酸素原子、コバルト原子および水素原子を示している。Shows a crystal structure model of γ-CoOOH (hexagonal). Red spheres (small), blue spheres (large) and white spheres (small, isolated between layers) represent oxygen, cobalt and hydrogen atoms, respectively. は、一か月OER分極前後のCFCのOER同電位分極曲線である。併せて熱分解法により調製したγ-CoOOHの結果も示した。Is the OER equipotential polarization curve of CFC before and after one month OER polarization. The results of γ-CoOOH prepared by the thermal decomposition method are also shown. は、実施例2で調製したFe0.05Co0.95OxHy、Fe0.1Co0.9OxHyおよびNi0.1Co0.95OxHyのXRDパターンを示す。併せてγ-CoOOHのXRDパターンも示す。Shows the XRD pattern of the as prepared in Example 2 Fe 0.05 Co 0.95 O x H y, Fe 0.1 Co 0.9 O x H y and Ni 0.1 Co 0.95 O x H y . The XRD pattern of γ-CoOOH is also shown. は、実施例2で調製したFe0.05Co0.95OxHy、Fe0.1Co0.9OxHyおよびNi0.1Co0.95OxHyのOER分極曲線を示す。CFCのOER分極曲線も示す。Shows OER polarization curves of Fe 0.05 Co 0.95 O x H y , Fe 0.1 Co 0.9 O x H y and Ni 0.1 Co 0.95 O x H y prepared in Example 2. The OER polarization curve of CFC is also shown. は、実施例3で調製したKOH処理前の試料(CFC)及びKOH処理品のXRDを示す。Shows the XRD of the sample (CFC) before KOH treatment and the KOH-treated product prepared in Example 3. は、実施例3で調製したKOH処理前の試料(CFC)及びKOH処理品のOER分極曲線を示す。Shows the OER polarization curves of the sample (CFC) before KOH treatment and the KOH-treated product prepared in Example 3. は、本発明の金属空気二次電池の一構成例を示す。Shows a configuration example of the metal-air secondary battery of the present invention.

<本発明のCo酸化物材料>
本発明のCo酸化物材料は、γ-CoOOH型の原子配列構造と同一又は類似する原子配列構造を有し、かつ酸素欠陥を有する、Co酸化物ナノクラスターであって、ナノクラスター中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されていてもよい、Co酸化物材料である。
<Co oxide material of the present invention>
The Co oxide material of the present invention is a Co oxide nanocluster having the same or similar atomic arrangement structure as the γ-CoOOH type atomic arrangement structure and having an oxygen defect, and is a Co oxide nanocluster in the nanocluster. A Co oxide material that may be partially substituted with Fe and / or Ni.

本発明のCo酸化物材料は、Co酸化物ナノクラスターであって、Co酸化物ナノクラスターは、下記の(1)〜(3)により特徴付けられる。
(1)γ-CoOOH型の原子配列構造と同一又は類似する原子配列構造を有しかつ酸素欠陥を有する:
γ-CoOOH型の原子配列構造とは、γ-CoOOH(六方晶)の結晶構造モデルが有する原子配列構造であり、図6にγ-CoOOH(六方晶)の結晶構造モデルを示す。図中の赤球(小)、青球(大)および白球(小、層の間に孤立)は、それぞれ酸素原子、コバルト原子および水素原子を示している。γ-CoOOHは、CoO6八面体の陵共有によって形成する[CoO2]平面分子層が、プロトンを介した水素結合によってc軸上積層した層状構造をもつ。本発明のCo酸化物材料は、図6に示すγ-CoOOH(六方晶)の結晶構造モデルと同一又は類似する原子配列構造を有する。本発明のCo酸化物材料は、[CoO2]平面分子層単層の場合は、γ-CoOOH(六方晶)の結晶構造モデルと同一の原子配列構造を有し、それ以外の場合は、γ-CoOOH(六方晶)の結晶構造モデルと類似する原子配列構造を有することになる。このような原子構造は、製造方法において後述するが、OER分極により原子の再配列が起り、酸化物マトリクス中にCoリッチな酸化物部分が形成され、それがγ-CoOOHによく似た配列構造を形成したものと推察される。図1に高分解能TEMにより観測された本発明のCo酸化物におけるナノクラスターを示すが、このナノクラスターは、γ-CoOOH型の原子配列構造と同一又は類似する原子配列構造もつナノクラスターである。尚、本発明のナノクラスターは酸素欠損を有することから、酸素欠損がある部分はγ-CoOOH型の原子配列構造と同一ではなく、γ-CoOOH型の原子配列構造と類似する原子配列構造を有する、と定義する。
The Co oxide material of the present invention is a Co oxide nanocluster, and the Co oxide nanocluster is characterized by the following (1) to (3).
(1) It has the same or similar atomic arrangement structure as the γ-CoOOH type atomic arrangement structure and has an oxygen defect:
The γ-CoOOH type atomic arrangement structure is an atomic arrangement structure possessed by a γ-CoOOH (hexagonal) crystal structure model, and FIG. 6 shows a γ-CoOOH (hexagonal) crystal structure model. The red spheres (small), blue spheres (large), and white spheres (small, isolated between layers) in the figure indicate oxygen atoms, cobalt atoms, and hydrogen atoms, respectively. γ-CoOOH has a layered structure in which [CoO 2 ] planar molecular layers formed by the ridge sharing of CoO 6 octahedrons are laminated on the c-axis by hydrogen bonds via protons. The Co oxide material of the present invention has an atomic arrangement structure that is the same as or similar to the γ-CoOOH (hexagonal) crystal structure model shown in FIG. The Co oxide material of the present invention has the same atomic arrangement structure as the γ-CoOOH (hexagonal) crystal structure model in the case of a [CoO 2] planar molecular layer single layer, and in other cases, γ. -It will have an atomic arrangement structure similar to the CoOOH (hexagonal) crystal structure model. Such an atomic structure will be described later in the production method, but the rearrangement of atoms occurs due to OER polarization, and a Co-rich oxide portion is formed in the oxide matrix, which is an arrangement structure very similar to γ-CoOOH. Is presumed to have formed. FIG. 1 shows the nanoclusters in the Co oxide of the present invention observed by the high-resolution TEM. The nanoclusters are nanoclusters having the same or similar atomic arrangement structure as the γ-CoOOH type atomic arrangement structure. Since the nanocluster of the present invention has an oxygen deficiency, the portion having the oxygen deficiency is not the same as the γ-CoOOH type atomic arrangement structure, but has an atomic arrangement structure similar to the γ-CoOOH type atomic arrangement structure. , Is defined as.

本発明のCo酸化物材料は酸素欠損を有する。酸素欠損の程度(化学量論比より少ない程度)には特に制限はないが、例えば、酸素以外の元素の価数の総量の0を超え25%以下であることができる。但し、これより多い酸素欠損が有ってもよい。 The Co oxide material of the present invention has an oxygen deficiency. The degree of oxygen deficiency (less than the stoichiometric ratio) is not particularly limited, but can be, for example, more than 0 and 25% or less of the total valence of elements other than oxygen. However, there may be more oxygen deficiency than this.

(2)Co酸化物ナノクラスター:
Co酸化物ナノクラスターは、その製造方法や条件により直径が相違するが、例えば、下記の試験例や実施例における製造方法においては、直径が20nm以下であることができ、Co酸化物ナノクラスターの直径は10nm以下であることもできる。
図1に、試験例1において、高分解能TEMにより観測されたCa2CoFeO5(CFC)を含有する原料から調製した本発明のCo酸化物におけるナノクラスターを示す。このナノクラスターは、上述のようにγ-CoOOH型配列構造の原子配列構造と同一又は類似する原子配列構造をもつナノクラスターである。このナノクラスターは、図1に示す高分解能TEM像により、直径10nm以下のクラスターが確認され、具体的には、0.5-2nm程度のナノクラスターである。また、本発明のCo酸化物のXRDパターンにおいて、観察できて当然な分子構造由来のピークが確認できないことは、クラスター直径が10nm以下であることを支持する。
(2) Co oxide nanocluster:
The diameter of the Co oxide nanocluster differs depending on the production method and conditions. For example, in the production methods in the following test examples and examples, the diameter can be 20 nm or less, and the Co oxide nanocluster can be used. The diameter can be 10 nm or less.
FIG. 1 shows nanoclusters in the Co oxide of the present invention prepared from a raw material containing Ca 2 CoFeO 5 (CFC) observed by a high-resolution TEM in Test Example 1. As described above, this nanocluster is a nanocluster having an atomic arrangement structure that is the same as or similar to the atomic arrangement structure of the γ-CoOOH type arrangement structure. As for this nanocluster, a cluster having a diameter of 10 nm or less is confirmed by the high-resolution TEM image shown in FIG. 1, and specifically, it is a nanocluster of about 0.5-2 nm. Further, in the XRD pattern of the Co oxide of the present invention, the fact that a peak derived from a molecular structure that can be observed cannot be confirmed supports that the cluster diameter is 10 nm or less.

図8に、実施例2の(5)において示した、Fe0.05Co0.95OxHy、Fe0.1Co0.9OxHyおよびNi0.1Co0.95OxHyのXRDパターンは非常にブロードであり、結晶子のサイズは20°付近の002ピーク半値幅から、約8−15 nm程度であると推測され、共沈法により調製された原料から調製した本発明のCo酸化物におけるナノクラスターは、直径20nm以下、好ましくは5nm以上、15nm以下のクラスターであることができる。8, shown in Example 2 (5), Fe 0.05 Co 0.95 O x H y, XRD pattern of Fe 0.1 Co 0.9 O x H y and Ni 0.1 Co 0.95 O x H y is very be broad The crystallite size is estimated to be about 8-15 nm from the full width at half maximum of 002 around 20 °, and the nanoclusters in the Co oxide of the present invention prepared from the raw materials prepared by the coprecipitation method are It can be a cluster with a diameter of 20 nm or less, preferably 5 nm or more and 15 nm or less.

本発明のCo酸化物は、少なくともこれら粒径及びXRDによって結晶による回折ピークが観察されない、または観察されても非常にブロードであることから、明瞭なXピークが現れる非特許文献6に記載の材料とは明らかに異なる材料である。 The material according to Non-Patent Document 6 in which a clear X peak appears because the Co oxide of the present invention does not have a diffraction peak due to crystals observed by at least these particle sizes and XRD, or is very broad even if it is observed. Is a material that is clearly different from.

(3)ナノクラスター中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されていてもよい、Co酸化物材料:
実施例1で調製した本発明のCo酸化物材料は、オージェ分光法によって組成分析の結果から、ナノクラスター中のCoの一部がFeで置換されたものであることが分かる。CoのFeへの置換量は、オージェ分光スペクトル解析により得られるCo:Fe原子比が例えば、上限の置換範囲で、100:10以下、好ましくは、100:5以下の範囲である。また、下限の範囲で、100:0.1以上、好ましくは100:1以上の範囲である。100:0.1〜10の範囲が好ましく、100:1〜5の範囲がより好ましい。
(3) A Co oxide material in which a part of Co in the nanocluster may be substituted with Fe and / or Ni:
From the results of composition analysis by Auger spectroscopy, it can be seen that the Co oxide material of the present invention prepared in Example 1 has a part of Co in the nanocluster replaced with Fe. The amount of Co substituted to Fe is such that the Co: Fe atomic ratio obtained by Auger spectroscopic analysis is in the upper limit substitution range, which is 100:10 or less, preferably 100: 5 or less. The lower limit is 100: 0.1 or more, preferably 100: 1 or more. The range of 100: 0.1 to 10 is preferable, and the range of 100: 1 to 5 is more preferable.

実施例2で調製した本発明のCo酸化物材料は、ICPによる元素分析の結果、ナノクラスター中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されたものであることが分かる。CoのFe及び/又はNiへの置換量は、ICPによるCo:Fe及び/又はNi原子比が例えば、上限の置換範囲で、100:10以下、好ましくは、100:5以下の範囲である。また、下限の範囲で、100:0.1以上、好ましくは100:1以上の範囲である。100:0.1〜10の範囲が好ましく、100:1〜5の範囲がより好ましい。 As a result of elemental analysis by ICP, it is found that a part of Co in the nanocluster is replaced with Fe and / or Ni in the Co oxide material of the present invention prepared in Example 2. The amount of Co substituted with Fe and / or Ni is, for example, a substitution range in which the Co: Fe and / or Ni atomic ratio by ICP is the upper limit, and is in the range of 100:10 or less, preferably 100: 5 or less. The lower limit is 100: 0.1 or more, preferably 100: 1 or more. The range of 100: 0.1 to 10 is preferable, and the range of 100: 1 to 5 is more preferable.

