WO2014046281A1 - 亜クロム酸ナトリウムの製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for producing sodium chromite useful as a positive electrode active material for a solid lubricant and a molten salt battery.
- sodium chromite examples include use as a solid lubricant that can be used in high-temperature liquid sodium or high vacuum (for example, see Patent Document 1), or a molten salt in an electrolyte.
- Use as a positive electrode active material of a storage battery type molten salt battery using a battery for example, see Patent Document 2).
- the molten salt battery (also referred to as a sodium secondary battery) using sodium chromite as a positive electrode active material uses sodium ions as conductive ions, and the sodium ions move from the positive electrode side to the negative electrode side during charging, and the sodium ions are transferred to the negative electrode. It is absorbed.
- the molten salt battery using sodium chromite as the positive electrode active material has a feature that it can be operated at a lower temperature, whereas the sodium-sulfur battery needs to be operated at a high temperature of 280 to 360 ° C. is doing.
- Patent Document 1 a method of baking a uniform mixture obtained by mixing chromium oxide and sodium carbonate in vacuum or in an inert gas (see Patent Document 1), or hydroxylation A method of synthesizing chromium by reacting with sodium hydroxide (see Patent Document 2) has been proposed.
- the synthesized sodium chromite contains hexavalent chromium.
- hexavalent chromium can be reduced by reducing the sodium charging ratio, but in that case, excess chromium oxide remains as an unreacted substance, and a heterogeneous phase of chromium oxide is observed by X-ray diffraction. The phase sodium chromite is difficult to obtain.
- a method of reducing and baking sodium dichromate is also conceivable.
- sodium dichromate when sodium dichromate is reduced and fired, it does not become sodium chromite but is decomposed into sodium chromate and chromium oxide. Of hexavalent chromium is also detected.
- an object of the present invention is to provide a method for obtaining X-ray diffractive single phase sodium chromite containing substantially no hexavalent chromium in an industrially advantageous manner using sodium dichromate. There is to do.
- the present inventor baked a mixture containing sodium dichromate and a carbon precursor for isolating carbon by calcination in a vacuum or in an inert gas atmosphere.
- the method for producing sodium chromite to be provided by the present invention is a mixture comprising sodium dichromate and a carbon precursor for isolating carbon by pyrolysis by calcination in a vacuum or an inert gas atmosphere. Is fired.
- X-ray diffraction single phase sodium chromite substantially free of hexavalent chromium can be provided in an industrially advantageous manner.
- FIG. 3 is an X-ray diffraction pattern of the fired products obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4.
- 4 is an SEM photograph of sodium chromite obtained in Example 2.
- FIG. 4 is an X-ray diffraction pattern of sodium chromite obtained in Example 4.
- the method for producing sodium chromite according to the present invention comprises sodium dichromate and a carbon precursor (hereinafter simply referred to as “carbon precursor”) that is isolated by thermal decomposition by firing in a vacuum or an inert gas atmosphere. And a mixture containing the same may be said to be fired in a vacuum or an inert atmosphere.
- the method for producing sodium chromite of the present invention comprises the following first step: And a second step. 1st process; The process of mixing sodium dichromate and a carbon precursor. 2nd process; The process of baking the obtained mixture in a vacuum or inert gas atmosphere.
- the first step according to the present invention is a step of obtaining a raw material mixture by mixing sodium dichromate and a carbon precursor for isolating carbon by thermal decomposition by firing in a vacuum or an inert gas atmosphere.
- carbon precursor carbon is isolated by calcination in the second step described later, and this isolated carbon takes oxygen from sodium dichromate and promotes decomposition.
- the sodium dichromate according to the first step is not particularly limited as long as it is industrially available, but a fine one is preferable from the viewpoint of reactivity, and a scanning electron micrograph ( An average particle size determined by SEM) of 10 ⁇ m or less, preferably 0.1 to 1.0 ⁇ m is particularly preferably used.
- the average particle diameter of sodium dichromate obtained from a scanning electron micrograph (SEM) is the particle diameter of 200 particles arbitrarily extracted from the scanning electron micrograph (SEM). Average value.
- the sodium dichromate may be either a hydrate or an anhydride.
- carbon precursor related to the first step a carbon precursor that is thermally decomposed by firing in the second step, which will be described later, is used.
- carbon precursors that can be used include coal tar pitch from soft pitch to hard pitch; coal heavy oil such as dry distillation liquefied oil, normal pressure residual oil, DC heavy oil of reduced pressure residual oil, crude oil, Petroleum heavy oil of cracked heavy oil such as ethylene tar by-produced during thermal decomposition of naphtha, etc .; Aromatic hydrocarbons such as acenaphthylene, decacyclene, anthracene, phenanthrene; Polyphenylene such as phenazine, biphenyl, terphenyl; Vinyl chloride; water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, and polyethylene glycol, and insolubilized products thereof; nitrogen-containing polyacrylonitrile; organic polymers such as polypyrrole; organic polymers such as sulfur-containing polythiophene and polysty
- Saccharides are preferably used as carbon precursors from the viewpoints of reducing ability with respect to sodium chromate and versatility and safety, and sucrose and cellulose are particularly preferably used as carbon precursors in this production method.
- the addition amount of the carbon precursor is 1.5 or more in terms of the molar ratio of C atoms in the carbon precursor to sodium dichromate (anhydrous equivalent).
