JPH045493B2 - - Google Patents
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- JPH045493B2 JPH045493B2 JP58099840A JP9984083A JPH045493B2 JP H045493 B2 JPH045493 B2 JP H045493B2 JP 58099840 A JP58099840 A JP 58099840A JP 9984083 A JP9984083 A JP 9984083A JP H045493 B2 JPH045493 B2 JP H045493B2
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- Catalysts (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
技術分野
本発明は、電極触媒に関するものである。より
詳細には、導電性基材上に、メタノールの電解酸
化触媒活性が高く、耐久性のよい被覆層を形成し
てなるメタノール電解酸化用の電極触媒に関する
ものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION BACKGROUND OF THE INVENTION Technical Field The present invention relates to electrocatalysts. More specifically, the present invention relates to an electrode catalyst for methanol electrolytic oxidation, which comprises a conductive base material and a coating layer having high methanol electrolytic oxidation catalytic activity and good durability.
先行技術とその問題点
石油資源の枯渇に端を発し、エネルギーの有効
利用が、人類社会の緊急課題となりつつあり、
C1燃料のエネルギー源としての活用が、近年注
目を浴びている。このC1燃料の代表的なものと
して、メタノールがある。Prior art and its problems Starting with the depletion of oil resources, the effective use of energy is becoming an urgent issue for human society.
The use of C1 fuel as an energy source has attracted attention in recent years. Methanol is a typical example of this C1 fuel.
これは、メタノールが、将来、石炭、天然ガス
あるいはバイオマス等から大量かつ安価に入手す
ることができると見込まれているからである。 This is because methanol is expected to be available in large quantities and at low cost from coal, natural gas, biomass, etc. in the future.
メタノールのエネルギー源としての活用の仕方
の一つとして、メタノールの化学エネルギーを、
電気化学リアクターにより電気エネルギーに変換
しようとする提案がある。 One way to utilize methanol as an energy source is to utilize the chemical energy of methanol.
There are proposals to convert it into electrical energy using an electrochemical reactor.
この場合、メタノールの化学エネルギーを電気
エネルギーに変換するには、触媒活性を有するア
ノードを用い、メタノール電解酸化反応をアノー
ド反応とする電気化学リアクター(例えば燃料電
池)を構成すればよい。 In this case, in order to convert the chemical energy of methanol into electrical energy, an electrochemical reactor (for example, a fuel cell) may be configured using an anode having catalytic activity and using the methanol electrolytic oxidation reaction as the anode reaction.
そして、このとき、エネルギーとしてもつとも
質のよい電気エネルギーとして利用でき、また、
電力節減が可能となる。また、メタノールの化学
エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換すれ
ば、メタノールの炭酸ガスへの6電子酸化反応に
伴う、利用可能なエネルギーは、電気エネルギー
換算で、原理的には、メタノール1トンあたり、
5000Kwh以上となり、エネルギーの有効利用が
可能となる。 At this time, it can be used as high-quality electrical energy, and
It is possible to save power. In addition, if the chemical energy of methanol is efficiently converted to electrical energy, the available energy associated with the 6-electron oxidation reaction of methanol to carbon dioxide gas is, in principle, per ton of methanol in terms of electrical energy.
It will be more than 5000Kwh, making it possible to use energy effectively.
さらに、電気化学リアクターを介し、化学エネ
ルギーを電気エネルギーへ変換すれば、熱機関に
よつて行われている現在の発電方式と異なり、本
質的に、カルノーサイクルによる制限を受けるこ
とがないので、原理的に高い熱効率が期待できる
ものである。 Furthermore, if chemical energy is converted to electrical energy via an electrochemical reactor, unlike current power generation methods using heat engines, it is essentially free from the limitations of the Carnot cycle. Therefore, high thermal efficiency can be expected.
このように、電気化学リアクターを構成して、
メタノールの化学エネルギーを工業電解へ有効に
利用する試みの1つとして、硫酸−硫酸亜鉛溶液
からの電解採取へ適用し、電力消費を低減しよう
とする試みがある。 In this way, an electrochemical reactor is configured,
One of the attempts to effectively utilize the chemical energy of methanol for industrial electrolysis is to apply it to electrowinning from sulfuric acid-zinc sulfate solution to reduce power consumption.