本発明のCo酸化物材料は、より具体的には、[CoOx]平面単分子層に電荷補償のためのプロトンが配位した[CoOxHy]平面単分子層が、水素結合を介してn層平面垂直方向に積層してできる[CoOxHy]n分子層シート状物質のナノクラスターを含有するCo酸化物材料であって、xは1.5〜2.0の範囲であり、yは0.01〜1の範囲であり、nは平面単分子層の分子層平面に垂直な方向(c軸方向)への積層数であり、1〜25の範囲であり、[CoOxHy]平面単分子層中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されていてもよい、前記材料である。Co oxide material of the present invention, more specifically, [CoO x] protons for charge compensation is coordinated to the plane monolayer [CoO x H y] plane monolayer, through hydrogen bonds can be laminated on the n layer plane perpendicular Te a Co oxide material containing nanoclusters [CoO x H y] n molecules layer sheet material, x is in the range of 1.5 to 2.0, y is 0.01 ranges from to 1, n is the number of stacked direction perpendicular to the molecular layer planes of monomolecular layer (c-axis direction) in the range of 1~25, [CoO x H y] plane monomolecular The material in which a portion of Co in the layer may be substituted with Fe and / or Ni.

本発明のCo酸化物材料のナノクラスターは、[CoOx]平面単分子層に電荷補償のためのプロトンが配位した[CoOxHy]平面単分子層が平面垂直方向にn層積層してできる[CoOxHy]n分子層シート状物質のナノクラスターである。実施例1に示すEXAFSフィッティング結果より、Co周りの酸素配位数は1時間分極の場合5.1であり、1か月分極の場合が5.3程度であった(表2)。一方、酸素欠損が全くない[CoO2]分子層シートにおけるCo配位数は6となる。従って、実験例で示した本発明のCo酸化物材料のナノクラスターは、酸素欠損を有する[CoOxHy]n分子層シートを基本骨格にもつ材料であると考えられる。一方、図3に示すXRDの結果より本発明のCo酸化物材料にはγ-CoOOHのXRDピークが現れないことから、このナノクラスターはc軸方向への積層は、存在はするが発達はしていないと考えられる。従って、本発明のCo酸化物材料のナノクラスターは平面垂直方向の積層が存在はするが発達はしていない、[CoOXHy]n分子層シート状物質であると同定された。このような[CoOXHy]n分子層シート状物質の原子配列構造は、γ-CoOOH型の原子配列構造と同一ではなく、γ-CoOOH型の原子配列構造と類似する原子配列構造を有する、と言える。Nanoclusters of Co oxide material of the present invention, [CoO x] protons for charge compensation in the plane monolayer coordinated [CoO x H y] plane monolayer n layer laminated to a plane perpendicular it Te is nanoclusters [CoO x H y] n molecules layer sheet material. From the EXAFS fitting results shown in Example 1, the oxygen coordination number around Co was 5.1 in the case of 1-hour polarization and about 5.3 in the case of 1-month polarization (Table 2). On the other hand, the Coordination number in the [CoO 2 ] n molecular layer sheet having no oxygen deficiency is 6. Therefore, nanoclusters of Co oxide material of the present invention shown in Experimental Example is believed to [CoO x H y] n molecules layer sheet having an oxygen deficiency is a material having the basic skeleton. On the other hand, from the XRD results shown in FIG. 3, since the XRD peak of γ-CoOOH does not appear in the Co oxide material of the present invention, this nanocluster is laminated in the c-axis direction, but it has developed. It is considered that it is not. Therefore, nanoclusters of Co oxide material of the present invention there are laminated in the plane vertical Although not developed to, it was identified as [CoO X H y] n molecules layer sheet material. Such [CoO X H y] atomic arrangement of n molecular layer sheet material is not the same as the atomic arrangement of gamma-CoOOH type, having the atomic arrangement structure similar to gamma-CoOOH type atomic arrangement structure It can be said that.

[CoOXHy]n分子層シートにおけるxは1.5〜2.0の範囲、好ましくは1.6〜1.9の範囲であり、yは0.01〜1の範囲、好ましくは0.05〜0.5の範囲であり、nは1〜25の範囲である。本発明のCo酸化物材料のナノクラスターは、TEM像において観察されるナノクラスターの最大外径は0.3〜10nmの範囲であり、好ましくは0.6〜7nmの範囲、より好ましくは0.9〜5nmである。CoO6八面体の直径は約0.29 nm(ほぼ0.3nm)であり、また[CoOXHy]単分子層の層間距離は0.4 nm程度である。最大直径10nmのクラスターを想定するとこの粒子径のクラスターを構成するためには、[CoOXHy]単分子層内のCoOXHy八面体分子の数は、10/0.29 x 10/0.29(約1200)であり、最大直径7nmの範囲の場合は7/0.29 x 7/0.29(約580)であり、最大直径5nmの範囲の場合は5/0.29 x 5/0.29(約300)である。[CoO X H y] is the n range of molecular layer x in the sheet 1.5 to 2.0, preferably in the range of 1.6 to 1.9, y is in the range of 0.01 to 1, preferably in the range from 0.05 to 0.5, n is 1 It is in the range of ~ 25. In the nanoclusters of the Co oxide material of the present invention, the maximum outer diameter of the nanoclusters observed in the TEM image is in the range of 0.3 to 10 nm, preferably in the range of 0.6 to 7 nm, and more preferably 0.9 to 5 nm. CoO 6 octahedra diameter is about 0.29 nm (approximately 0.3 nm), also [CoO X H y] interlayer distance monolayer is about 0.4 nm. Assuming a maximum diameter 10nm cluster to configure the clusters of the particle diameter, [CoO X H y] number of CoO X H y octahedral molecules in monolayer, 10 / 0.29 x 10 / 0.29 ( It is about 1200), 7 / 0.29 x 7 / 0.29 (about 580) in the range of the maximum diameter of 7 nm, and 5 / 0.29 x 5 / 0.29 (about 300) in the range of the maximum diameter of 5 nm.

上記のように本発明のCo酸化物材料のナノクラスターは平面垂直方向の積層が存在はするが発達はしていない[CoOXHy]n分子層シート状物質であり、nは平面単分子層の分子層平面に垂直な方向(c軸方向)への積層数である。最大直径0.3〜10nmのクラスターを想定するとnは1〜10/0.4(約25)である。従って、上記nは1〜25の範囲である。さらに、直径0.6〜7nmの範囲の場合、nは2〜7/0.4(約18)であり、直径0.9〜5nmの範囲の場合、nは2または3〜5/0.4(約12)である。


Nanoclusters of Co oxide material of the present invention as described above is [CoO X H y] n molecules layer sheet material is laminated planar vertical presence is not Developmental, n represents plan monomolecular The number of layers stacked in the direction perpendicular to the molecular layer plane (c-axis direction). Assuming a cluster with a maximum diameter of 0.3 to 10 nm, n is 1 to 10 / 0.4 (about 25). Therefore, the above n is in the range of 1 to 25. Further, in the range of 0.6 to 7 nm in diameter, n is 2 to 7 / 0.4 (about 18), and in the range of 0.9 to 5 nm in diameter, n is 2 or 3 to 5 / 0.4 (about 12).


本発明のCo酸化物材料は、OER触媒用として極めて有用である。触媒については後述する。 The Co oxide material of the present invention is extremely useful for OER catalysts. The catalyst will be described later.

<本発明のCo酸化物材料の製造方法>
本発明のCo酸化物材料は、例えば、(a)Ca2CoFeO5及び/又はCa2CoNiO5を含有する原料をアノード分極下に置くか、若しくはアルカリ水溶液に浸漬することを含む方法、又は(b)Fe塩及び/又はNi塩並びにCo塩を含有する水溶液にアルカリを添加して、Fe及び/又はNi並びにCoを含有する水酸化物を沈澱させ、沈殿物を回収する工程、前記Fe及び/又はNi並びにCoを含有する水酸化物の沈殿物を酸素含有雰囲気中で焼成して、Fe及び/又はNi並びにCoを含有するオキシ水酸化物を得ることを含む方法で、製造することができる。
<Method for producing Co oxide material of the present invention>
The Co oxide material of the present invention comprises, for example, (a) placing a raw material containing Ca 2 CoFeO 5 and / or Ca 2 CoNiO 5 under anodic polarization or immersing it in an alkaline aqueous solution, or ( b) A step of adding an alkali to an aqueous solution containing a Fe salt and / or Ni salt and a Co salt to precipitate a hydroxide containing Fe and / or Ni and Co, and recovering the precipitate. It can be produced by a method comprising calcining a precipitate of a hydroxide containing / or Ni and Co in an oxygen-containing atmosphere to obtain an oxyhydroxide containing Fe and / or Ni and Co. can.

製造方法(a)
Ca2CoFeO5及びCa2CoNiO5はブラウンミラーライト型遷移金属酸化物の一種であり、特許文献1に記載されている方法を参照してそれぞれの金属酸化物を原料として固相反応法により調製することができる。固相反応法に加えて、液相反応法を用いても合成することができる。液相反応法には、それぞれの金属酸化物の原料としてそれぞれの金属の塩、例えば、硝酸塩、酢酸塩、クエン酸塩等を用いる。例えば、Ca塩(例えば、Ca(NO3)2)、Fe塩(例えば、Fe(NO3)3)・9H2O)、又はNi塩(例えば、Ni(NO3)3)・9H2O)、Co塩(例えば、Co(NO3)2)・6H2O)を用い、かつゲル化剤としてクエン酸を添加した混合物を溶媒として、例えば、水(蒸留水またはイオン交換水)等を用いて混合する。各金属塩の比率は、目的とする金属酸化物の組成を考慮して適宜決定する。ゲル化剤として用いるクエン酸の量は、金属塩100質量部に対して、例えば、10〜1000質量部の範囲とすることができる。ゲル化剤としてはクエン酸以外に、例えば、EDTA(エチレンジアミン四酢酸)やグリシン等を用いることもできる。上記混合物を、例えば、50〜90℃に加熱して溶媒を除去することで混合物をゲル化させる。このゲル化物を、例えば、空気中、300〜500℃(例えば、450℃)で10分〜6時間(例えば、1時間)仮焼成して前駆体を合成する。次にこの前駆体を、例えば、大気中、600〜800℃で1〜24時間焼成することで、ブラウンミラーライト型のCa2FeCoO5又はCa2CoNiO5を合成することができる。焼成条件は、例えば、600℃で所定時間(1〜12時間)焼成した後、温度を上げて、例えば、800℃で所定時間(6〜12時間)焼成することもできる。
Manufacturing method (a)
Ca 2 CoFeO 5 and Ca 2 CoNiO 5 are a kind of brown mirror light type transition metal oxides, and are prepared by a solid phase reaction method using each metal oxide as a raw material with reference to the method described in Patent Document 1. can do. It can also be synthesized by using a liquid phase reaction method in addition to the solid phase reaction method. In the liquid phase reaction method, salts of each metal, for example, nitrates, acetates, citrates and the like are used as raw materials for each metal oxide. For example, Ca salt (eg Ca (NO 3 ) 2 ), Fe salt (eg Fe (NO 3 ) 3 ) · 9H 2 O), or Ni salt (eg Ni (NO 3 ) 3 ) · 9H 2 O ), Co salt (for example, Co (NO 3 ) 2 ), 6H 2 O), and using a mixture to which citric acid is added as a gelling agent as a solvent, for example, water (distilled water or ion-exchanged water), etc. Use to mix. The ratio of each metal salt is appropriately determined in consideration of the composition of the target metal oxide. The amount of citric acid used as the gelling agent can be, for example, in the range of 10 to 1000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the metal salt. As the gelling agent, for example, EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid), glycine and the like can be used in addition to citric acid. The mixture is gelled by heating the mixture to, for example, 50-90 ° C. to remove the solvent. The gelled product is calcined in air at 300 to 500 ° C. (for example, 450 ° C.) for 10 minutes to 6 hours (for example, 1 hour) to synthesize a precursor. Next, the precursor can be calcined in the air at 600 to 800 ° C. for 1 to 24 hours to synthesize brown mirror light type Ca 2 FeCoO 5 or Ca 2 CoNiO 5. As for the firing conditions, for example, after firing at 600 ° C. for a predetermined time (1 to 12 hours), the temperature may be raised, and for example, firing may be performed at 800 ° C. for a predetermined time (6 to 12 hours).