- the reason for this is that when the amount of carbon precursor added is less than the above range, decomposition of sodium dichromate is not completed, and there are compounds other than sodium chromite, and X-ray diffraction shows single-phase chromite. This is because it is difficult to obtain sodium acid and the content of hexavalent chromium tends to increase.
- the amount of carbon precursor added exceeds 3.0 in terms of the molar ratio of C atoms in the carbon precursor to sodium dichromate, a large amount of isolated carbon remains, so that the pure content of sodium chromite is reduced.
- the amount of carbon precursor added is 1.5 to 3.0 in terms of the molar ratio of C atoms in the carbon precursor to sodium dichromate. It is preferable to do.
- the sodium chromite particles themselves do not have conductivity when sodium chromite is used as the positive electrode active material of the molten salt battery, the viewpoint of suppressing the decrease in the discharge capacity of the molten salt battery Therefore, the surface of sodium chromite particles can be coated with a conductive carbon material if necessary.
- this coating is made of natural graphite such as scaly graphite, scaly graphite and earthy graphite, graphite such as artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen, etc.
- Carbon blacks such as black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, etc .
- adding conductive carbon materials such as carbon fiber, and mixing by bead mill, ball mill, paint shaker, attritor, sand mill, etc.
- the addition amount of the carbon precursor is set to be larger than 3.0 and not larger than 6.0 in terms of the molar ratio of C atoms in the carbon precursor to sodium dichromate (anhydrous equivalent).
- the production history of sodium dichromate and carbon precursor in the first step is not limited, but it is preferable that the impurity content is as low as possible in order to produce high purity sodium chromite.
- the mixing means of the sodium dichromate and the carbon precursor according to the first step is not particularly limited, and is performed by a wet method or a dry method so as to obtain a mixture in which the respective raw materials are uniformly dispersed.
- the wet method can be carried out by an apparatus such as a ball mill, a disper mill, a homogenizer, a vibration mill, a sand grind mill, an attritor, and a powerful stirrer.
- apparatuses such as a high speed mixer, a super mixer, a turbo sphere mixer, a Henschel mixer, a Nauter mixer, a ribbon blender, and a V-type mixer can be used.
- These uniform mixing operations are not limited to the illustrated mechanical means. If desired, the particle size may be adjusted by grinding with a jet mill or the like. Also, at the laboratory level, home mixing or manual mixing is sufficient.
- the mixture of sodium dichromate and carbon precursor according to the first step may be directly subjected to the second step described later, but the mixture is further heat-treated in an aqueous solvent in advance.
- the second step can be performed in a milder environment while suppressing a rapid reaction.
- the aqueous solvent in Step 1A may be water alone or a mixed solvent of water and a hydrophilic solvent.
- the amount of the water solvent is 10 to 1000 parts by mass, preferably 50 to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the mixture of sodium dichromate and carbon precursor. The reason for this is that when the blending amount of the water solvent is less than 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the mixture of sodium dichromate and carbon precursor, the sodium dichromate and carbon precursor tend not to dissolve completely, On the other hand, when the amount of the aqueous solvent exceeds 1000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the sodium dichromate / carbon precursor mixture, the reaction tends to take time.
- the heat treatment conditions in the first step A are such that the heat treatment temperature is 70 to 150 ° C., preferably 90 to 120 ° C.
- the reason for this is that when the heat treatment temperature is less than 70 ° C., the reaction time until a black solidified product described later is obtained becomes extremely long.
- a special apparatus such as a sealed container is used. This is because it is not industrially advantageous.
- the heat treatment according to Step 1A is an orange solution at the time of charging the raw material, but changes to a paste-like black product and further to a black solidified product as the reaction by the heat treatment proceeds.
- heat treatment is preferably performed until this black sponge-like solidified product (hereinafter referred to as “heat-treated product”) is obtained.
- the time of heat treatment is not critical. In general, a satisfactory heat-treated product can be obtained by heat treatment for 0.5 hour or longer, preferably 1 to 5 hours.
- the heat processing which concerns on 1st A process can shorten reaction time by performing reaction, removing an aqueous solvent actively. After the heat treatment, it is cooled, and the heat-treated product obtained can be pulverized if necessary.
- the homogeneous mixture of the raw materials obtained in the first step or the heat-treated product obtained in the first step A is baked in a vacuum or an inert gas atmosphere, and substantially hexavalent. This is a step of obtaining single-phase sodium chromate in X-ray diffraction which does not contain chromium.
- the firing temperature in the second step is 700 to 1200 ° C., preferably 800 to 1000 ° C. This is because when the firing temperature is lower than 700 ° C., not only the firing time until a single-phase sodium chromite is obtained in X-ray diffraction is increased, but also the single-phase chromite in X-ray diffraction. Sodium tends to be difficult to obtain. On the other hand, sodium chromite is obtained even when the calcination temperature is higher than 1200 ° C., but this is not preferable because it is industrially disadvantageous from the viewpoint of cost.
- the firing atmosphere is performed in a vacuum or an inert gas atmosphere for the purpose of preventing oxidation of chromium and isolating carbon from the carbon precursor efficiently.
- the inert gas examples include argon gas, helium gas, nitrogen gas, and the like.
- various physical properties such as purity of these inert gases are not particularly limited.
- Calcination time is not critical in this production method.
- single-phase sodium chromite can be obtained by X-ray diffraction when calcined for 1 hour or longer, particularly 3 to 10 hours.