すなわち、現行の電解法では、アノード反応は
40〜60℃にて行われる酸素発生反応であり、この
反応の標準電極電位は、60℃にて、水素電極基準
で1.200Vである。 In other words, in the current electrolytic method, the anode reaction is
This is an oxygen evolution reaction that takes place at 40 to 60°C, and the standard electrode potential for this reaction is 1.200V at 60°C, based on the hydrogen electrode.
これに対し、メタノールを電解液中に溶解さ
せ、触媒活性を有するアノードを用いると、アノ
ード反応を、酸素発生反応から、メタノールの炭
酸ガスへの酸化反応に置きかえることができる。
そして、このCO2への酸化反応は、60℃にて、水
素電極基準で0.034Vである。 On the other hand, when methanol is dissolved in an electrolytic solution and an anode having catalytic activity is used, the anode reaction can be replaced from an oxygen generation reaction to an oxidation reaction of methanol to carbon dioxide gas.
The oxidation reaction to CO 2 is 0.034V at 60°C based on the hydrogen electrode.
すなわち、電解液中にメタノールを溶解させ、
所定のアノードを用い、電解槽自体に電気化学リ
アクターを組みこむことにより、電解槽電圧は、
現行法に対し、原理的には、両者の差分の
1.166Vを切り下げうる見込みとなる。そして、
このとき、電解エネルギー源としては、メタノー
ル1トンあたり、5852KWhの電力エネルギーを
原理的に節減できることになる。 That is, methanol is dissolved in the electrolyte,
By using a predetermined anode and incorporating an electrochemical reactor into the electrolytic cell itself, the electrolytic cell voltage is
In principle, compared to the current law, the difference between the two
It is expected that it will be possible to devalue 1.166V. and,
At this time, as an electrolytic energy source, it is theoretically possible to save 5,852 KWh of electrical energy per ton of methanol.
さらにまた、電気化学リアクターとして、触媒
活性を有するアノードを用い、メタノール−酸素
燃料電池を構成したときには、発電装置としても
有用であり、他の水素−酸素燃料電池などととも
に、将来の発電装置としても有望である。 Furthermore, when a methanol-oxygen fuel cell is configured using an anode with catalytic activity as an electrochemical reactor, it is useful as a power generation device, and can be used as a future power generation device along with other hydrogen-oxygen fuel cells. It's promising.
ところで、従来、電極反応触媒活性を有する物
質としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロ
ジウム、イリジウムなどの白金族元素が知られて
おり、これらを基材上に被覆層として設けた電極
が、種々の電解反応の電極として用いられてい
る。 By the way, platinum group elements such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, and iridium are conventionally known as substances having electrode reaction catalytic activity, and electrodes in which these are provided as a coating layer on a base material have been used in various ways. Used as an electrode for electrolytic reactions.
しかし、上述のようなメタノール電解酸化用の
アノードとしては、白金を被覆層とするときの
み、顕著なメタノール電解酸化触媒活性を示し、
他のパラジウム、ロジウム等はメタノール電解触
媒能を示さない。 However, as an anode for methanol electrooxidation as described above, only when platinum is used as a coating layer, significant methanol electrooxidation catalytic activity is exhibited.
Other palladium, rhodium, etc. do not exhibit methanol electrocatalytic ability.
しかしながら、白金被覆層をもつアノードを用
いるときでも、メタノール電解酸化開始初期に
は、ある程度高い電解酸化触媒活性を示すもので
はあるが、未だ十分でなく、また電解時間の経過
に従い、著しい触媒活性の低下をきたしてしま
う。すなわち、得られる電解電流密度に未だ満足
できず、また寿命も短く、実用上満足できる特性
がえられない。 However, even when using an anode with a platinum coating layer, although it shows a certain degree of electrolytic oxidation catalytic activity at the beginning of methanol electrolytic oxidation, it is still insufficient, and as the electrolysis time progresses, the catalytic activity decreases significantly. This will cause a decline. That is, the resulting electrolytic current density is still unsatisfactory, the life span is short, and practically satisfactory characteristics cannot be obtained.