(1)アノード分極法
アノード分極は、Ca2CoFeO5(CFC) 及び/又はCa2CoNiO5(CNC)を含有する原料を電極として、RHEに対して例えば、1.5〜2.0Vの範囲の電圧になる電流密度で、所定以上の電気量を通電することが実施することが適当である。所定以上の電気量は、アルカリ水溶液の組成及び濃度、温度、原料を電極とした電極の構造などに応じて、所望のナノクラスターが生成する電気量から適宜選択することができる。実施例においては、アノード電極への塗布量はCFC量が10mg cm-2となるようにし、カーボンシート電極を電極基材として用い、白金板を対極(カソード)とし、さらにアノード電極用の参照電極を用いる三電極系にて、KOH水溶液中、アルゴン不活性雰囲気下で40mA cm-2の一定酸化電流条件で2時間OER分極を電流ゼロの時間をはさみ繰返し行っている。この場合のアノード分極に用いた電気量は、1回2時間OER分極で、1cm2当たり288クーロンである。CFCをアノード電極に塗布して分極処理する場合には、この電気量を目安として、分極条件を選択することができる。
(1) Anode polarization method Anode polarization is performed by using a raw material containing Ca 2 CoFeO 5 (CFC) and / or Ca 2 CoNiO 5 (CNC) as an electrode and adjusting the voltage to a voltage in the range of 1.5 to 2.0 V with respect to RHE, for example. It is appropriate to carry out energization of a predetermined amount of electricity or more with a current density. The amount of electricity above a predetermined level can be appropriately selected from the amount of electricity generated by a desired nanocluster, depending on the composition and concentration of the alkaline aqueous solution, the temperature, the structure of the electrode using the raw material as an electrode, and the like. In the embodiment, the amount applied to the anode electrode is such that the amount of CFC is 10 mg cm -2 , the carbon sheet electrode is used as the electrode base material, the platinum plate is used as the counter electrode (cathode), and the reference electrode for the anode electrode is further used. In a three-electrode system using the above, OER polarization is repeated for 2 hours under a constant oxidation current condition of 40 mA cm -2 in an argon-inert atmosphere in a KOH aqueous solution for a time of zero current. The amount of electricity used for anodic polarization in this case is 288 coulons per cm 2 for OER polarization for 2 hours at a time. When CFC is applied to the anode electrode for polarization treatment, the polarization condition can be selected using this amount of electricity as a guide.

アルカリ水溶液中での分極に電解液として用いる、アルカリ水溶液は、例えば、0.1M〜10Mの範囲のアルカリ水溶液であることができ、好ましくは1M〜6Mの範囲のアルカリ水溶液である。 The alkaline aqueous solution used as the electrolytic solution for polarization in the alkaline aqueous solution can be, for example, an alkaline aqueous solution in the range of 0.1 M to 10 M, preferably an alkaline aqueous solution in the range of 1 M to 6 M.

分極処理後に、アノード電極から本発明のナノクラスター材料を回収することもできるが、本発明のナノクラスター材料を形成したアノード電極をそのまま、製品として利用することもできる。 After the polarization treatment, the nanocluster material of the present invention can be recovered from the anode electrode, but the anode electrode on which the nanocluster material of the present invention is formed can be used as it is as a product.

(2)アルカリ水溶液浸漬法
アルカリ水溶液浸漬は、Ca2CoFeO5(CFC) 及び/又はCa2CoNiO5(CNC)を含有する原料を例えば、アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物の水溶液に、例えば、0〜100℃の温度範囲で浸漬することで実施できる。温度は好ましくは60〜90℃範囲である。アルカリ水溶液の濃度は特に限定はないが、例えば、0.1M〜10Mの範囲、好ましくは1M〜6Mの範囲とすることができる。浸漬時間は、原料の種類、浸漬温度、アルカリ水溶液濃度等を考慮して、所望のナノクラスターが生成するまでの時間を、適宜決定できる。アルカリ水溶液への浸漬は、例えば、温度が80℃の場合、1M以上の濃度のアルカリ水溶液に1日以上行うことが、所望のナノクラスターを生成させるとうい観点から好ましい。
(2) Alkaline aqueous solution immersion method In alkaline aqueous solution immersion, raw materials containing Ca 2 CoFeO 5 (CFC) and / or Ca 2 CoNiO 5 (CNC) are used, for example, alkali metal hydroxides and alkaline earth metal hydroxides. It can be carried out by immersing in an aqueous solution in a temperature range of 0 to 100 ° C., for example. The temperature is preferably in the range of 60-90 ° C. The concentration of the alkaline aqueous solution is not particularly limited, but can be, for example, in the range of 0.1M to 10M, preferably in the range of 1M to 6M. The immersion time can be appropriately determined in consideration of the type of raw material, the immersion temperature, the concentration of the alkaline aqueous solution, and the like until the desired nanoclusters are formed. For example, when the temperature is 80 ° C., the immersion in the alkaline aqueous solution is preferably carried out in an alkaline aqueous solution having a concentration of 1 M or more for 1 day or more from the viewpoint of forming desired nanoclusters.

アルカリ水溶液浸漬後は、浸漬品を回収し、水洗などをして、本発明のナノクラスター材料を得ることができる。 After the immersion in the alkaline aqueous solution, the immersed product can be recovered and washed with water to obtain the nanocluster material of the present invention.

製造方法(b)
この製造方法では、Fe塩及び/又はNi塩並びにCo塩を含有する水溶液にアルカリを添加して、Fe及び/又はNi並びにCoを含有する水酸化物を沈澱させ、沈殿物を回収する共沈法により原料を調製し、得られたFe及び/又はNi並びにCoを含有する水酸化物の沈殿物を酸素含有雰囲気中で焼成して、Fe及び/又はNi並びにCoを含有するオキシ水酸化物を得る。
Manufacturing method (b)
In this production method, an alkali is added to an aqueous solution containing a Fe salt and / or Ni salt and a Co salt to precipitate a hydroxide containing Fe and / or Ni and Co, and a co-precipitate is used to recover the precipitate. Raw materials are prepared by the method, and the obtained precipitate of hydroxide containing Fe and / or Ni and Co is calcined in an oxygen-containing atmosphere to oxyhydroxide containing Fe and / or Ni and Co. To get.

Fe塩、Ni塩及びCo塩は、各塩が水溶性であれば特に制限はなく、例えば、硝酸塩であることができ、硝酸塩以外に、塩化物を用いることもできる。アルカリは、水溶性であれば特に制限はなく、例えば、アルカリ金属水酸化物であることができ、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどを用いることができる。含む方法で、製造することができる。共沈法は、室温で行うことができるが、冷却下、または加温下で行うこともできる。Fe塩及び/又はNi塩並びにCo塩を含有する水溶液へのアルカリの添加は、アルカリ水溶液を用いることが適当である。Fe塩及び/又はNi塩並びにCo塩を含有する水溶液の塩濃度、アルカリ水溶液のアルカリ濃度は適宜決定することができる。 The Fe salt, Ni salt and Co salt are not particularly limited as long as each salt is water-soluble. For example, a nitrate can be used, and a chloride can be used in addition to the nitrate. The alkali is not particularly limited as long as it is water-soluble, and can be, for example, an alkali metal hydroxide, and lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, or the like can be used. It can be manufactured by the method including. The coprecipitation method can be carried out at room temperature, but can also be carried out under cooling or heating. For the addition of alkali to the aqueous solution containing Fe salt and / or Ni salt and Co salt, it is appropriate to use an alkaline aqueous solution. The salt concentration of the aqueous solution containing the Fe salt and / or Ni salt and the Co salt, and the alkali concentration of the alkaline aqueous solution can be appropriately determined.

共沈法により調製したFe及び/又はNi並びにCoを含有する水酸化物の沈殿物は、酸素含有雰囲気中で焼成する。酸素含有雰囲気は、酸素を含有すれば良く、純粋酸素であっても、酸素含有雰囲気である空気を用いても良いが、オキシ水酸化物が容易に得られるという観点からは酸素雰囲気であることが好ましい。焼成温度は、オキシ水酸化物が得られる温度であればよく、例えば、50〜200℃の範囲、好ましくは80〜150℃の範囲であることができる。加熱時間は、加熱温度及びオキシ水酸化物の生成物の度合等を考慮して適宜決定できる。この焼成により、Fe及び/又はNi並びにCoを含有するオキシ水酸化物が得られ、共沈法により得られた原料を用いることで、本発明のCo酸化物材料を得ることができる。 The precipitate of hydroxide containing Fe and / or Ni and Co prepared by the coprecipitation method is calcined in an oxygen-containing atmosphere. The oxygen-containing atmosphere may contain oxygen, and may be pure oxygen or air which is an oxygen-containing atmosphere, but from the viewpoint that oxyhydroxide can be easily obtained, the oxygen-containing atmosphere is an oxygen atmosphere. Is preferable. The firing temperature may be any temperature at which oxyhydroxide can be obtained, and can be, for example, in the range of 50 to 200 ° C, preferably in the range of 80 to 150 ° C. The heating time can be appropriately determined in consideration of the heating temperature, the degree of the product of oxyhydroxide, and the like. By this firing, an oxyhydroxide containing Fe and / or Ni and Co is obtained, and the Co oxide material of the present invention can be obtained by using the raw material obtained by the coprecipitation method.

<電極用触媒>
本発明は、本発明の材料を含む空気極用触媒を包含する。
さらに本発明は、本発明の材料を含む水電解陽極用触媒を包含する。本発明の空気極用触媒及び水電解陽極用触媒は、本発明の材料に加えて、原料である上記CFCを含有することもできる。
<Catalyst for electrodes>
The present invention includes a catalyst for an air electrode containing the material of the present invention.
Further, the present invention includes a catalyst for a water electrolytic anode containing the material of the present invention. The catalyst for an air electrode and the catalyst for a water electrolysis anode of the present invention may contain the above-mentioned CFC as a raw material in addition to the material of the present invention.

本発明の材料を含む空気極用触媒及び水電解陽極用触媒は、表面積が例えば、1〜100m2/gの範囲であることができ、好ましくは、10〜100m2/gの範囲である。但し、この範囲に限定される意図ではない。The catalyst for the air electrode and the catalyst for the water electrolysis anode containing the material of the present invention can have a surface area of, for example, 1 to 100 m 2 / g, preferably 10 to 100 m 2 / g. However, it is not intended to be limited to this range.

本発明の材料は、空気極用として極めて有用であり、光水分解による水素製造や、次世代型高容量二次電池として期待されている金属空気二次電池の空気極として極めて有望である。 The material of the present invention is extremely useful for an air electrode, and is extremely promising as an air electrode for a metal-air secondary battery, which is expected to produce hydrogen by photo-water decomposition and as a next-generation high-capacity secondary battery.

水電解の陽極における反応は、下記の反応式で表される。
O→O+4H+4e(中性から酸性)
4OH→O+2HO+4e(塩基性)
いずれの反応も、酸素発生反応(OER)である。本発明の材料は優れたOER活性を有する物であり、水電解陽極用触媒として、極めて有用である。
The reaction at the anode of water electrolysis is represented by the following reaction formula.
H 2 O → O 2 + 4H + + 4e (neutral to acidic)
4OH → O 2 + 2H 2 O + 4e (basic)
Both reactions are oxygen evolution reactions (OERs). The material of the present invention has excellent OER activity and is extremely useful as a catalyst for a water electrolytic anode.

<空気極>
空気極は、通常、多孔質構造を有し、酸素反応触媒の他、導電性材料を含む。また、空気極は、必要に応じて、酸素還元(ORR)触媒、バインダー等を含んでいてもよい。二次電池における空気極には、充電時の機能としてOER触媒活性と、放電時の機能としてORR触媒活性を有することを要する。本発明の触媒はOER触媒であるので、空気極には、この触媒に加えて、ORR触媒を含有させることもできる。空気極における充電及び放電時の化学式を以下に示す。

Figure 2020096022
<Air pole>
The air electrode usually has a porous structure and contains a conductive material as well as an oxygen reaction catalyst. Further, the air electrode may include an oxygen reduction (ORR) catalyst, a binder and the like, if necessary. The air electrode in the secondary battery is required to have OER catalytic activity as a function during charging and ORR catalytic activity as a function during discharge. Since the catalyst of the present invention is an OER catalyst, the air electrode may contain an ORR catalyst in addition to this catalyst. The chemical formulas for charging and discharging at the air electrode are shown below.
Figure 2020096022

空気極における本発明の触媒(OER触媒)の含有量は、特に限定されないが、空気極の酸素反応性能を高める観点から、例えば、1〜90質量%であることが好ましく、特に10〜60質量%であることが好ましく、30〜50質量%であることがより好ましい。 The content of the catalyst (OER catalyst) of the present invention in the air electrode is not particularly limited, but is preferably 1 to 90% by mass, particularly 10 to 60% by mass, from the viewpoint of enhancing the oxygen reaction performance of the air electrode. %, More preferably 30 to 50% by mass.

ORR触媒の例としては、特に制限はないが、例えば、PtまたはPt系材料(例えば、PtCo、PtCoCr、Pt-W2C、Pt-RuOxなど)、Pd系材料(例えば、PdTi、PdCr、PdCo、PdCoAuなど)、金属酸化物(例えば、ZrO2-x、TiOx、TaNxOy、IrMOxなど)、錯体系(Co-ポルフィリン錯体)、その他(PtMoRuSeOx、RuSeなど)を挙げることができる。さらに、Suntivichらが高活性と報告しているLaNiO3( Nat. Chem. 3, 546 (2011))、Liらが報告しているCoO/N-doped CNT(Nat. Commun. 4, 1805 (2013)) なども例示できる。但し、これらに限定される意図ではない。また、各触媒の性能や性質を考慮して複数の触媒を組み合わせて用いることもできる。さらに上記触媒には、助触媒(例えば、TiOx、RuO2、SnO2など)を組み合わせて用いる事もできる。ORR触媒を併用する場合の含有量は、ORR触媒の種類や触媒活性等を考慮して適宜決定することができ、例えば、1〜90質量%であることができる。但し、この数値範囲に限定される意図ではない。Examples of the ORR catalyst are not particularly limited, but are, for example, Pt or Pt-based materials (for example, PtCo, PtCoCr, Pt-W 2 C, Pt-RuOx, etc.), Pd-based materials (for example, PdTi, PdCr, PdCo). , PdCoAu, etc.), metal oxides (eg, ZrO 2-x , TiO x , TaN x O y , IrMO x, etc.), complex systems (Co-porphyrin complexes), and others (PtMoRuSeO x , RuSe, etc.) can. In addition, LaNiO 3 (Nat. Chem. 3, 546 (2011)) reported by Suntivich et al. And CoO / N-doped CNT (Nat. Commun. 4, 1805 (2013)) reported by Li et al. )) Etc. can also be exemplified. However, the intention is not limited to these. Further, a plurality of catalysts can be used in combination in consideration of the performance and properties of each catalyst. Further, a co-catalyst (for example, TiO x , RuO 2 , SnO 2, etc.) can be used in combination with the above catalyst. The content when the ORR catalyst is used in combination can be appropriately determined in consideration of the type of the ORR catalyst, the catalytic activity, and the like, and can be, for example, 1 to 90% by mass. However, it is not intended to be limited to this numerical range.