- the sodium chromite thus obtained may be subjected to multiple firings as necessary. After firing, the obtained sodium chromite may be crushed or crushed as necessary, and further classified.
- the sodium chromite thus obtained is represented by the chemical formula NaCrO 2 , is X-ray diffraction single phase sodium chromite, and has a hexavalent chromium content of 30 ppm or less, preferably 10 ppm or less. It is preferable that hexavalent chromium is not contained.
- the sodium chromite obtained by the present production method has other preferable physical properties such that the average particle size determined by the laser scattering / diffraction method is 0.01 to 100 ⁇ m, preferably 1 to It is preferable that the BET specific surface area is 40 ⁇ m and the BET specific surface area is 0.1 to 50 m 2 / g, preferably 1 to 10 m 2 / g.
- the sodium chromite obtained by this production method is used as, for example, a solid lubricant that can be used in high-temperature liquid sodium or high vacuum, or a positive electrode active material of a storage battery type molten salt battery using a molten salt as an electrolyte. It can be suitably used.
- the average particle size of sodium dichromate (Na 2 Cr 2 O 7 ) dihydrate is the average value of the particle sizes of 200 particles arbitrarily extracted from the SEM photograph.
- the average particle diameter of chromium oxide is a value obtained from an SEM photograph in the same manner as sodium dichromate, and the average particle diameter of sodium carbonate is a value obtained by a laser scattering / diffraction method.
- Example 1 100 g of sodium dichromate (Na 2 Cr 2 O 7 ) dihydrate (average particle size 0.2 ⁇ m) and 15.8 g of sucrose (sucrose) were sufficiently mixed in a dry process to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was put in an alumina sagger and baked at 900 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere.
- Example 2 100 g of sodium dichromate (Na 2 Cr 2 O 7 ) dihydrate (average particle size 0.2 ⁇ m) and 18.7 g of sucrose (sucrose) were sufficiently mixed in a dry process to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was put in an alumina sagger and baked at 900 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere.
- Example 3 100 g of sodium dichromate (Na 2 Cr 2 O 7 ) dihydrate (average particle size 0.2 ⁇ m) and 21.5 g of sucrose (sucrose) were sufficiently mixed by a dry method to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was put in an alumina sagger and baked at 900 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere.
- ⁇ Comparative Example 2 100 g of chromium oxide (Cr 2 O 3 ) (average particle size 0.4 ⁇ m) and 68 g of sodium carbonate (average particle size 50 ⁇ m) were sufficiently mixed in a coffee mill to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was put in an alumina sagger and baked at 900 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere.
- Cr 2 O 3 chromium oxide
- sodium carbonate average particle size 50 ⁇ m
- ⁇ Comparative Example 3 100 g of chromium oxide (Cr 2 O 3 ) (average particle size 0.4 ⁇ m) and 70 g of sodium carbonate (average particle size 50 ⁇ m) were sufficiently mixed in a coffee mill to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was put in an alumina sagger and baked at 900 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere.
- Cr 2 O 3 chromium oxide
- sodium carbonate average particle size 50 ⁇ m
- ⁇ Comparative Example 4 100 g of chromium oxide (Cr 2 O 3 ) (average particle size 0.4 ⁇ m) and 72 g of sodium carbonate (average particle size 50 ⁇ m) were sufficiently mixed in a coffee mill to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was put in an alumina sagger and baked at 900 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere.
- Cr 2 O 3 chromium oxide
- sodium carbonate average particle size 50 ⁇ m
- Example 4 100 g of sodium dichromate (Na 2 Cr 2 O 7 ) dihydrate (average particle size 0.2 ⁇ m), 21.5 g of sucrose (sucrose) and 60 g of water were placed in a glass beaker and stirred at room temperature. An orange solution was obtained. Next, the temperature was raised to 110 ° C., and the heat treatment was continued for 1 hour until a black solidified product (heat-treated product) was obtained. After completion of the heat treatment, the mixture was cooled to room temperature, and then the resulting black solidified product was crushed with a mortar to obtain a heat-treated product sample. Next, the obtained heat-treated product sample was put in an alumina sagger, calcined at 900 ° C.
- X-ray diffraction single phase sodium chromite substantially free of hexavalent chromium can be provided in an industrially advantageous manner.
- the sodium chromite is useful, for example, as a solid lubricant that can be used in high-temperature liquid sodium or high vacuum, or a positive electrode active material of a storage battery type molten salt battery using a molten salt as an electrolyte. .