このような、電解経時に伴う触媒活性の低下
は、メタノールが電解酸化反応の最終生成物であ
る炭酸ガスに到る過程で生成すると考えられる酸
化中間生成物が、電極面へ吸着堆積することによ
り、触媒活性が被毒を受けることによるものと推
測される。 This decrease in catalytic activity over time of electrolysis is due to the adsorption and deposition of oxidation intermediate products on the electrode surface, which are thought to be generated during the process in which methanol reaches carbon dioxide, the final product of the electrolytic oxidation reaction. It is assumed that this is due to the catalyst activity being poisoned.
このような事情から、メタノールの化学エネル
ギーを電気エネルギーへ変換する技術を実用に移
すためには、被覆層形成材料として、高いメタノ
ール電解酸化触媒活性を有し、しかも電解中に触
媒能の被毒による触媒活性の低下をきたすことの
ない、長寿命の電極触媒材料の開発が望まれてい
る。 Under these circumstances, in order to put into practical use the technology that converts the chemical energy of methanol into electrical energy, it is necessary to use a coating layer forming material that has high methanol electrolytic oxidation catalytic activity and that does not poison the catalytic ability during electrolysis. It is desired to develop a long-life electrode catalyst material that does not cause a decrease in catalytic activity due to
このような実状に鑑み、本発明者らは、先に、
白金−ロジウム組成物からなる被覆層についての
提案を行つている(特開昭57−158391号)。 In view of these actual circumstances, the present inventors first
A coating layer made of a platinum-rhodium composition has been proposed (Japanese Patent Application Laid-open No. 158391/1983).
この提案によれば、白金被覆層を用いるときと
比較して、触媒活性が向上し、寿命も格段と向上
する。 According to this proposal, the catalyst activity is improved and the life span is also significantly improved compared to when a platinum coating layer is used.
しかし、メタノールの酸化のピーク電流が未だ
低く、触媒活性能について実用上満足できない。 However, the peak current for methanol oxidation is still low, and the catalytic activity is not practically satisfactory.
また、被毒による触媒活性の低下も未だ大き
く、実用に耐える寿命がえられない。 In addition, the catalyst activity is still greatly reduced due to poisoning, and the life span for practical use cannot be achieved.
このように、実用化するためには、より高活性
で、より長寿命の電極触媒の開発が要望されてい
る。 Thus, in order to put it into practical use, there is a need to develop an electrode catalyst with higher activity and longer life.
発明の目的
本発明は、このような実状に鑑みなされたもの
であつて、実用上十分満足できる高いメタノール
電解酸化触媒活性を有し、長時間に亘る電解に際
し、触媒活性の低下がきわめて少なく、実用上十
分満足できる寿命をもつメタノール電解用として
好適な電極触媒とその製造方法とを提供すること
を主たる目的とする。 Purpose of the Invention The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and has a methanol electrolytic oxidation catalyst activity sufficiently high for practical use, and has extremely little decrease in catalyst activity during long-term electrolysis. The main object of the present invention is to provide an electrode catalyst suitable for methanol electrolysis and a method for producing the same, which has a life that is sufficiently satisfactory for practical use.
本発明者らは、このような目的につき鋭意研究
を行い、種々の材料、特に、白金と他金属ないし
酸化物との組成分のメタノール電解酸化触媒活性
およびその被毒特性を測定し、その結果、本発明
をなすに至つたものである。 The present inventors have conducted intensive research for this purpose, measured the methanol electrolytic oxidation catalytic activity and poisoning characteristics of various materials, especially platinum and other metals or oxides, and reported the results. , which led to the present invention.