導電性材料としては、特に限定されず、導電助剤として一般的に使用可能なものであればよいが、好適なものとして導電性カーボンが挙げられる。具体的には、メソポーラスカーボン、グラファイト、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー等が挙げられる。空気極において多くの反応場を提供することから、比表面積が大きい導電性カーボンが好ましい。具体的には、比表面積が1〜3000m/g、特に500〜1500m/gである導電性カーボンが好ましい。空気極の触媒は、導電性材料に担持させてもよい。The conductive material is not particularly limited as long as it can be generally used as a conductive auxiliary agent, and conductive carbon is preferable. Specific examples thereof include mesoporous carbon, graphite, acetylene black, carbon nanotubes, and carbon fiber. Conductive carbon with a large specific surface area is preferred because it provides many reaction fields at the air electrode. Specifically, the specific surface area of 1~3000m 2 / g, which conductive carbon is particularly preferably 500 to 1500 2 / g. The catalyst of the air electrode may be supported on a conductive material.

空気極における導電性材料の含有量は、特に限定されないが、放電容量を高める観点から、例えば、10〜99質量%であることが好ましく、特に20〜80質量%であることが好ましく、20〜50質量%であることがより好ましい。 The content of the conductive material in the air electrode is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the discharge capacity, for example, it is preferably 10 to 99% by mass, particularly preferably 20 to 80% by mass, and 20 to 20% by mass. More preferably, it is 50% by mass.

空気極にバインダーを含有させることで、触媒や導電性材料を固定化し、電池のサイクル特性を向上させることができる。バインダーとしては特に限定されず、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)及びその共重合体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)及びその共重合体、スチレンブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。空気極におけるバインダーの含有量は、特に限定されないが、カーボン(導電性材料)と触媒との結着力の観点から、例えば、1〜40質量%であることが好ましく、特に5〜35質量%であることが好ましく、10〜35質量%であることがより好ましい。 By including the binder in the air electrode, the catalyst and the conductive material can be fixed, and the cycle characteristics of the battery can be improved. The binder is not particularly limited, and examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVDF) and its copolymer, polytetrafluoroethylene (PTFE) and its copolymer, and styrene-butadiene rubber (SBR). The content of the binder in the air electrode is not particularly limited, but is preferably 1 to 40% by mass, particularly 5 to 35% by mass, from the viewpoint of the binding force between carbon (conductive material) and the catalyst. It is preferably 10 to 35% by mass, and more preferably 10 to 35% by mass.

空気極は、例えば、上記した空気極構成材料を適当な溶媒に分散させて調製したスラリーを基材上に塗布、乾燥することで形成することができる。溶媒としては、特に限定されず、例えば、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等が挙げられる。空気極構成材料と溶媒との混合は、通常、3時間以上、好ましくは4時間行うことが好ましい。混合方法は特に限定されず、一般的な方法を採用することができる。 The air electrode can be formed, for example, by applying a slurry prepared by dispersing the above-mentioned air electrode constituent material in an appropriate solvent on a substrate and drying it. The solvent is not particularly limited, and examples thereof include acetone, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like. The mixing of the air electrode constituent material and the solvent is usually preferably carried out for 3 hours or more, preferably 4 hours. The mixing method is not particularly limited, and a general method can be adopted.

スラリーを塗布する基材は、特に限定されず、ガラス板、テフロン(登録商標)板等が挙げられる。これら基材は、スラリーの乾燥後、得られた空気極から剥離される。或いは、空気極の集電体や、固体電解質層を、上記基材として扱うこともできる。この場合、基材は剥離せずに、金属空気二次電池の構成部材としてそのまま利用する。 The base material on which the slurry is applied is not particularly limited, and examples thereof include a glass plate and a Teflon (registered trademark) plate. These substrates are stripped from the resulting air electrode after the slurry has dried. Alternatively, an air electrode current collector or a solid electrolyte layer can be treated as the base material. In this case, the base material is not peeled off and is used as it is as a component of the metal-air secondary battery.

スラリーの塗布方法、乾燥方法は、特に限定されず、一般的な方法を採用することができる。例えば、スプレー法、ドクターブレード法、グラビア印刷法等の塗布方法、加熱乾燥、減圧乾燥等の乾燥方法を採用することができる。 The method for applying the slurry and the method for drying the slurry are not particularly limited, and a general method can be adopted. For example, a coating method such as a spray method, a doctor blade method, a gravure printing method, or a drying method such as heat drying or vacuum drying can be adopted.

空気極の厚さは、特に限定されず、金属空気二次電池の用途等に応じて適宜設定すればよいが、通常、5〜100μm、10〜60μm、特に20〜50μmであることが好ましい。 The thickness of the air electrode is not particularly limited and may be appropriately set according to the application of the metal-air secondary battery, etc., but is usually 5 to 100 μm, 10 to 60 μm, and particularly preferably 20 to 50 μm.

空気極には、通常、空気極の集電を行う空気極集電体が接続される。空気極集電体の材料、形状は特に限定されない。空気極集電体の材料としては、例えば、ステンレス、アルミニウム、鉄、ニッケル、チタン、炭素(カーボン)等が挙げられる。また、空気極集電体の形状としては、箔状、板状、メッシュ(グリッド状)、繊維状等が挙げられ、中でもメッシュ状等の多孔質形状であることが好ましい。多孔質形状の集電体は、空気極への酸素供給効率に優れているからである。 An air electrode current collector that collects electricity from the air electrode is usually connected to the air electrode. The material and shape of the air electrode current collector are not particularly limited. Examples of the material of the air electrode current collector include stainless steel, aluminum, iron, nickel, titanium, carbon (carbon) and the like. Further, examples of the shape of the air electrode current collector include a foil shape, a plate shape, a mesh (grid shape), a fibrous shape, and the like, and among them, a porous shape such as a mesh shape is preferable. This is because the porous current collector has excellent oxygen supply efficiency to the air electrode.

<金属空気二次電池>
本発明の金属空気二次電池は、上記本発明の材料を含む触媒を含有する空気極と、負極活物質を含有する負極と、空気極と負極との間に介在する電解質と、を有する。本発明の金属空気二次電池の空気極には、本発明の材料を含む触媒が含有され、この触媒は優れたOER触媒特性を示す。従って、この触媒を用いた空気極を用いることで、本発明の金属空気二次電池は、充電速度及び充電電圧に優れたものとなる。
<Metal-air secondary battery>
The metal-air secondary battery of the present invention has an air electrode containing a catalyst containing the material of the present invention, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an electrolyte interposed between the air electrode and the negative electrode. The air electrode of the metal-air secondary battery of the present invention contains a catalyst containing the material of the present invention, and this catalyst exhibits excellent OER catalytic properties. Therefore, by using the air electrode using this catalyst, the metal-air secondary battery of the present invention is excellent in charging speed and charging voltage.

また、空気極は前記のようにORR触媒活性を有する触媒を共存させることもできる。あるいは、本発明の材料を含む触媒を含有する酸素発生(OER)用の空気極とは別に、ORR触媒活性を有する触媒を含む酸素還元(ORR)用の空気極を設けることもできる。この場合、金属空気二次電池は、酸素還元用の空気極と酸素発生用の空気極とを有することになる(3電極方式)。放電時には酸素還元用の空気極が用いられ、充電時には酸素発生用の空気極が用いられる。ORR触媒活性を有する触媒は前述の通りであり、この触媒と上記空気極の説明で記載した導電性材料及びバインダー等を用いて酸素発生用の空気極を得ることができる。 Further, as described above, the air electrode can coexist with a catalyst having ORR catalytic activity. Alternatively, an air electrode for oxygen evolution (ORR) containing a catalyst having ORR catalytic activity may be provided separately from the air electrode for oxygen evolution (OER) containing the catalyst containing the material of the present invention. In this case, the metal-air secondary battery has an air electrode for reducing oxygen and an air electrode for generating oxygen (3-electrode method). An air electrode for reducing oxygen is used during discharge, and an air electrode for generating oxygen is used during charging. The catalyst having ORR catalytic activity is as described above, and an air electrode for oxygen evolution can be obtained by using this catalyst and the conductive material and binder described in the above description of the air electrode.

以下、本発明の金属空気二次電池の一構成例について説明する。尚、本発明の金属空気二次電池は、以下の構成に限定されるものではない。図12は、本発明の金属空気二次電池の一形態例を示す断面図である。金属空気二次電池1は、酸素を活物質とする空気極2、負極活物質を含有する負極3、空気極2及び負極3の間でイオン伝導を担う電解質4、空気極2の集電を行う空気極集電体5、及び負極3の集電を行う負極集電体6からなり、これらが図示しない電池ケースに収容されている。空気極2には、該空気極2の集電を行う空気極集電体5が電気的に接続され、空気極集電体5は、空気極2への酸素供給が可能な多孔質構造を有している。負極3には、該負極3の集電を行う負極集電体6が電気的に接続され、空気極集電体5及び負極集電体6の端部のうち一方は、電池ケースから突出している。それぞれ、正極端子(図示せず)、負極端子(図示せず)として機能する。 Hereinafter, a configuration example of the metal-air secondary battery of the present invention will be described. The metal-air secondary battery of the present invention is not limited to the following configuration. FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of a form of the metal-air secondary battery of the present invention. The metal-air secondary battery 1 collects electricity from an air electrode 2 using oxygen as an active material, a negative electrode 3 containing a negative electrode active material, an electrolyte 4 responsible for ion conduction between the air electrode 2 and the negative electrode 3, and an air electrode 2. It is composed of an air electrode current collector 5 and a negative electrode current collector 6 that collects electricity from the negative electrode 3, and these are housed in a battery case (not shown). An air electrode current collector 5 that collects electricity from the air electrode 2 is electrically connected to the air electrode 2, and the air electrode current collector 5 has a porous structure capable of supplying oxygen to the air electrode 2. Have. A negative electrode current collector 6 that collects electricity from the negative electrode 3 is electrically connected to the negative electrode 3, and one of the ends of the air electrode current collector 5 and the negative electrode current collector 6 protrudes from the battery case. There is. They function as positive electrode terminals (not shown) and negative electrode terminals (not shown), respectively.

(負極)
負極は、負極活物質を含有する。負極活物質としては、一般的な空気電池の負極活物質を用いることができ、特に限定されるものではない。負極活物質は、通常、金属イオンを吸蔵・放出することができるものである。具体的な負極活物質としては、例えば、Li、Na、K、Mg、Ca、Zn、Al、及びFe等の金属、これら金属の合金、酸化物及び窒化物、並びに炭素材料等が挙げられる。
(Negative electrode)
The negative electrode contains a negative electrode active material. As the negative electrode active material, a negative electrode active material of a general air battery can be used, and is not particularly limited. The negative electrode active material is usually one that can occlude and release metal ions. Specific examples of the negative electrode active material include metals such as Li, Na, K, Mg, Ca, Zn, Al, and Fe, alloys, oxides, and nitrides of these metals, carbon materials, and the like.

中でも、亜鉛−空気二次電池は安全面において優れており、次世代の二次電池として期待されている。尚、高電圧高出力という観点からはリチウム−空気二次電池及びマグネシウム空気二次電池が有望である。
亜鉛−空気二次電池の例を以下に説明すると、反応式は以下の通りである。

Figure 2020096022
Among them, the zinc-air secondary battery is excellent in terms of safety and is expected as a next-generation secondary battery. From the viewpoint of high voltage and high output, lithium-air secondary batteries and magnesium air secondary batteries are promising.
An example of a zinc-air secondary battery will be described below. The reaction formula is as follows.
Figure 2020096022

本発明の亜鉛−空気二次電池において、負極としては、亜鉛イオンを吸蔵・放出可能な材料を用いる。このような負極としては、金属亜鉛のほかに、亜鉛合金を用いることもできる。亜鉛合金としては、例えば、アルミニウム、インジウム、マグネシウム、スズ、チタン、銅、から選択される一種または二種以上の元素を含有する亜鉛合金を挙げることができる。 In the zinc-air secondary battery of the present invention, a material capable of occluding and releasing zinc ions is used as the negative electrode. As such a negative electrode, a zinc alloy can be used in addition to metallic zinc. Examples of the zinc alloy include zinc alloys containing one or more elements selected from aluminum, indium, magnesium, tin, titanium, and copper.