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Abstract
本発明は、重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)を使用して、工業的に有利な方法で、実質的に6 価クロムを含有しない、X 線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウム(NaCrO2)を得る方法を提供する。 本発明は、重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)と、真空又は不活性ガス雰囲気中での焼成による加熱分解で炭素を単離する炭素前駆体とを含む混合物を、真空又は不活性ガス雰囲気中で焼成することを特徴とする、亜クロム酸ナトリウム(NaCrO2)の製造方法であり、前記焼成温度は700~1200℃であることが好ましい。
Description
本発明は、固体潤滑剤及び溶融塩電池の正極活物質等として有用な亜クロム酸ナトリウムの製造方法に関するものである。
亜クロム酸ナトリウム(NaCrO2)の用途としては、例えば、高温の液体ナトリウム中や高真空中で使用可能な固体潤滑剤として使用すること(例えば、特許文献1参照)や、或いは電解質に溶融塩を用いた蓄電池タイプの溶融塩電池の正極活物質として用いること(例えば、特許文献2参照)等が提案されている。
亜クロム酸ナトリウムを正極活物質とする前記溶融塩電池(ナトリウム二次電池とも言う)は、ナトリウムイオンを伝導イオンとし、充電時にナトリウムイオンが正極側から負極側へ移動し、ナトリウムイオンは負極に吸収されるというものである。
この亜クロム酸ナトリウムを正極活物質とする溶融塩電池は、ナトリウム-硫黄電池が280~360℃の高温で作動させる必要があるのに対して、より低温で作動可能であると言う特徴を有している。
従来の亜クロム酸ナトリウムの製造方法としては、例えば、酸化クロムと炭酸ナトリウムを混合して得られた均一混合物を真空中又は不活性ガス中で焼成する方法(特許文献1参照)、或いは水酸化クロムと水酸化ナトリウムを反応させて合成する方法(特許文献2参照)等が提案されている。
従来の酸化クロムと炭酸ナトリウムを混合して得られた均一混合物を真空中又は不活性ガス中で焼成して亜クロム酸ナトリウムを得る方法は、合成した亜クロム酸ナトリウムが6価クロムを含有しやすく、一方、ナトリウムの仕込み比率を小さくすれば6価クロムを減らすことが出来るが、その場合は過剰の酸化クロムが未反応物として残り、X線回折的に酸化クロムの異相が見られ、単相の亜クロム酸ナトリウムが得られ難い。
また、重クロム酸ナトリウムを還元焼成する方法も考えられるが、単に重クロム酸ナトリウムを還元焼成した場合は、亜クロム酸ナトリウムとはならず、クロム酸ナトリウムと酸化クロムに分解され、また、多量の6価クロムも検出される。
したがって、本発明の目的は、重クロム酸ナトリウムを使用して、工業的に有利な方法で実質的に6価クロムを含有しないX線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムを得る方法を提供することにある。
本発明者は、上記課題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、重クロム酸ナトリウムと、焼成により炭素を単離する炭素前駆体とを含む混合物を、真空中又は不活性ガス雰囲気中で焼成することにより、実質的に6価クロムを含有しない、X線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムが生成されることを見出し、本発明を完成するに到った。
即ち、本発明が提供しようとする亜クロム酸ナトリウムの製造方法は、重クロム酸ナトリウムと、真空又は不活性ガス雰囲気中での焼成による加熱分解で炭素を単離する炭素前駆体とを含む混合物を、焼成することを特徴とするものである。
本発明によれば、6価クロムを実質的に含有しないX線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムを工業的に有利な方法で提供することができる。
以下、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明する。
本発明の亜クロム酸ナトリウムの製造方法は、重クロム酸ナトリウムと、真空又は不活性ガス雰囲気中での焼成による加熱分解で炭素を単離する炭素前駆体(以下、単に「炭素前駆体」と言うこともある)とを含む混合物を、真空又は不活性雰囲気で焼成することを特徴とするものであり、基本的には、本発明の亜クロム酸ナトリウムの製造方法は、下記の第1工程及び第2工程を含むものである。
第1工程;重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体を混合する工程。
第2工程;得られた混合物を真空又は不活性ガス雰囲気中で焼成する工程。
本発明の亜クロム酸ナトリウムの製造方法は、重クロム酸ナトリウムと、真空又は不活性ガス雰囲気中での焼成による加熱分解で炭素を単離する炭素前駆体(以下、単に「炭素前駆体」と言うこともある)とを含む混合物を、真空又は不活性雰囲気で焼成することを特徴とするものであり、基本的には、本発明の亜クロム酸ナトリウムの製造方法は、下記の第1工程及び第2工程を含むものである。
第1工程;重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体を混合する工程。
第2工程;得られた混合物を真空又は不活性ガス雰囲気中で焼成する工程。
(第1工程)
本発明に係る第1工程は、重クロム酸ナトリウムと、真空又は不活性ガス雰囲気中での焼成による加熱分解で炭素を単離する炭素前駆体を混合して原料混合物を得る工程である。
該炭素前駆体は、後述する第2工程の焼成で炭素を単離し、この単離した炭素は重クロム酸ナトリウムから酸素を奪い分解を促進するものである。
本発明に係る第1工程は、重クロム酸ナトリウムと、真空又は不活性ガス雰囲気中での焼成による加熱分解で炭素を単離する炭素前駆体を混合して原料混合物を得る工程である。
該炭素前駆体は、後述する第2工程の焼成で炭素を単離し、この単離した炭素は重クロム酸ナトリウムから酸素を奪い分解を促進するものである。
第1工程に係る重クロム酸ナトリウムは、工業的に入手可能なものであれば、特にその物性等については制限はないが、反応性の観点から微細なものが好ましく、走査型電子顕微鏡写真(SEM)により求められる平均粒子径が10μm以下、好ましくは0.1~1.0μmのものが特に好ましく用いられる。