すなわち第1の発明は、
導電性基材上に、メタノール電解酸化触媒活性
を有する被覆層を形成してなる電極触媒におい
て、被覆層が15〜60モル%の酸化イリジウムを含
む白金−酸化イリジウム組成物からなることを特
徴とする電解触媒である。 That is, the first invention is an electrode catalyst formed by forming a coating layer having methanol electrooxidation catalytic activity on a conductive base material, in which the coating layer has a platinum-iridium oxide composition containing 15 to 60 mol% of iridium oxide. It is an electrolytic catalyst characterized by being made of
また第2の発明は、
導電性基材に、メタノール電解酸化触媒活性を
有する被覆層を形成してなる電極触媒の製造方法
において、熱分解によつて白金金属となる化合物
と、加熱によつて酸化イリジウムとなる化合物と
を含む塗布液を導電性基材上に塗布し、加熱処理
を行うことによつて、15〜60モル%の酸化イリジ
ウムを含む白金−酸化イリジウム組成物からなる
被覆層を形成することを特徴とする電極触媒の製
造方法である。 A second invention provides a method for producing an electrode catalyst in which a coating layer having methanol electrooxidation catalytic activity is formed on a conductive base material, which comprises: a compound that becomes platinum metal by thermal decomposition; By applying a coating solution containing a compound that becomes iridium oxide onto a conductive substrate and performing heat treatment, a coating layer made of a platinum-iridium oxide composition containing 15 to 60 mol% of iridium oxide is formed. This is a method for producing an electrode catalyst, characterized by forming an electrode catalyst.
なお、本発明によれば、所定量比の白金−酸化
イリジウム組成物を用いることにより、高い触媒
活性と、電解経時に伴う触媒活性の被毒に対する
強い耐性とを発揮するものであるが、イリジウム
酸化物を他の白金族元素、例えばルテニウム、ロ
ジウム等の金属ないし酸化物に代えたときには、
このような効果は実現しない。このような事実
は、後記実施例からも明白となるであろう。 According to the present invention, by using a platinum-iridium oxide composition in a predetermined quantitative ratio, high catalytic activity and strong resistance to poisoning of the catalytic activity over time of electrolysis are exhibited. When the oxide is replaced with another platinum group element, such as a metal or oxide such as ruthenium or rhodium,
Such an effect will not be realized. This fact will become clear from the examples described later.
発明の具体的構成
以下、本発明の具体的構成について詳細に説明
する。 Specific Configuration of the Invention The specific configuration of the present invention will be described in detail below.
本発明における被覆層は、15モル%〜60モル
%、より好ましくは20モル%〜55モル%の酸化イ
リジウムを含む白金−酸化イリジウム組成物から
形成される。 The coating layer in the present invention is formed from a platinum-iridium oxide composition containing 15 mol% to 60 mol%, more preferably 20 mol% to 55 mol% of iridium oxide.
この場合、酸化イリジウム量が、15モル%未
満、及び60モル%より大となると、メタノールの
酸化のピーク電流が小さくなり、触媒活性の点で
実用に耐えない。また、被毒に対する耐性が弱く
なり、電解電流密度の経時劣化が大きくなる。 In this case, if the amount of iridium oxide is less than 15 mol % and greater than 60 mol %, the peak current for methanol oxidation becomes small and the catalyst is not practical in terms of catalytic activity. In addition, the resistance to poisoning becomes weaker, and the electrolytic current density deteriorates more with time.
被覆層は、白金−酸化イリジウム組成物のみか
ら実質的に形成すればよい。 The coating layer may be formed essentially only from the platinum-iridium oxide composition.
そして、この被覆層を形成する白金−酸化イリ
ジウム組成物は、後述の導電性基材上に設層され
た組成物中に、白金が金属として、またイリジウ
ムが酸化物(IrO2)として存在しているものであ
る。 The platinum-iridium oxide composition that forms this coating layer contains platinum as a metal and iridium as an oxide (IrO 2 ) in the composition layered on the conductive substrate described below. It is something that
なお、被覆層の厚さとしては、特に制限はない
が、通常0.2〜20μm、特に0.5〜5μm程度とされ
る。 The thickness of the coating layer is not particularly limited, but is usually about 0.2 to 20 μm, particularly about 0.5 to 5 μm.
一方、心材としての導電性基材としては、その
材質に特に制限はなく、種々の金属を用いること
ができる。 On the other hand, there is no particular restriction on the material of the conductive base material serving as the core material, and various metals can be used.