リチウム−空気二次電池の負極活物質としては、例えば金属リチウム;リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金等のリチウム合金;スズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物等の金属酸化物;スズ硫化物、チタン硫化物等の金属硫化物;リチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等の金属窒化物;並びにグラファイト等の炭素材料等を挙げることができ、中でも金属リチウムが好ましい。 Examples of the negative electrode active material of the lithium-air secondary battery include metallic lithium; lithium alloys such as lithium aluminum alloys, lithium tin alloys, lithium lead alloys and lithium silicon alloys; tin oxides, silicon oxides and lithium titanium oxides. Metal oxides such as niobium oxide and tungsten oxide; metal sulfides such as tin sulfide and titanium sulfide; metal nitrides such as lithium cobalt nitride, lithium iron nitride and lithium manganese nitride; and graphite and the like. Examples thereof include carbon materials, and among them, metallic lithium is preferable.

さらに、マグネシウム−空気二次電池の負極活物質としては、マグネシウムイオンを吸蔵・放出可能な材料を用いる。このような負極としては、金属マグネシウムのほかに、マグネシウムアルミニウム、マグネシウムシリコン、マグネシウムガリウムなどのマグネシウム合金などを用いることができる。 Further, as the negative electrode active material of the magnesium-air secondary battery, a material capable of occluding and releasing magnesium ions is used. As such a negative electrode, in addition to metallic magnesium, magnesium alloys such as magnesium aluminum, magnesium silicon, and magnesium gallium can be used.

箔状や板状の金属や合金等を負極活物質として用いる場合には、該箔状や板状の負極活物質を負極そのものとして使用することができる。 When a foil-shaped or plate-shaped metal or alloy is used as the negative electrode active material, the foil-shaped or plate-shaped negative electrode active material can be used as the negative electrode itself.

負極は、少なくとも負極活物質を含有してればよいが、必要に応じて、負極活物質を固定化する結着材を含有していてもよい。結着材の種類、使用量等については、上述した空気極と同様であるため、ここでの説明は省略する。 The negative electrode may contain at least the negative electrode active material, but may also contain a binder for immobilizing the negative electrode active material, if necessary. Since the type of binder, the amount used, and the like are the same as those of the above-mentioned air electrode, the description thereof is omitted here.

負極には、通常、負極の集電を行う負極集電体が接続される。負極集電体の材料、形状は特に限定されない。負極集電体の材料としては、例えば、ステンレス、銅、ニッケル等が挙げられる。また、負極集電体の形状としては、箔状、板状、メッシュ(グリッド状)等が挙げられる。 A negative electrode current collector that collects current from the negative electrode is usually connected to the negative electrode. The material and shape of the negative electrode current collector are not particularly limited. Examples of the material of the negative electrode current collector include stainless steel, copper, nickel and the like. Further, examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, a mesh (grid shape), and the like.

(電解質)
電解質は、空気極と負極との間に配置される。電解質を介して、負極と空気極との間の金属イオン伝導が行われる。電解質の形態は、特に限定されるものではなく、液体電解質、ゲル電解質、固体電解質等を挙げることができる。
(Electrolytes)
The electrolyte is placed between the air electrode and the negative electrode. Metal ion conduction between the negative electrode and the air electrode is performed via the electrolyte. The form of the electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include a liquid electrolyte, a gel electrolyte, and a solid electrolyte.

電解液は、負極が亜鉛又はその合金の場合を例に挙げれば、酸化亜鉛を含む水酸化カリウム水溶液や水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ水溶液を用いてもよいし、塩化亜鉛や過塩素酸亜鉛を含む水溶液を用いてもよいし、過塩素酸亜鉛を含む非水系溶媒や亜鉛ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドを含む非水系溶媒を用いてもよい。また、負極がマグネシウム又はその合金の場合を例に挙げれば、過塩素酸マグネシウムやマグネシウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドを含む非水系溶媒を用いてもよい。ここで、非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)など従来の二次電池やキャパシタに使われる有機溶媒が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。あるいは、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(am)などのイオン性液体を用いることもできる。 As an example of the case where the negative electrode is zinc or an alloy thereof, an alkaline aqueous solution such as a potassium hydroxide aqueous solution containing zinc oxide or a sodium hydroxide aqueous solution may be used as the electrolytic solution, or zinc chloride or zinc perchlorate may be used. An aqueous solution containing zinc perchlorate may be used, or a non-aqueous solution containing zinc perchlorate or a non-aqueous solvent containing zinc bis (trifluoromethylsulfonyl) imide may be used. Further, for example, when the negative electrode is magnesium or an alloy thereof, a non-aqueous solvent containing magnesium perchlorate or magnesium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide may be used. Here, examples of the non-aqueous solvent include conventional secondary batteries such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γ-BL), diethyl carbonate (DEC), and dimethyl carbonate (DMC). Examples include organic solvents used in capacitors. These may be used alone or in combination of two or more. Alternatively, an ionic liquid such as N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (am) can be used.

本発明の二次電池において、電解液は、デンドライト生成防止剤を含むことが好ましい。デンドライト生成防止剤は、充電時に負極表面に吸着して結晶面間のエネルギー差を小さくし、優先配向を防ぐことによりデンドライトの発生を抑制すると考えられる。デンドライト生成防止剤については特に限定はないが、例えば、ポリアルキレンイミン類、ポリアリルアミン類及び非対称ジアルキルスルフォン類からなる群より選ばれた少なくとも1種のものであることができる(例えば、特開2009-93983号公報参照)。また、デンドライト生成防止剤の使用量は、特に限定されるものではないが、例えば常温常圧で電解液に飽和する量だけ用いてもよいし、溶媒として用いてもよい。 In the secondary battery of the present invention, the electrolytic solution preferably contains a dendrite formation inhibitor. It is considered that the dendrite generation inhibitor is adsorbed on the surface of the negative electrode during charging to reduce the energy difference between the crystal planes and prevent preferential orientation to suppress the generation of dendrites. The dendrite formation inhibitor is not particularly limited, but may be, for example, at least one selected from the group consisting of polyalkyleneimines, polyallylamines and asymmetric dialkylsulphons (for example, JP-A-2009). -Refer to Gazette No. 93983). The amount of the dendrite formation inhibitor used is not particularly limited, but for example, it may be used only in an amount that saturates in the electrolytic solution at normal temperature and pressure, or may be used as a solvent.

リチウムイオン伝導性を有する液体電解質は、通常、リチウム塩及び非水溶媒を含有する非水電解液である。上記リチウム塩としては、例えばLiPF、LiBF、LiClO及びLiAsF等の無機リチウム塩;並びにLiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO等の有機リチウム塩等を挙げることができる。The liquid electrolyte having lithium ion conductivity is usually a non-aqueous electrolyte solution containing a lithium salt and a non-aqueous solvent. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAsF 6 ; and LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , Examples thereof include organic lithium salts such as LiC (CF 3 SO 2 ) 3.

上記非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシメタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン及びこれらの混合物等を挙げることができる。非水溶媒としては、イオン液体を用いることもできる。 Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), butylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane, acetonitrile, and the like. Examples thereof include 1,2-dimethoxymethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and mixtures thereof. An ionic liquid can also be used as the non-aqueous solvent.

非水電解液におけるリチウム塩の濃度は、特に限定されないが、例えば0.1mol/L〜3mol/Lの範囲内であることが好ましく、好ましくは1mol/Lである。尚、本発明においては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いてもよい。 The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably in the range of, for example, 0.1 mol / L to 3 mol / L, preferably 1 mol / L. In the present invention, a low volatile liquid such as an ionic liquid may be used as the non-aqueous electrolytic solution.

リチウムイオン伝導性を有するゲル電解質は、例えば、上記非水電解液にポリマーを添加してゲル化することで得ることができる。具体的には、上記非水電解液に、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF、Arkema社製商品名Kynarなど)ポリアクリロニトリル(PAN)またはポリメチルメタクリレート(PMMA)等のポリマーを添加することにより、ゲル化を行うことができる。 A gel electrolyte having lithium ion conductivity can be obtained, for example, by adding a polymer to the non-aqueous electrolytic solution to gel. Specifically, a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyvinylidene fluoride (PVDF, trade name Kynar manufactured by Arkema, etc.), polyacrylonitrile (PAN), or polymethylmethacrylate (PMMA) is added to the non-aqueous electrolyte solution. By doing so, gelation can be performed.

リチウムイオン伝導性を有する固体電解質としては、特に限定されず、リチウム金属空気二次電池で使用可能な一般的な固体電解質を用いることができる。例えば、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO等の酸化物固体電解質;LiS−P化合物、LiS−SiS化合物、LiS−GeS化合物等硫化物固体電解質;を挙げることができる。The solid electrolyte having lithium ion conductivity is not particularly limited, and a general solid electrolyte that can be used in a lithium metal-air secondary battery can be used. For example, an oxide solid electrolyte such as Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ; Li 2 SP 2 S 5 compound, Li 2 S-SiS 2 compound, Li 2 S-GeS 2 Sulfide solid electrolytes such as compounds;

電解質の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば10μm〜5000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the electrolyte varies greatly depending on the configuration of the battery, but is preferably in the range of, for example, 10 μm to 5000 μm.

(付属構成)
本発明の金属空気二次電池において、空気極と負極との間には、これら電極間の電気的絶縁を確実に行うために、セパレータが配置されることが好ましい。セパレータは、空気極と負極との間の電気的絶縁が確保可能であると共に、空気極と負極との間に電解質が介在することが可能な構造を有していれば特に限定されない。
(Attached configuration)
In the metal-air secondary battery of the present invention, it is preferable that a separator is arranged between the air electrode and the negative electrode in order to ensure electrical insulation between these electrodes. The separator is not particularly limited as long as it has a structure capable of ensuring electrical insulation between the air electrode and the negative electrode and allowing an electrolyte to intervene between the air electrode and the negative electrode.

セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、ポリフッ化ビニリデン、ガラスセラミックス等の多孔膜;及び樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。中でも、ガラスセラミックス製のセパレータが好ましい。 Examples of the separator include porous films such as polyethylene, polypropylene, cellulose, polyvinylidene fluoride, and glass ceramics; and non-woven fabrics such as resin non-woven fabric and glass fiber non-woven fabric. Of these, a separator made of glass ceramics is preferable.

また、金属空気二次電池を収納する電池ケースとしては、一般的な金属空気二次電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースの形状としては、上述した空気極、負極、及び電解質を保持することができれば特に限定されるものではないが、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。 Further, as the battery case for accommodating the metal-air secondary battery, a battery case of a general metal-air secondary battery can be used. The shape of the battery case is not particularly limited as long as it can hold the above-mentioned air electrode, negative electrode, and electrolyte, but specific examples thereof include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminated type. Can be done.

本発明の金属空気二次電池は、空気極に活物質である酸素が供給されることにより、放電が可能となる。酸素供給源としては、空気の他、酸素ガス等が挙げられ、好ましくは酸素ガスである。供給する空気又は酸素ガスの圧力は特に限定されず、適宜設定すればよい。 The metal-air secondary battery of the present invention can be discharged by supplying oxygen, which is an active material, to the air electrode. Examples of the oxygen supply source include oxygen gas and the like in addition to air, and oxygen gas is preferable. The pressure of the air or oxygen gas to be supplied is not particularly limited and may be appropriately set.

本発明の材料を含む空気極用触媒は、金属空気二次電池に有用であることに加えて、それ以外のOER電極触媒が用いられる分野においても有用である。OER電極触媒は古くからさまざまな電気化学反応の対極反応として研究あるいは利用されており、アルカリ金属メッキや電解脱脂、電気防食技術への転用が可能である。また、最近では太陽電池や光触媒と組み合わせることで、高効率でクリーンな水素製造技術への応用も期待される。 In addition to being useful for metal-air secondary batteries, the air electrode catalyst containing the material of the present invention is also useful in other fields where OER electrode catalysts are used. OER electrode catalysts have long been studied or used as counter-polar reactions in various electrochemical reactions, and can be used for alkali metal plating, electrolytic degreasing, and electrolytic protection technology. Recently, by combining with solar cells and photocatalysts, it is expected to be applied to highly efficient and clean hydrogen production technology.

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。但し、実施例は本発明の例示であって、本発明は実施例に限定される意図ではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the examples are examples of the present invention, and the present invention is not intended to be limited to the examples.