なお、本発明において、走査型電子顕微鏡写真(SEM)から求められる重クロム酸ナトリウムの平均粒子径は、走査型電子顕微鏡写真(SEM)中から、任意に抽出した200個の粒子の粒子径の平均値である。
また、重クロム酸ナトリウムは、含水物でもあっても無水物であっても何れでもよい。
なお、本発明において、走査型電子顕微鏡写真(SEM)から求められる重クロム酸ナトリウムの平均粒子径は、走査型電子顕微鏡写真(SEM)中から、任意に抽出した200個の粒子の粒子径の平均値である。
また、重クロム酸ナトリウムは、含水物でもあっても無水物であっても何れでもよい。
第1工程に係る炭素前駆体は、少なくとも後述する第2工程の焼成で加熱分解し炭素が単離するものが用いられる。用いることができる炭素前駆体としては、例えば、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピッチ;乾留液化油等の石炭系重質油、常圧残油、減圧残油の直流重質油、原油、ナフサ等の熱分解時に副生するエチレンタール等の分解系重質油の石油系重質油;アセナフチレン、デカシクレン、アントラセン、フェナントレン等の芳香族炭化水素;フェナジン、ビフェニル、テルフェニル等のポリフェニレン;ポリ塩化ビニル;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリエチレングリコール等の水溶性ポリマー、及びこれらの不溶化処理品;含窒素性のポリアクリロニトリル;ポリピロール等の有機高分子;含硫黄性のポリチオフェン、ポリスチレン等の有機高分子;グルコース、フルクトース、ラクトース、マルトース、スクロース、でんぷん、セルロース等の糖類;ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキシド等の熱可塑性樹脂、フェノール-ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、これらのうち、糖類の加熱分解から析出する炭素は重クロム酸ナトリウムに対する還元能に優れ、また、汎用性、安全性の観点から糖類が炭素前駆体として好ましく用いられ、特に本製造方法においてスクロース、セルロースが炭素前駆体として好ましく用いられる。
炭素前駆体の添加量は、重クロム酸ナトリウム(無水物換算)に対する炭素前駆体中のC原子のモル比で1.5以上である。この理由は、炭素前駆体の添加量が上記範囲未満だと、重クロム酸ナトリウムの分解が完結せずに、亜クロム酸ナトリウム以外の化合物も存在し、X線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムを得ることが難しく、更に6価クロムの含有量も多くなる傾向があるからである。
また、炭素前駆体の添加量が重クロム酸ナトリウムに対する炭素前駆体中のC原子のモル比で3.0を超えると単離したカーボンが多量に残留するため、亜クロム酸ナトリウムの純分が低下することから、高純度な重クロム酸ナトリウムが必要な場合には、炭素前駆体の添加量は重クロム酸ナトリウムに対する炭素前駆体中のC原子のモル比で1.5~3.0とすることが好ましい。
一方、亜クロム酸ナトリウムの粒子自体には、導電性がないことから、亜クロム酸ナトリウムを溶融塩電池の正極活物質として用いる場合には、溶融塩電池の放電容量の低下を抑制するという観点から、必要により亜クロム酸ナトリウムの粒子表面を導電性炭素材料で被覆することが出来る。この被覆は、例えば、後工程で得られる亜クロム酸ナトリウムに対して、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛及び土状黒鉛等の天然黒鉛や、人工黒鉛のような黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類;炭素繊維等の導電性炭素材料を添加し、ビーズミル、ボールミル、ペイントシェーカー、アトライタ、サンドミル等で混合処理することにより行うこともできるが、本製造方法では、前記炭素前駆体の添加量を、重クロム酸ナトリウム(無水物換算)に対する炭素前駆体中のC原子のモル比で3.0より大きく6.0以下とすることにより、工業的に特に有利に亜クロムナトリウムの粒子表面を導電性炭素で被覆した重クロム酸ナトリウムを得ることが出来る。
また、炭素前駆体の添加量が重クロム酸ナトリウムに対する炭素前駆体中のC原子のモル比で3.0を超えると単離したカーボンが多量に残留するため、亜クロム酸ナトリウムの純分が低下することから、高純度な重クロム酸ナトリウムが必要な場合には、炭素前駆体の添加量は重クロム酸ナトリウムに対する炭素前駆体中のC原子のモル比で1.5~3.0とすることが好ましい。
一方、亜クロム酸ナトリウムの粒子自体には、導電性がないことから、亜クロム酸ナトリウムを溶融塩電池の正極活物質として用いる場合には、溶融塩電池の放電容量の低下を抑制するという観点から、必要により亜クロム酸ナトリウムの粒子表面を導電性炭素材料で被覆することが出来る。この被覆は、例えば、後工程で得られる亜クロム酸ナトリウムに対して、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛及び土状黒鉛等の天然黒鉛や、人工黒鉛のような黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類;炭素繊維等の導電性炭素材料を添加し、ビーズミル、ボールミル、ペイントシェーカー、アトライタ、サンドミル等で混合処理することにより行うこともできるが、本製造方法では、前記炭素前駆体の添加量を、重クロム酸ナトリウム(無水物換算)に対する炭素前駆体中のC原子のモル比で3.0より大きく6.0以下とすることにより、工業的に特に有利に亜クロムナトリウムの粒子表面を導電性炭素で被覆した重クロム酸ナトリウムを得ることが出来る。
第1工程に係る重クロム酸ナトリウム及び炭素前駆体の製造履歴は問わないが、高純度の亜クロム酸ナトリウムを製造するために、可及的に不純物含有量が少ないものであることが好ましい。
第1工程に係る重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体の混合手段は、特に制限されるものではなく、上記各原料が均一に分散した混合物となるように、湿式法或いは乾式法にて行われる。
湿式法は、ボールミル、ディスパーミル、ホモジナイザー、振動ミル、サンドグラインドミル、アトライター及び強力撹拌機等の装置にて行うことができる。