ただ、前述した硫酸槽中での亜鉛の電解採取に
アノードとして適用する場合のように、酸性電解
液中でのアノードとして用いる場合には、不溶性
アノードとして十分な耐食性をもたせるために、
アノード条件下でその表面に緻密な耐食性被膜を
形成することが知られている、いわゆる弁金属を
導電性基材として用いることが好ましい。 However, when used as an anode in an acidic electrolyte, as in the case of applying it as an anode to the electrowinning of zinc in a sulfuric acid bath mentioned above, in order to have sufficient corrosion resistance as an insoluble anode,
It is preferable to use a so-called valve metal as the conductive substrate, which is known to form a dense corrosion-resistant film on its surface under anodic conditions.
このような弁金属としては、その代表例とし
て、チタンおよびチタン合金が知られているが、
他に、タンタル、ジルコニウム、ニオブおよびこ
れらの合金も同様に用いることができる。 Typical examples of such valve metals include titanium and titanium alloys.
In addition, tantalum, zirconium, niobium, and alloys thereof can also be used.
また、本発明における、白金−酸化イリジウム
組成物被覆層は、例えば、苛性カリ水溶液のよう
なアルカリ性の電解液中においても、酸性電解液
中と同様の、きわめて高いメタノール電解酸化触
媒活性および電解経時に伴う触媒活性の被毒に対
する強い耐性を有するものである。 In addition, the platinum-iridium oxide composition coating layer of the present invention has extremely high methanol electrooxidation catalytic activity even in an alkaline electrolyte such as a caustic potassium aqueous solution, as well as in an acidic electrolyte. It has strong resistance to the accompanying poisoning of catalyst activity.
そして、例えば、濃苛性カリ水溶液を電解液と
する、メタノール空気燃料電池のメタノール電解
用アノードとして用いると、従来検討されてきた
電極を用いる場合に比べて優れた放電特性が得ら
れ、実用化への大いなる寄与が期待されるもので
ある。 For example, when used as an anode for methanol electrolysis in a methanol-air fuel cell that uses a concentrated aqueous caustic potassium solution as the electrolyte, superior discharge characteristics can be obtained compared to the case of using electrodes that have been studied in the past, and this is a promising candidate for practical application. This is expected to make a great contribution.
このような、アルカリ性の電解液中での用途に
供する場合には、導電性基材として、例えばチタ
ンのような弁金属の酸化被膜は、電解液に対する
溶解性が大きいため実用には適さなくなり、例え
ばニツケルのような、アルカリ性電解液に対し不
溶性の被膜を形成する金属を用いることが好まし
い。 When used in such applications in an alkaline electrolyte, an oxide film of a valve metal such as titanium as a conductive base material is not suitable for practical use due to its high solubility in the electrolyte. It is preferable to use a metal that forms a film insoluble in the alkaline electrolyte, such as nickel.
このように導電性基材上に、所定の白金−酸化
イリジウム組成物からなる被覆層を有する本発明
の電極触媒の形状、寸法に制限はなく、使用用途
に応じたものとすればよい。 As described above, the shape and dimensions of the electrode catalyst of the present invention, which has a coating layer made of a predetermined platinum-iridium oxide composition on a conductive substrate, are not limited and may be selected according to the intended use.
このような本発明のメタノール電解用の電極触
媒を製造するにあたり、導電性基材上に被覆層を
形成するには、公知の種々の方法によることがで
きる。 In producing the electrode catalyst for methanol electrolysis of the present invention, various known methods can be used to form a coating layer on the conductive base material.
これら種々の方法のうち、被覆層の形成は、い
わゆる熱分解法によることが好ましい。 Among these various methods, the coating layer is preferably formed by a so-called pyrolysis method.
すなわち、例えば、まず、ブタノール等を溶媒
と、これに熱分解によつて白金金属となる化合
物、例えば塩化白金酸(H2PtCl3・6H2O)や樹
脂酸白金、
および、加熱酸化によつて酸化イリジウム金属
となる化合物、例えば、塩化イリジウム
(IrCl4・H2O)、塩化イリジウム酸(H2IrCl6・
6H2O)や樹脂酸イリジウム等のそれぞれ所定量
を溶解して、塗布液を調製する。 That is, for example, first, butanol or the like is used as a solvent, and then a compound that becomes platinum metal through thermal decomposition, such as chloroplatinic acid (H 2 PtCl 3 .6H 2 O) or platinum resin acid, is added, and then a platinum resin acid is added to it through thermal oxidation. Compounds that become iridium metal oxide, such as iridium chloride (IrCl 4 .H 2 O), iridium chloride (H 2 IrCl 6 .