実施例1
実験方法
Ca2CoFeO5+δ(CFC)は次の方法で作製した。Ca(NO3)2水和物, Co(NO3)2水和物およびFe(NO3)2水和物をCa:Co:Feのモル比が2:1:1となるよう純水に溶解し、更にクエン酸を適量加えた後、120℃で蒸発乾固させた後、500℃で焼成した。最後に焼成した粉末を酸素中800℃で8時間焼成することにより作製した。
作製したCFCとアセチレンブラック (AB)、およびNafion溶液をエタノール中に重量比でCFC : AB : Nafion = 5: 1 : 1となるよう分散させて触媒インクとし、これをGCディスク(5mmφ)またはカーボンシート(15 mm x 5 mm,膜厚0.2mm)上に塗布し電極とした。尚インクの塗布量はCFC触媒量が10 mg cm-2となるよう調節した。またカーボンシートには東海カーボン製耐水カーボンシートを使用した。
Example 1
experimental method
Ca 2 CoFeO 5 + δ (CFC) was prepared by the following method. Ca (NO 3) 2 hydrate, Co and (NO 3) 2 hydrate and Fe (NO 3) 2 hydrate Ca: Co: molar ratio of Fe 2: 1: 1 so as purified water After dissolving and further adding an appropriate amount of citric acid, the mixture was evaporated to dryness at 120 ° C. and then fired at 500 ° C. The last calcined powder was produced by calcining in oxygen at 800 ° C. for 8 hours.
The prepared CFC, acetylene black (AB), and Nafion solution were dispersed in ethanol so that the weight ratio was CFC: AB: Nafion = 5: 1: 1 to form a catalyst ink, which was used as a GC disk (5 mmφ) or carbon. It was applied on a sheet (15 mm x 5 mm, thickness 0.2 mm) to form an electrode. The amount of ink applied was adjusted so that the amount of CFC catalyst was 10 mg cm -2. A water resistant carbon sheet made by Tokai Carbon was used as the carbon sheet.

Co酸化物材料の調製
1時間OER分極及び一か月OER分極によるCo酸化物材料の調製は、カーボンシート電極を用い、Hg/HgO/4 mol dm-3KOH を参照電極,白金板を対極とする三電極系にて、4 mol dm-3 KOH水溶液中、アルゴン不活性雰囲気下で行った。まず40 mA cm-2の一定酸化電流条件で2時間OER分極を行い、続いて0電流条件で15分静置した。以上の2つのステップを交互に一か月繰り返すOER分極を行い、その後、分極した材料を回収することで、一か月OER分極によるCo酸化物材料を得た。1時間OER分極は、上記と同様の一定酸化電流条件で1時間OER分極を行い、分極した材料を回収することでCo酸化物材料を得た。
Preparation of Co oxide material
The Co oxide material is prepared by 1-hour OER polarization and 1-month OER polarization using a carbon sheet electrode , a reference electrode of Hg / HgO / 4 mol dm -3 KOH, and a three-electrode system with a platinum plate as the counter electrode. , 4 mol dm -3 KOH aqueous solution, under an argon inert atmosphere. First, OER polarization was performed for 2 hours under a constant oxidation current condition of 40 mA cm -2 , and then the mixture was allowed to stand for 15 minutes under a 0 current condition. OER polarization was performed by alternately repeating the above two steps for one month, and then the polarized material was recovered to obtain a Co oxide material by OER polarization for one month. For 1-hour OER polarization, a Co-oxide material was obtained by performing OER polarization for 1 hour under the same constant oxidation current conditions as described above and recovering the polarized material.

また一か月OER分極前後のCFC電極についてOER電流−電圧曲線を測定し、OER活性評価を行った。分極測定は,Hg/HgO/4 mol dm-3KOHを参照電極、白金板を対極とする三電極系にて、4 mol dm-3 KOH水溶液中で行った。またORR分極測定は酸素飽和雰囲気下、およびOER分極測定はアルゴン飽和雰囲気下で行った。In addition, the OER current-voltage curve was measured for the CFC electrodes before and after the one-month OER polarization, and the OER activity was evaluated. The polarization measurement was carried out in a 4 mol dm -3 KOH aqueous solution using a three-electrode system with Hg / HgO / 4 mol dm -3 KOH as the reference electrode and a platinum plate as the counter electrode. The ORR polarization measurement was performed in an oxygen-saturated atmosphere, and the OER polarization measurement was performed in an argon-saturated atmosphere.

比較例1
比較実験のためにγ-CoOOHを触媒として用いて実験を行った。γ-CoOOH は市販のCo(OH)2を125℃で6時間焼成することにより作成した。γ-CoOOHとAB、およびNafion溶液をエタノール中に重量比でγ-CoOOH : AB : Nafion = 5: 1 : 1となるよう分散させて触媒インクとし、これをGCディスク(5mmφ)上に塗布し電極とした。尚インクの塗布量はγ-CoOOH触媒量が10 mg cm-2となるよう調節した。この電極を用いてOERおよびORR分極曲線を測定し、活性評価を行った。分極測定は,Hg/HgO/4 mol dm-3 KOH を参照電極、白金板を対極とする三電極系にて、4 mol dm-3 KOH水溶液中で行った。またORR分極測定は酸素飽和雰囲気下、およびOER分極測定はアルゴン飽和雰囲気下で行った。
Comparative Example 1
An experiment was conducted using γ-CoOOH as a catalyst for a comparative experiment. γ-CoOOH was prepared by calcining commercially available Co (OH) 2 at 125 ° C. for 6 hours. γ-CoOOH, AB, and Nafion solutions are dispersed in ethanol so that the weight ratio is γ-CoOOH: AB: Nafion = 5: 1: 1 to form a catalyst ink, which is applied onto a GC disk (5 mmφ). It was used as an electrode. The amount of ink applied was adjusted so that the amount of γ-CoOOH catalyst was 10 mg cm -2. The OER and ORR polarization curves were measured using this electrode to evaluate the activity. The polarization measurement was performed in a 4 mol dm -3 KOH aqueous solution using a three-electrode system with Hg / HgO / 4 mol dm -3 KOH as the reference electrode and a platinum plate as the counter electrode. The ORR polarization measurement was performed in an oxygen-saturated atmosphere, and the OER polarization measurement was performed in an argon-saturated atmosphere.

試験例1
一か月OER分極前後のCFC電極について、CFC粒子の組成分析をオージェ分光法に依って行った。分光測定にはJEOL-2000Aを用いて行い、電子線のプローブ系を10 nm程度まで絞り、電極表面に露出したCFC単一粒子を評価した。また得られたスペクトルについて、各元素のX線発光効率と発光エネルギーを基にフィッティングを行い、表面組成を決定した。
Test Example 1
The composition of CFC particles was analyzed by Auger spectroscopy on the CFC electrodes before and after OER polarization for one month. JEOL-2000A was used for spectroscopic measurement, and the probe system of the electron beam was narrowed down to about 10 nm to evaluate CFC single particles exposed on the electrode surface. Further, the obtained spectrum was fitted based on the X-ray emission efficiency and emission energy of each element to determine the surface composition.

また一か月OER分極前後のCFC電極について、スプリング8のBL28XUラインにてEXAFS測定を行った。測定は透過法によって行った。 In addition, EXAFS measurements were performed on the BL28XU line of spring 8 for the CFC electrodes before and after OER polarization for one month. The measurement was performed by the transmission method.

(1)高分解能TEM像(Co酸化物ナノクラスターの形成と粒子径)
図1に、GC電極上に塗布したCFCを1.6 V vs RHEにて1時間OER分極した際の、分極前後のCFC触媒の高分解能TEM像を示す。分極前の試料にはブラウンミラー型相の110面間隔に相当するきれいな格子縞が観察され、また電子線回折にもブラウンミラー型構造に一致するスポットが現れたことから、高結晶性の試料が得られていることがわかる。一方1時間分極した試料は、明らかにバルクの結晶構造が崩れ、アモルファス相へ転移していることがわかる。定電位分極の結果と合わせると、CFCのOER活性は、出発物質であるブラウンミラー相ではなく、アノード分極中に形成するアモルファス相によって発現していることが確認された。TEM像から、このアモルファス相は明らかに不均一な構造を有し、アモルファスマトリクス中に、0.5‐2 nm程度のナノクラスターが分散して形成していることがわかる。さらにこのナノクラスターは秩序構造の特徴を示し、この制限視野電子線回折にも、アモルファスに由来したハローに加え、明瞭なリングが観察された。
(1) High-resolution TEM image (formation of Co oxide nanoclusters and particle size)
FIG. 1 shows a high-resolution TEM image of the CFC catalyst before and after polarization when the CFC coated on the GC electrode was OER-polarized at 1.6 V vs RHE for 1 hour. In the sample before polarization, clear lattice fringes corresponding to the 110-plane spacing of the Brown mirror type phase were observed, and spots matching the Brown mirror type structure appeared in the electron diffraction, so a highly crystalline sample was obtained. You can see that it is done. On the other hand, in the sample polarized for 1 hour, it can be seen that the bulk crystal structure is clearly broken and the sample is transferred to the amorphous phase. Combined with the results of constant potential polarization, it was confirmed that the OER activity of CFC is expressed not by the brown mirror phase, which is the starting material, but by the amorphous phase formed during anodic polarization. From the TEM image, it can be seen that this amorphous phase has a clearly non-uniform structure, and nanoclusters of about 0.5-2 nm are dispersed and formed in the amorphous matrix. Furthermore, the nanoclusters were characterized by an ordered structure, and in this limited-field electron diffraction, a clear ring was observed in addition to the amorphous-derived halo.

(2)電圧−時間曲線(Co酸化物ナノクラスターの安定性)
図2に一か月間定電流繰返分極した際の、電圧−時間曲線を示す。電流開始後20時間まで電位が1.6 から1.8 V vs RHEまで徐々に上昇するが、その後は一カ月間一定となった。この初期の電位上昇は、AB粒子が酸化消耗したため、CFCへの導通が悪くなったための過電圧上昇であることが確認された。従ってナノクラスター化したCFCは一か月連続してOER反応を行っても、OER活性は劣化しないことが確認され、耐久性に優れていることが分かる。
(2) Voltage-time curve (stability of Co oxide nanocluster)
FIG. 2 shows a voltage-time curve when constant current is repeatedly polarized for one month. The potential gradually increased from 1.6 to 1.8 V vs RHE until 20 hours after the start of the current, but remained constant for one month thereafter. It was confirmed that this initial potential increase was an overvoltage increase due to poor conduction to the CFC due to oxidative consumption of the AB particles. Therefore, it was confirmed that the OER activity of the nano-clustered CFC did not deteriorate even if the OER reaction was carried out continuously for one month, and it was found that the CFC had excellent durability.

(3)XRDパターン
図3に1時間及び一か月分極後のXRDパターンを示す。分極前の試料(As prepared)に現れているブラウンミラー型構造のピークは、1時間及び一か月の分極後には完全に消失し、カーボンシート以外のピークは現れなかった。従って、1時間及び一か月アノード分極後のナノクラスター化したCFCは、基本的にアモルファス相であり、XRDピークを示すと予想されるような10 nmを超えるの結晶粒子を含んでいないことが確認された。
(3) XRD pattern FIG. 3 shows the XRD pattern after 1 hour and 1 month polarization. The peak of the brown mirror type structure appearing in the pre-polarization sample (As prepared) disappeared completely after 1 hour and 1 month of polarization, and no peak other than the carbon sheet appeared. Therefore, the nanoclustered CFCs after 1 hour and 1 month anodic polarization are essentially amorphous and do not contain crystal particles above 10 nm that would be expected to show XRD peaks. confirmed.

(4)オージェ分光法(Co酸化物ナノクラスターの化学組成と構造)
表1に一か月OER分極前後の試料粒子をオージェ分光法によって組成分析した結果を示す。どちらにも240 eV付近にNafionに由来したCシグナルが見られる。一か月電解により、明らかに300 eV付近のCaシグナルが消失し、また600eV付近のFeシグナルも非常に弱くなっている。一方640−800eVにかけ、F, CoおよびFeの混合シグナルが現れるが、その強度はほとんど変化していないように見える。ここでFシグナルはNafion由来と思われる。更に一か月試験後Kシグナルの増大が観察されるが、これはNafionのプロトンがイオン交換した際に導入されたものとみなされる。各スペクトルへのフィッティングによりOER分極前後の物質粒子の組成を求めた。その結果を表1にまとめた。
(4) Auger spectroscopy (chemical composition and structure of Co oxide nanoclusters)
Table 1 shows the results of composition analysis of sample particles before and after OER polarization for one month by Auger spectroscopy. In both cases, a C signal derived from Nafion can be seen around 240 eV. After one month of electrolysis, the Ca signal around 300 eV was clearly lost, and the Fe signal around 600 eV was also very weak. On the other hand, at 640-800 eV, a mixed signal of F, Co and Fe appears, but its intensity does not seem to change much. Here, the F signal seems to be derived from Nafion. An increase in K signal is observed after an additional month of testing, which is believed to have been introduced during ion exchange of Nafion protons. The composition of the material particles before and after OER polarization was determined by fitting to each spectrum. The results are summarized in Table 1.