一方、乾式法では、ハイスピードミキサー、スーパーミキサー、ターボスフェアミキサー、ヘンシェルミキサー、ナウターミキサー及びリボンブレンダー、V型混合機等の装置を用いることができる。なお、これら均一混合操作は、例示した機械的手段に限定されるものではない。また、所望によりジェットミル等で粉砕処理して粒度調整を行っても差し支えない。また、実験室レベルでは、家庭用ミキサー或いは手作業での混合でも十分である。
湿式法は、ボールミル、ディスパーミル、ホモジナイザー、振動ミル、サンドグラインドミル、アトライター及び強力撹拌機等の装置にて行うことができる。
一方、乾式法では、ハイスピードミキサー、スーパーミキサー、ターボスフェアミキサー、ヘンシェルミキサー、ナウターミキサー及びリボンブレンダー、V型混合機等の装置を用いることができる。なお、これら均一混合操作は、例示した機械的手段に限定されるものではない。また、所望によりジェットミル等で粉砕処理して粒度調整を行っても差し支えない。また、実験室レベルでは、家庭用ミキサー或いは手作業での混合でも十分である。
本製造方法において第1工程に係る重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体との混合物は、そのまま後述する第2工程に付してもよいが、予め、該混合物を、更に水溶媒中で加熱処理する第1A工程を設け、次いで得られた加熱処理物を後述する第2工程に付してもよい。この第1A工程を行うことにより、第2工程の焼成を、急激な反応を抑制しながら、いっそう温和な環境下に焼成反応を行うことができる。
第1A工程に係る水溶媒は、水単独、或いは水と親水性溶媒との混合溶媒であってもよい。
水溶媒の配合量は、重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体との混合物100質量に対して、10~1000質量部、好ましくは50~200質量部である。この理由は、水溶媒の配合量が重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体との混合物100質量に対して10質量部未満では、重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体とが完全に溶解しない傾向があり、一方、水溶媒の配合量が重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体との混合物100質量に対して1000質量部を超えると反応に時間がかかる傾向があるからである。
水溶媒の配合量は、重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体との混合物100質量に対して、10~1000質量部、好ましくは50~200質量部である。この理由は、水溶媒の配合量が重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体との混合物100質量に対して10質量部未満では、重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体とが完全に溶解しない傾向があり、一方、水溶媒の配合量が重クロム酸ナトリウムと炭素前駆体との混合物100質量に対して1000質量部を超えると反応に時間がかかる傾向があるからである。
第1A工程に係る加熱処理の条件は、加熱処理温度が70~150℃、好ましくは90~120℃である。この理由は、加熱処理温度が70℃未満では、後述する黒色の固化物が得られるまでの反応時間が極端に長くなり、一方、加熱処理温度が150℃を超えると密閉容器等の特殊な装置を使用する必要があり工業的に有利でないからである。
第1A工程に係る加熱処理は、原料仕込み当時は、オレンジ色の溶液であるが、加熱処理による反応が進むに従って、ペースト状の黒色物、更には黒色の固化物へと変化する。
本発明の第1A工程では、好ましくはこの黒色のスポンジ状の固化物(以下、「加熱処理物」という。)が得られるまで、加熱処理を行う。
加熱処理の時間は、臨界的ではない。一般的には0.5時間以上、好ましくは1~5時間加熱処理すれば、満足の行く加熱処理物を得ることができる。
また、第1A工程に係る加熱処理は、積極的に水溶媒を除去しながら反応を行うことにより反応時間を短縮することができる。
加熱処理後、冷却し、必要により得られる加熱処理物を粉砕処理することができる。
本発明の第1A工程では、好ましくはこの黒色のスポンジ状の固化物(以下、「加熱処理物」という。)が得られるまで、加熱処理を行う。
加熱処理の時間は、臨界的ではない。一般的には0.5時間以上、好ましくは1~5時間加熱処理すれば、満足の行く加熱処理物を得ることができる。
また、第1A工程に係る加熱処理は、積極的に水溶媒を除去しながら反応を行うことにより反応時間を短縮することができる。
加熱処理後、冷却し、必要により得られる加熱処理物を粉砕処理することができる。
(第2工程)
本発明に係る第2工程は、前記第1工程で得られた原料の均一混合物或いは第1A工程で得られた加熱処理物を真空又は不活性ガス雰囲気中で焼成して、実質的に6価クロムを含有しない、X線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムを得る工程である。
本発明に係る第2工程は、前記第1工程で得られた原料の均一混合物或いは第1A工程で得られた加熱処理物を真空又は不活性ガス雰囲気中で焼成して、実質的に6価クロムを含有しない、X線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムを得る工程である。
第2工程に係る焼成温度は700~1200℃、好ましくは800~1000℃である。この理由は、焼成温度が700℃より小さくなると、X線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムが得られるまでの焼成時間が長くなるだけでなく、X線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムを得ることが難しくなる傾向があり、一方、焼成温度が1200℃より大きくなっても亜クロム酸ナトリウムが得られるがコスト的な観点で工業的に不利となるため好ましくない。
焼成雰囲気は、クロムの酸化を防ぎ、かつ炭素前駆体から炭素を効率よく単離させるという理由から真空又は不活性ガス雰囲気中で行う。
使用できる不活性ガスは、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等が挙げられる。なお、これら不活性ガスの純度等の諸物性は特に制限はない。