A coating solution is prepared by dissolving predetermined amounts of each of 6H 2 O) and iridium resinate.
次いで、これを導電性基材の表面に、例えば刷
毛塗り、溶射等により施し、乾燥後、酸素含有雰
囲気中で加熱処理して、塗布液成分の熱分解およ
び酸化反応生成物として、白金−酸化イリジウム
組成物の被覆層を基材上に焼き付けることができ
る。 Next, this is applied to the surface of the conductive substrate by brush coating, thermal spraying, etc., and after drying, heat treatment is performed in an oxygen-containing atmosphere to form a platinum-oxidized product as a thermal decomposition and oxidation reaction product of the coating liquid components. A coating layer of the iridium composition can be baked onto the substrate.
このような方法によれば、後述の実施例にて示
されるように、きわめて優れた性能を有するメタ
ノール電解酸化用の電極触媒を得ることができ
る。 According to such a method, an electrode catalyst for methanol electrolytic oxidation having extremely excellent performance can be obtained, as shown in Examples below.
なお、このような熱分解法により本発明の電極
を製造する場合、実用上十分に堅牢で、かつ長期
間の使用にわたり、安定した性能を維持しうる電
極となすために、上記の塗布−加熱処理の工程を
複数回繰り返し施すことがより好ましく、特に、
これを5〜10回繰り返したとき、十分に好ましい
結果が得られている。 In addition, when manufacturing the electrode of the present invention by such a pyrolysis method, in order to make the electrode sufficiently robust for practical use and capable of maintaining stable performance over a long period of use, the above-mentioned coating and heating process is necessary. It is more preferable to repeat the treatment step multiple times, and in particular,
When this was repeated 5 to 10 times, sufficiently favorable results were obtained.
また、焼き付けは、酸素分圧が0.1〜0.5気圧の
範囲にある気体雰囲気下で、200〜800℃の最適温
度にて、5〜10分間加熱して行うことができる。 Moreover, baking can be performed by heating at an optimum temperature of 200 to 800° C. for 5 to 10 minutes in a gas atmosphere with an oxygen partial pressure in the range of 0.1 to 0.5 atm.
さらに、塗布液の溶媒としては、水、エタノー
ル、ブタノール等がよい。 Furthermore, water, ethanol, butanol, etc. are preferable as a solvent for the coating liquid.
塗布液の濃度は、粘度、塗布のし易さ、塗膜の
厚み等を考慮して、金属換算で、0.01〜10g/
ml、特に、全金属換算で、0.02〜2g/mlとする
のが好ましい。また、塗布液中には、ラベンダー
油、テレピン油等の塗布性改良剤を含有させるこ
とができる。 The concentration of the coating solution is 0.01 to 10 g/metal equivalent, taking into account viscosity, ease of application, thickness of the coating, etc.
ml, particularly preferably 0.02 to 2 g/ml in terms of total metals. Further, the coating liquid may contain a coating property improving agent such as lavender oil or turpentine oil.
なお、導電性基材には、予め表面浄化処理や粗
面化処理等の前処理を施し、これに前記のように
被覆層を形成することもできる。 Note that the conductive base material may be subjected to a pretreatment such as a surface purification treatment or a surface roughening treatment, and then a coating layer may be formed thereon as described above.
発明の具体的作用効果
本発明のメタノール電解用の電極触媒は、メタ
ノールの電解酸化を行うアノードとして用いら
れ、有用である。 Specific Effects of the Invention The electrode catalyst for methanol electrolysis of the present invention is useful as an anode for electrolytic oxidation of methanol.