Figure 2020096022
Figure 2020096022

一か月OER分極前のCFC粒子は、出発物質であるブラウンミラー型相のCa/Fe/Co比、すなわち2/1/1に近い組成を示した。一方、一か月OER分極により調製した本発明のCo酸化物材料は、Caがほぼ消失し、Feもほぼなくなっていることがわかる。つまりCFCは分極中に、CaおよびFeが溶出し、ほぼCoを主成分とした酸化物または水和酸化物に変化していることが示された。 The CFC particles before one month OER polarization showed a Ca / Fe / Co ratio of the brown mirror type phase, which is the starting material, that is, a composition close to 2/1/1. On the other hand, it can be seen that in the Co oxide material of the present invention prepared by OER polarization for one month, Ca is almost eliminated and Fe is also almost eliminated. In other words, it was shown that Ca and Fe were eluted during polarization of CFC, and the oxide or hydrated oxide was changed to an oxide containing almost Co as a main component.

なお、この化学組成はアモルファスマトリクスが消失し、ナノクラスター単独となった際に得られた組成であり、アモルファスマトリクスが混在する際の影響が排除されている。生成直後(分極1時間後)のCo酸化物ナノクラスター化学組成についても、電圧−時間曲線の結果、EXAFSフィッティング結果およびOER電流−電圧曲線から、この組成と同様であることが考えられる。 It should be noted that this chemical composition is the composition obtained when the amorphous matrix disappears and the nanocluster becomes a single substance, and the influence when the amorphous matrix is mixed is excluded. From the results of the voltage-time curve, the EXAFS fitting result, and the OER current-voltage curve, it is considered that the chemical composition of the Co oxide nanocluster immediately after formation (1 hour after polarization) is similar to this composition.

(5)EXAFS測定
1時間OER分極により調製したCo酸化物材料及び一か月OER分極により調製したCo酸化物材料のアモルファス相の構造を更に詳しく調べるために、Spring8のBL28XUにてOER分極前後の試料のEXAFSを測定し、FeおよびCo周囲局所構造を調べた。その結果を図 5に示す。一か月分極により、FeおよびCo周りの動径分布関数が大きく変化しており、TEM同様にバルク構造が変化することがわかる。分極によってFe局所構造の周期性は低下しており、最近接酸素に相当する配位圏(1.6Å)のみがみられた。一方Co局所構造の対称性は、分極後むしろ向上しており、2.4Å付近に第二配位圏の形成を示す新たなピーク出現した。従ってOER反応中のアモルファス化により、周期構造を有するCo酸化物クラスターが生成することを示唆している。
(5) EXAFS measurement
In order to investigate the structure of the amorphous phase of the Co oxide material prepared by 1-hour OER polarization and the Co-oxide material prepared by 1-month OER polarization in more detail, EXAFS of the sample before and after OER polarization was measured by BL28XU of Spring8. Then, the local structures around Fe and Co were investigated. The results are shown in Fig. 5. It can be seen that the radial distribution function around Fe and Co changes significantly due to one-month polarization, and the bulk structure changes as in TEM. The periodicity of the Fe local structure was reduced by polarization, and only the coordination sphere (1.6 Å) corresponding to the most recent oxygen contact was observed. On the other hand, the symmetry of the Co local structure was rather improved after polarization, and a new peak indicating the formation of the second coordination sphere appeared around 2.4 Å. Therefore, it is suggested that amorphization during the OER reaction produces Co-oxide clusters with a periodic structure.

そこで様々なCo酸化物、水酸化物およびオキシ水酸化物の結晶データを基に、EXAFSへのフィッティングを行ったところ、分極後試料のEXAFS振動は、γ-CoOOHの結晶モデルでよくフィットできることがわかった。フィッティング結果を図5(d)および表2に示した。γ-CoOOHは、CoO6八面体の陵共有によって形成する[CoO2]平面単分子層が、プロトンを介した水素結合によってc軸上積層した層状構造をもつ(図6)。従って、本発明のCo酸化物材料はOERにより原子の再配列を起こし、酸化物マトリクス中にCoリッチな酸化物部分が形成され、それがγ-CoOOHによく似た配列構造を形成していることが示された。つまり図1の高分解能TEMにより観測されたナノクラスターは、このγ-CoOOH型配列構造またそれに類似する配列構造をもつナノクラスターであると決定された。Therefore, when fitting to EXAFS was performed based on the crystal data of various Co oxides, hydroxides and oxyhydroxides, it was found that the EXAFS vibration of the sample after polarization can be well fitted with the crystal model of γ-CoOOH. all right. The fitting results are shown in Fig. 5 (d) and Table 2. γ-CoOOH has a layered structure in which [CoO 2 ] planar monolayers formed by the coherence of CoO 6 octahedrons are laminated on the c-axis by hydrogen bonds via protons (Fig. 6). Therefore, in the Co oxide material of the present invention, atoms are rearranged by OER, and a Co-rich oxide moiety is formed in the oxide matrix, which forms an arrangement structure very similar to γ-CoOOH. Was shown. In other words, the nanoclusters observed by the high-resolution TEM in Fig. 1 were determined to be nanoclusters with this γ-CoOOH type sequence structure or a similar sequence structure.

さらにEXAFSフィッティング結果より、Co周りの酸素配位数は1時間分極の場合5.1であり、1か月分極の場合が5.3程度である(表2)。一方、酸素欠損が全くない[CoO2]平面単分子層におけるCo配位数は6となる。従って本発明のCo酸化物材料中に形成されるナノクラスターは、酸素欠損を有する[CoO1.8]平面単分子層を基本骨格にもつ材料であると考えられる。一方、図3の結果よりγ-CoOOHのXRDピークが現れないことから、このナノクラスターはc軸方向への積層は、TEM像で観察される粒子径から推察してある程度あるが、発達はしていないと考えられる。従って、本発明のCo酸化物材料中に形成されるナノクラスターは、は平面垂直方向に多少の積層はあるが、この積層はそれほど発達していない、[CoO1.8]平面単分子層と電荷補償のためのプロトンが配位した[CoO1.8Hy]n分子層シート状物質であると同定された。Furthermore, from the EXAFS fitting results, the oxygen coordination number around Co is 5.1 for 1-hour polarization and about 5.3 for 1-month polarization (Table 2). On the other hand, the Coordination number in the [CoO 2] planar monatomic layer without any oxygen deficiency is 6. Therefore, the nanoclusters formed in the Co oxide material of the present invention are considered to be a material having an oxygen-deficient [CoO 1.8 ] plane monolayer as a basic skeleton. On the other hand, since the XRD peak of γ-CoOOH does not appear from the result of FIG. 3, this nanocluster is laminated in the c-axis direction to some extent, which is inferred from the particle size observed in the TEM image, but it has developed. It is considered that it is not. Therefore, the nanoclusters formed in the Co oxide material of the present invention have some stacking in the vertical plane, but this stacking is not so well developed, [CoO 1.8 ] plane monolayer and charge compensation. proton for were identified as coordinating [CoO 1.8 H y] n molecules layer sheet material.

γ-CoOOH 型構造に基づくと、Co原子の第二配位圏には、およそ2.8Åの位置に6個のCo原子が存在する。一方EXAFSフィッティング結果より(表2)、Coの第二配位圏の配位数はおよそ4であり、従ってCoの一部が異種元素置換または欠損しているγ-CoOOH型平面分子層同士が水素結合を介して積層して形成されるナノクラスターを生成する。以上の結果と合わせると、この[CoO1.8Hy]n分子層シートのCoが一部Feで置換されていることが示唆された。Based on the γ-CoOOH type structure, there are 6 Co atoms at the position of about 2.8 Å in the second coordination sphere of Co atoms. On the other hand, from the EXAFS fitting results (Table 2), the coordination number of the second coordination sphere of Co is about 4, and therefore, the γ-CoOOH type planar molecular layers in which a part of Co is substituted or deleted by different elements are formed. It produces nanoclusters that are stacked and formed via hydrogen bonds. Combined with the above results, it was suggested that this [CoO 1.8 H y] n molecules layer sheet of Co is partially substituted with Fe.

Figure 2020096022
Figure 2020096022

(6)OER電流―電圧曲線(Co酸化物ナノクラスターの特性)
図7に一か月OER反応前後のCFC試料とγ-CoOOH粉末のOER電流―電圧曲線を示す。一か月分極前後で、ほぼ同じ曲線を示し、よってOER活性は全く変化していないことが確認された。さらに5 mA cm-2電流時をOERの開始電位と規定すると、一か月分極後のナノクラスター化したCFCおよびγ-CoOOH粉末の開始電位は、それぞれ1.47 V vs RHEおよび1.58 V vs RHEとなり、また1.6 V vs RHEにおけるOER電流値はそれぞれ100 mA cm-2および12 mA cm-2となった。従ってナノクラスター化したCFCのほうがγ-CoOOHよりもはるかに高い活性を示した。以上から、γ-CoOOH型構造を有するだけでは高い活性は得られず、そのサイズが数nm程度であることが高い活性を示すためには重要であることが示唆される。さらに、Coの一部がFeで置換されていることも有効であることが示唆される。
(6) OER current-voltage curve (characteristics of Co oxide nanocluster)
FIG. 7 shows the OER current-voltage curves of the CFC sample and the γ-CoOOH powder before and after the one-month OER reaction. Around the same curve before and after one-month polarization, it was confirmed that the OER activity did not change at all. If the starting potential of OER is defined as 5 mA cm -2 current, the starting potentials of nanoclustered CFC and γ-CoOOH powder after one month polarization are 1.47 V vs RHE and 1.58 V vs RHE, respectively. The OER current values at 1.6 V vs RHE were 100 mA cm -2 and 12 mA cm -2 , respectively. Therefore, nanoclustered CFCs showed much higher activity than γ-CoOOH. From the above, it is suggested that high activity cannot be obtained only by having a γ-CoOOH type structure, and that its size of about several nm is important for showing high activity. Furthermore, it is suggested that it is also effective that a part of Co is replaced with Fe.

実施例2
(1)Fe-またはNi-dope CoOOHの調製
Fe-dope CoOOHの作製およびNi-dope CoOOHの作製は共沈法により行った。Co(NO3)3・6H2OおよびFe(NO3)3・6H2OまたはNi(NO3)3・6H2Oを所定のモル比で純水に混合溶解して金属イオン(Co+FeまたはCo+Ni)が0.2 Mとなる溶液を50 cm3調製した。続いてこの混合溶液を200rpmで攪拌しながら2M KOH水溶液50 cm3に静かに添加し、水酸化物の沈殿を得た。ろ過後、20 cm3の純水で2回洗浄したのち、室温で一晩減圧放乾燥した。最後にO2気流中120℃で6h焼成し、CoがFeで置換したγCoOOHであるオキシ水酸化物Fe0.05Co0.95OxHy、Fe0.1Co0.9OxHyおよびNi0.1Co0.95OxHyを得た(以降、Fe-dope CoOOHまたはNi-dope CoOOHと記載する。
Example 2
(1) Preparation of Fe- or Ni-dope CoOOH
The preparation of Fe-dope CoOOH and the preparation of Ni-dope CoOOH were carried out by the coprecipitation method. Co (NO 3) 3 · 6H 2 O and Fe (NO 3) 3 · 6H 2 O or Ni (NO 3) 3 · 6H 2 O were mixed dissolved in pure water at a predetermined molar ratio metal ions (Co + A solution having Fe or Co + Ni) of 0.2 M was prepared in 50 cm 3. Subsequently, this mixed solution was gently added to 50 cm 3 of a 2 M KOH aqueous solution while stirring at 200 rpm to obtain a hydroxide precipitate. After filtration, the mixture was washed twice with 20 cm 3 of pure water, and then dried under reduced pressure overnight at room temperature. Finally, 6h calcined in an O 2 gas stream 120 ° C., oxyhydroxide Fe 0.05 Co 0.95 Co is γCoOOH substituted with Fe O x H y, Fe 0.1 Co 0.9 O x H y and Ni 0.1 Co 0.95 O x Hy was obtained (hereinafter referred to as Fe-dope CoOOH or Ni-dope CoOOH.

(2)元素分析
得られた粉末のFe/CoまたはNi/Co比を調べるために、粉末を0.1M KCl溶液に溶かし、それをICPにより分析した。その結果いずれの金属組成比も、仕込みの値と一致した。

(2) Elemental analysis In order to examine the Fe / Co or Ni / Co ratio of the obtained powder, the powder was dissolved in a 0.1 M KCl solution and analyzed by ICP. As a result, all the metal composition ratios were in agreement with the charged values.

(3)BET比表面積
得られた粉末のBET比表面積を測定したところ、Fe0.05Co0.95OxHy、Fe0.1Co0.9OxHyおよびNi0.1Co0.95OxHyはそれぞれ86、75、61 m2g-1であった。これらのBET比表面積ば、通常のマイクロメーターサイズ粒子のセラミックスの値より一桁高い値であった。このことから、得られた粉末はナノ粒状の物質であると推察した。
(3) and the BET specific surface area of BET specific surface area obtained powder, Fe 0.05 Co 0.95 O x H y, Fe 0.1 Co 0.9 O x H y and Ni 0.1 Co 0.95 O x H y, respectively 86,75 , 61 m 2 g -1 . These BET specific surface areas were orders of magnitude higher than those of ordinary micrometer-sized particles of ceramics. From this, it was inferred that the obtained powder was a nano-granular substance.