使用できる不活性ガスは、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等が挙げられる。なお、これら不活性ガスの純度等の諸物性は特に制限はない。
焼成時間は本製造方法において臨界的ではない。一般に1時間以上、特に3~10時間焼成すれば、X線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムを得ることができる。
このようにして得られる亜クロム酸ナトリウムは、必要に応じて複数回の焼成に付してもよい。
焼成後は得られた亜クロム酸ナトリウムに対して、必要に応じて解砕処理、又は粉砕処理し、更に分級を行ってもよい。
焼成後は得られた亜クロム酸ナトリウムに対して、必要に応じて解砕処理、又は粉砕処理し、更に分級を行ってもよい。
かくして得られる亜クロム酸ナトリウムは、化学式としてNaCrO2で表わされ、X線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムであり、6価クロムの含有量が30ppm以下、好ましくは10ppm以下で実質的に6価クロムを含有しないものであることが好ましい。
本製造方法で得られる亜クロム酸ナトリウムは、上記物性であることに加えて、その他の好ましい諸物性は、レーザー散乱・回折法で求められる平均粒子径が0.01~100μm、好ましくは1~40μmで、BET比表面積が0.1~50m2/g、好ましくは1~10m2/gであることが好ましい。
本製造方法で得られる亜クロム酸ナトリウムは、上記物性であることに加えて、その他の好ましい諸物性は、レーザー散乱・回折法で求められる平均粒子径が0.01~100μm、好ましくは1~40μmで、BET比表面積が0.1~50m2/g、好ましくは1~10m2/gであることが好ましい。
本製造方法で得られる亜クロム酸ナトリウムは、例えば、高温の液体ナトリウム中や高真空中で使用可能な固体潤滑剤、或いは電解質に溶融塩を用いた蓄電池タイプの溶融塩電池の正極活物質として好適に用いることが出来る。
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
なお、以下の実施例において、重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物の平均粒子径は、SEM写真から任意に抽出した200個の粒子の粒子径の平均値である。
また、酸化クロムの平均粒子径は、重クロム酸ナトリウムと同様にSEM写真から求めた値であり、炭酸ナトリウムの平均粒子径は、レーザー散乱・回折法により求めた値である。
なお、以下の実施例において、重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物の平均粒子径は、SEM写真から任意に抽出した200個の粒子の粒子径の平均値である。
また、酸化クロムの平均粒子径は、重クロム酸ナトリウムと同様にSEM写真から求めた値であり、炭酸ナトリウムの平均粒子径は、レーザー散乱・回折法により求めた値である。
{実施例1}
重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物(平均粒子径0.2μm)100gとスクロース(ショ糖)15.8gを乾式で十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物(平均粒子径0.2μm)100gとスクロース(ショ糖)15.8gを乾式で十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
{実施例2}
重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物(平均粒子径0.2μm)100gとスクロース(ショ糖)18.7gを乾式で十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物(平均粒子径0.2μm)100gとスクロース(ショ糖)18.7gを乾式で十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
{実施例3}
重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物(平均粒子径0.2μm)100gとスクロース(ショ糖)21.5gを乾式で十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物(平均粒子径0.2μm)100gとスクロース(ショ糖)21.5gを乾式で十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
{比較例1}
重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物(平均粒子径0.2μm)100gをアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物(平均粒子径0.2μm)100gをアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
{比較例2}
酸化クロム(Cr2O3)(平均粒子径0.4μm)100gと炭酸ナトリウム(平均粒子径50μm)68gをコーヒーミルで十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
酸化クロム(Cr2O3)(平均粒子径0.4μm)100gと炭酸ナトリウム(平均粒子径50μm)68gをコーヒーミルで十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
{比較例3}
酸化クロム(Cr2O3)(平均粒子径0.4μm)100gと炭酸ナトリウム(平均粒子径50μm)70gをコーヒーミルで十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
酸化クロム(Cr2O3)(平均粒子径0.4μm)100gと炭酸ナトリウム(平均粒子径50μm)70gをコーヒーミルで十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
{比較例4}
酸化クロム(Cr2O3)(平均粒子径0.4μm)100gと炭酸ナトリウム(平均粒子径50μm)72gをコーヒーミルで十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