(4)Fe-dope CoOOH電極およびNi-dope CoOOH電極のOER活性
実施例1と同様の方法でカーボン混合電極を調製し、4M KOH中で測定した。即ち、アセチレンブラック (AB)、およびNafion溶液をエタノール中に重量比でFe-dope CoOOHまたはNi-dope CoOOH : AB : Nafion = 5: 1 : 1となるよう分散させて触媒インクとし、これをGCディスク(5mmφ)またはカーボンシート(15 mm x 5 mm、膜厚0.2mm)上に塗布し電極とした。尚、インクの塗布量はFe-dope CoOOHまたはNi-dope CoOOH 量が10 mg cm-2となるよう調節した。
(5)XRD
上記(1)で調製したFe0.05Co0.95OxHy、Fe0.1Co0.9OxHyおよびNi0.1Co0.95OxHyのXRDを測定し、結果を図8に示す。あわせてγ-CoOOHのXRDパターンも示す。Fe0.05Co0.95OxHy、Fe0.1Co0.9OxHyおよびNi0.1Co0.95OxHyはいずれもγ-CoOOHと同じXRDパターンを示したので、γ-CoOOH型層状構造を有していることが確認された。3つのオキシ水酸化物のXRDパターンは非常にブロードであり、従って結晶子のサイズは20°付近の002ピーク半値幅から、約8−15 nm程度である。
(5)OER
上記(1)で調製したFe0.05Co0.95OxHy、Fe0.1Co0.9OxHyおよびNi0.1Co0.95OxHyのOER分極曲線を図9に示す。いずれも1.45 V vs RHEから電流が立ち上がり、それぞれ1.47,1.46および1.49 V vs RHEにて5mA cm-2の電流値に達した。またいずれも1.6 V vs RHEにて120 mA cm-2以上の電流を示した。
(6)
以上のように、本実施例において共沈法で作製したFe-またはNi-dopeγ-CoOOH型ナノ結晶材料は、実施例1に示したCFCと同等の構造および活性を示した。
(4) OER activity of Fe-dope CoOOH electrode and Ni-dope CoOOH electrode A carbon mixed electrode was prepared in the same manner as in Example 1 and measured in 4M KOH. That is, acetylene black (AB) and Nafion solution are dispersed in ethanol so that Fe-dope CoOOH or Ni-dope CoOOH: AB: Nafion = 5: 1: 1 by weight to form a catalytic ink, which is used as GC. It was applied on a disk (5 mmφ) or a carbon sheet (15 mm x 5 mm, film thickness 0.2 mm) to form an electrode. The amount of ink applied was adjusted so that the amount of Fe-dope CoOOH or Ni-dope CoOOH was 10 mg cm- 2.
(5) XRD
The Fe 0.05 Co 0.95 was prepared in (1) O x H y, the XRD of Fe 0.1 Co 0.9 O x H y and Ni 0.1 Co 0.95 O x H y is measured, and the results are shown in Fig. The XRD pattern of γ-CoOOH is also shown. Fe 0.05 Co 0.95 O x H y , since showed Fe 0.1 Co 0.9 O x H y and Ni 0.1 Co 0.95 O x H y are both the same XRD pattern as gamma-CoOOH, has a gamma-CoOOH type layered structure It was confirmed that The XRD pattern of the three oxyhydroxides is very broad, so the crystallite size is about 8-15 nm from the 002 peak full width at around 20 °.
(5) OER
The Fe 0.05 Co 0.95 was prepared in (1) O x H y, the OER polarization curves of Fe 0.1 Co 0.9 O x H y and Ni 0.1 Co 0.95 O x H y shown in FIG. In each case, the current increased from 1.45 V vs RHE and reached a current value of 5 mA cm -2 at 1.47, 1.46 and 1.49 V vs RHE, respectively. All of them showed a current of 120 mA cm -2 or more at 1.6 V vs RHE.
(6)
As described above, the Fe- or Ni-dopeγ-CoOOH type nanocrystal material prepared by the coprecipitation method in this example showed the same structure and activity as the CFC shown in Example 1.

実施例3
実施例1と同様にCa2CoFeO5+δ(CFC)を作製し、作製したCFCを4M KOHに浸漬し、50℃で3日間、気密Arバブリングした。その後Milli-Q水でよく洗浄し、
濾過して試料を得た。KOH処理品のCa/Fe/Co (ICP発光分析)は 0.03/0.21/0.76であった。KOH処理前に測定したBETは2.92 m2 g-1であったのに対してKOH処理後は230と約80倍に増大した。KOH処理前の試料(CFC)及びKOH処理品のXRDを図10に示し、OER分極曲線を図11に示す。KOH処理品のEXAFSは、実施例1の図5の1時間OER分極品と同様であった。
Example 3
Ca 2 CoFeO 5 + δ (CFC) was prepared in the same manner as in Example 1, the prepared CFC was immersed in 4M KOH, and airtight Ar bubbling was performed at 50 ° C. for 3 days. Then wash well with Milli-Q water and
A sample was obtained by filtration. The Ca / Fe / Co (ICP emission spectrometry) of the KOH-treated product was 0.03 / 0.21 / 0.76. The BET measured before the KOH treatment was 2.92 m 2 g -1 , but after the KOH treatment it was 230, which was an increase of about 80 times. The XRD of the sample (CFC) before KOH treatment and the KOH treated product is shown in FIG. 10, and the OER polarization curve is shown in FIG. The EXAFS of the KOH-treated product was the same as that of the 1-hour OER polarized product of FIG. 5 in Example 1.

EXAFSフィッティングの結果を以下の表3に示す。この表の結果からKOH処理品もγ-CoOOH 型構造またそれに類似する配列構造をもつナノクラスターであることが分かる。 The results of EXAFS fitting are shown in Table 3 below. From the results in this table, it can be seen that the KOH-treated product is also a nanocluster having a γ-CoOOH type structure or a similar sequence structure.

Figure 2020096022
Figure 2020096022

本発明は、二次電池、次世代型高容量二次電池として期待されている金属空気二次電池や、水電解、光水分解による水素製造の分野において有用である。 The present invention is useful in the fields of secondary batteries, metal-air secondary batteries expected as next-generation high-capacity secondary batteries, and hydrogen production by water electrolysis and photo-water decomposition.

Claims (18)

γ-CoOOH型の原子配列構造と同一又は類似する原子配列構造を有し、かつ酸素欠陥を有するCo酸化物ナノクラスターであって、ナノクラスター中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されていてもよい、Co酸化物材料。 A Co oxide nanocluster having the same or similar atomic arrangement structure as the γ-CoOOH type atomic arrangement structure and having an oxygen defect, and a part of Co in the nanocluster is replaced with Fe and / or Ni. Co-oxide material, which may be. 前記Co酸化物ナノクラスターは、粒子径が10nm以下である、請求項1に記載の材料。 The material according to claim 1, wherein the Co oxide nanocluster has a particle size of 10 nm or less. CoO6八面体が陵共有により二次元的に連結して形成する[CoOx]平面単分子層に、電荷補償のためのプロトンが配位した[CoOxHy]平面単分子層がn層積層してできる[CoOxHy]n分子層シート状物質のナノクラスターを含有するCo酸化物材料であって、xは1.5〜2.0の範囲であり、yは0.01〜1の範囲であり、nは平面単分子層の分子層平面に垂直な方向(c軸方向)への積層数であり、1〜25の範囲であり、[CoOxHy]平面単分子層中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されていてもよい、またCoO6八面体の酸素の一部が欠損していても良い前記材料。CoO 6 octahedra are formed by connecting two-dimensionally by Ling sharing [CoO x] plane monolayer protons for charge compensation is coordinated [CoO x H y] plane monolayer n layer can be laminated to a [CoO x H y] Co oxide material containing nano-clusters of n molecular layer sheet material, x is in the range of 1.5 to 2.0, y is in the range of 0.01 to 1, n is the number of stacked direction perpendicular to the molecular layer planes of monomolecular layer (c-axis direction) in the range of 1 to 25, a portion of [CoO x H y] plane Co monomolecular layer The material may be substituted with Fe and / or Ni, and may lack some of the oxygen in the CoO 6 octahedron. 前記[CoOxHy]平面単分子層の一辺が10nm以下である、請求項3に記載の材料。Wherein [CoO x H y] one side of the planar monolayer is 10nm or less, the material according to claim 3. TEM像において観察されるナノクラスターの最大外径は0.3〜10nmの範囲である、請求項1〜4のいずれかに記載の材料。 The material according to any one of claims 1 to 4, wherein the maximum outer diameter of the nanoclusters observed in the TEM image is in the range of 0.3 to 10 nm. ナノクラスター中のCoの一部がFe及び/又はNiで置換されている、請求項1〜5のいずれかに記載の材料。 The material according to any one of claims 1 to 5, wherein a part of Co in the nanocluster is replaced with Fe and / or Ni. CoのFe及び/又はNiへの置換量は、オージェ分光スペクトル解析により得られるCo:Fe及び/又はNi原子比、又はICP分析による元素分析により得られるCo:Fe原子比が100:0.1〜10の範囲である請求項6に記載の材料。 The amount of Co substituted for Fe and / or Ni is such that the Co: Fe and / or Ni atomic ratio obtained by Auger spectroscopic analysis or the Co: Fe atomic ratio obtained by elemental analysis by ICP analysis is 100: 0.1 to 10. The material according to claim 6, which is within the scope of. OER触媒用である請求項1〜7のいずれかに記載の材料。 The material according to any one of claims 1 to 7, which is for an OER catalyst. Ca2CoFeO5及び/又はCa2CoNiO5を含有する原料をアノード分極下に置くか、又はアルカリ水溶液に浸漬することを含む、請求項1〜7のいずれかに記載の材料の製造方法。The method for producing a material according to any one of claims 1 to 7, which comprises placing a raw material containing Ca 2 CoFeO 5 and / or Ca 2 CoNiO 5 under anodic polarization or immersing it in an alkaline aqueous solution. アノード分極は、RHEに対して1.5〜2.0Vの範囲の電圧になる電流密度で行い、アルカリ水溶液への浸漬は、1M以上の濃度のアルカリ水溶液に1日以上行う、請求項9に記載の製造方法。 The production according to claim 9, wherein the anodic polarization is carried out at a current density having a voltage in the range of 1.5 to 2.0 V with respect to RHE, and the immersion in the alkaline aqueous solution is carried out in the alkaline aqueous solution having a concentration of 1 M or more for 1 day or more. Method. Fe塩及び/又はNi塩並びにCo塩を含有する水溶液にアルカリを添加して、Fe及び/又はNi並びにCoを含有する水酸化物を沈澱させ、沈殿物を回収する工程、前記Fe及び/又はNi並びにCoを含有する水酸化物の沈殿物を酸素含有雰囲気中で焼成して、Fe及び/又はNi並びにCoを含有するオキシ水酸化物を得ることを含む請求項1〜7のいずれかに記載の材料の製造方法。 A step of adding an alkali to an aqueous solution containing a Fe salt and / or Ni salt and a Co salt to precipitate a hydroxide containing Fe and / or Ni and Co, and recovering the precipitate. One of claims 1 to 7, which comprises calcining a precipitate of a hydroxide containing Ni and Co in an oxygen-containing atmosphere to obtain an oxyhydroxide containing Fe and / or Ni and Co. The method for producing the material described. 前記Fe塩、Ni塩及びCo塩は、それぞれ硝酸塩であり、前記アルカリは、アルカリ金属水酸化物である請求項11に記載の製造方法。 The production method according to claim 11, wherein the Fe salt, the Ni salt and the Co salt are nitrates, respectively, and the alkali is an alkali metal hydroxide. 請求項1〜7のいずれかに記載の材料又は請求項9〜12のいずれかに記載の方法で製造された材料を含む空気極用触媒。 An air electrode catalyst comprising the material according to any one of claims 1 to 7 or the material produced by the method according to any one of claims 9 to 12. 請求項1〜7のいずれかに記載の材料又は請求項9〜12のいずれかに記載の方法で製造された材料を含む水電解陽極用触媒。 A catalyst for a water electrolytic anode comprising the material according to any one of claims 1 to 7 or the material produced by the method according to any one of claims 9 to 12. 請求項13又は14に記載の触媒を含む金属空気二次電池用空気極。 An air electrode for a metal-air secondary battery comprising the catalyst according to claim 13 or 14. 前記材料は酸素発生用触媒として含有され、酸素還元用触媒をさらに含む請求項15に記載の空気極。 The air electrode according to claim 15, wherein the material is contained as an oxygen evolution catalyst and further includes an oxygen reduction catalyst. 請求項15又は16に記載の空気極と、負極活物質を含有する負極と、前記空気極と前記負極との間に介在する電解質とを有する金属空気二次電池。 A metal-air secondary battery having an air electrode according to claim 15 or 16, a negative electrode containing a negative electrode active material, and an electrolyte interposed between the air electrode and the negative electrode. 酸素還元用触媒を含む酸素還元用空気極をさらに含む請求項17に記載の金属空気二次電池。 The metal-air secondary battery according to claim 17, further comprising an oxygen-reducing air electrode including an oxygen-reducing catalyst.
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