酸化クロム(Cr2O3)(平均粒子径0.4μm)100gと炭酸ナトリウム(平均粒子径50μm)72gをコーヒーミルで十分混合して混合粉を得た。得られた混合粉をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成した。
<焼成物の物性評価>
実施例1~3、及び比較例1~4で得られた焼成物について、X線回折分析を行った。
得られた結果を図1に示す。測定にはリガク製X線回折装置(UltimaIV)を使用した。また、実施例2で得られた亜クロム酸ナトリウムの走査型電子顕微鏡写真を図2に示す。
また、実施例1~3、及び比較例1~4で得られた焼成物の平均粒子径、BET比表面積、炭素含有量及び6価クロム含有量を評価し、その結果を表2に示す。
(平均粒子径の評価方法)
分析はレーザー散乱・回折法で行った。装置は日機装のマイクロトラックを使用した。
(炭素含有量(TC)の評価方法)
TOC全有機炭素計(島津製作所製TOC-5000A)にて測定した。
(6価クロム含有量の評価方法)
分析は比色法で行った。定量には島津製作所製紫外可視分光光度計(UV-1800)を使用した。
実施例1~3、及び比較例1~4で得られた焼成物について、X線回折分析を行った。
得られた結果を図1に示す。測定にはリガク製X線回折装置(UltimaIV)を使用した。また、実施例2で得られた亜クロム酸ナトリウムの走査型電子顕微鏡写真を図2に示す。
また、実施例1~3、及び比較例1~4で得られた焼成物の平均粒子径、BET比表面積、炭素含有量及び6価クロム含有量を評価し、その結果を表2に示す。
(平均粒子径の評価方法)
分析はレーザー散乱・回折法で行った。装置は日機装のマイクロトラックを使用した。
(炭素含有量(TC)の評価方法)
TOC全有機炭素計(島津製作所製TOC-5000A)にて測定した。
(6価クロム含有量の評価方法)
分析は比色法で行った。定量には島津製作所製紫外可視分光光度計(UV-1800)を使用した。
{実施例4}
重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物(平均粒子径0.2μm)100gとスクロース(ショ糖)21.5g及び水60gとをガラスビーカーに仕込み、室温下に攪拌して、オレンジ色の溶液を得た。次いで、110℃まで、昇温し、そのまま黒色の固化物(加熱処理物)が得られるまで1時間加熱処理を継続した。
加熱処理終了後、室温まで冷却し、次いで得られた黒色の固化物を乳鉢で解砕し、これを加熱処理物試料とした。
次いで、得られた加熱処理物試料をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成し、冷却後、コーヒーミルで解砕し、X線回析的に単相の亜クロム酸ナトリウムを得た。
得られた亜クロム酸ナトリウムの平均粒子径、BET比表面積、炭素含有量(TC)、6価クロム含有量を実施例1~3と同じ手法で評価した結果、平均粒子径は31.0μm、BET比表面積は6.5m2/g、炭素含有量(TC)は0.19質量%、6価クロム含有量は30ppmであった。
また、得られた亜クロム酸ナトリウムのX線回折図を図3に示す。
重クロム酸ナトリウム(Na2Cr2O7)二水和物(平均粒子径0.2μm)100gとスクロース(ショ糖)21.5g及び水60gとをガラスビーカーに仕込み、室温下に攪拌して、オレンジ色の溶液を得た。次いで、110℃まで、昇温し、そのまま黒色の固化物(加熱処理物)が得られるまで1時間加熱処理を継続した。
加熱処理終了後、室温まで冷却し、次いで得られた黒色の固化物を乳鉢で解砕し、これを加熱処理物試料とした。
次いで、得られた加熱処理物試料をアルミナ製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で5時間焼成し、冷却後、コーヒーミルで解砕し、X線回析的に単相の亜クロム酸ナトリウムを得た。
得られた亜クロム酸ナトリウムの平均粒子径、BET比表面積、炭素含有量(TC)、6価クロム含有量を実施例1~3と同じ手法で評価した結果、平均粒子径は31.0μm、BET比表面積は6.5m2/g、炭素含有量(TC)は0.19質量%、6価クロム含有量は30ppmであった。
また、得られた亜クロム酸ナトリウムのX線回折図を図3に示す。
本発明によれば、6価クロムを実質的に含有しないX線回折的に単相の亜クロム酸ナトリウムを工業的に有利な方法で提供することができる。
また、該亜クロム酸ナトリウムは、例えば、高温の液体ナトリウム中や高真空中で使用可能な固体潤滑剤、或いは電解質に溶融塩を用いた蓄電池タイプの溶融塩電池の正極活物質として有用である。
また、該亜クロム酸ナトリウムは、例えば、高温の液体ナトリウム中や高真空中で使用可能な固体潤滑剤、或いは電解質に溶融塩を用いた蓄電池タイプの溶融塩電池の正極活物質として有用である。
Claims (7)
- 重クロム酸ナトリウムと、
真空又は不活性ガス雰囲気中での焼成による加熱分解で炭素を単離する炭素前駆体とを含む混合物を、
真空又は不活性ガス雰囲気中で焼成することを特徴とする亜クロム酸ナトリウムの製造方法。 - 前記焼成温度が700~1200℃であることを特徴とする請求項1記載の亜クロム酸ナトリウムの製造方法。
- 前記炭素前駆体の添加量が、重クロム酸ナトリウムに対する炭素前駆体中の炭素原子のモル比で1.5以上であることを特徴とする請求項1又は2記載の亜クロム酸ナトリウムの製造方法。
- 前記炭素前駆体が糖類であることを特徴とする請求項1乃至3記載の亜クロム酸ナトリウムの製造方法。
- 前記炭素前駆体が、スクロース及びセルロースから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1乃至3記載の亜クロム酸ナトリウムの製造方法。
- 重クロム酸ナトリウムと、真空又は不活性ガス雰囲気中での焼成による加熱分解で炭素を単離する炭素前駆体とを含む混合物を、更に水溶媒中で加熱処理し、次いで得られた加熱処理物を、真空又は不活性ガス雰囲気中で焼成することを特徴とする亜クロム酸ナトリウムの製造方法。
- 前記加熱処理の温度が70~150℃であることを特徴とする請求項6記載の亜クロム酸ナトリウムの製造方法。
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- 2013-09-24 JP JP2014536955A patent/JP6046155B2/ja not_active Expired - Fee Related
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