すなわち、電解液が酸性であつても、またアル
カリ性であつても、きわめて高いメタノール電解
酸化触媒活性を示し、高いメタノールの酸化ピー
ク電流密度を得ることができる。 That is, whether the electrolytic solution is acidic or alkaline, it exhibits extremely high methanol electrooxidation catalytic activity and can obtain a high methanol oxidation peak current density.
そして、電解経時に伴う触媒活性の被毒はきわ
めて少なく、長期間にわたつて高い電流密度を示
す。この場合、従来の白金ないし白金組成物から
なる被覆層と比較して、寿命は10倍以上向上す
る。 Furthermore, poisoning of the catalyst activity over time of electrolysis is extremely small, and a high current density is exhibited over a long period of time. In this case, the service life is improved by more than 10 times compared to conventional coating layers made of platinum or platinum compositions.
このため、前述したように、亜鉛の電解採取に
おいて、硫酸−硫酸亜鉛電解液にメタノールを数
モル/添加し、例えば40〜60℃にて数A/dm2
程度のレートで電解を行う際のアノードとして、
あるいは前述したところのメタノール−酸素燃料
電池等のアノードとして、きわめて良好な特性を
示し、エネルギーの有効利用に資するところはき
わめて大きなるものである。 For this reason, as mentioned above, in the electrowinning of zinc, several moles of methanol are added to the sulfuric acid-zinc sulfate electrolyte, for example, several A/dm 2 at 40 to 60°C.
As an anode when performing electrolysis at a rate of
Alternatively, it exhibits extremely good characteristics as an anode for the aforementioned methanol-oxygen fuel cells, etc., and greatly contributes to the effective use of energy.
さらには、本発明の電極触媒は、酸素発生に対
しても、低い酸素過電圧をもつため、電力効率が
すぐれ、耐久性がすぐれているという特長があ
る。 Furthermore, since the electrode catalyst of the present invention has a low oxygen overvoltage with respect to oxygen generation, it has the features of excellent power efficiency and excellent durability.
一般的に、燃料極においては、一定の使用期間
ごとに、電位を上昇させて酸素を発生させ、この
発生酸素のバブルで被毒層を除去する活性化法が
知られている。 In general, for fuel electrodes, an activation method is known in which the potential is increased to generate oxygen every certain period of use, and the poisoned layer is removed using bubbles of the generated oxygen.
この場合、例えば硫酸水溶液で活性化、すなわ
ち酸素発生を行う場合には、耐久性が特に要求さ
れ、これを満足する電極触媒は少ない。 In this case, for example, when activation is performed with an aqueous sulfuric acid solution, that is, when oxygen is generated, durability is particularly required, and there are few electrode catalysts that satisfy this requirement.
本発明の電極触媒は、この活性化処理後も、被
覆層の損傷がきわめて少なく、活性化処理後の電
流値は一定値となり、従来の白金ないし白金組成
物被覆層と比較して、きわめて有利な特長をも
つ。 The electrode catalyst of the present invention has extremely little damage to the coating layer even after the activation treatment, and the current value after the activation treatment remains constant, which is extremely advantageous compared to conventional platinum or platinum composition coating layers. It has the following characteristics.
加えて、酸素過電圧もきわめて低い。 In addition, the oxygen overvoltage is also extremely low.
本発明の電極触媒は、白金被覆層にくらべて、
酸素過電圧が0.3〜0.4V低いので、現行の亜鉛精
錬の際のアノードとて使用した場合、低い電圧で
運転が可能となる。 Compared to the platinum coating layer, the electrode catalyst of the present invention has
Since the oxygen overvoltage is 0.3 to 0.4 V lower, when used as an anode in the current zinc smelting process, it can be operated at a lower voltage.
一方、アノード極をくみあわせて亜鉛精錬のア
ノードとして使用した場合、上述のように、きわ
めて高い効率および耐久性を示す。 On the other hand, when the anode electrodes are combined and used as an anode for zinc refining, as mentioned above, extremely high efficiency and durability are exhibited.
このことから、亜鉛精錬に際して、安い深夜電
力を利用して現行法で運転し、日中はメタノール
副極法による運転をし、トータルで電力コストの
低減をはかることも本発明の電極触媒の使用によ
り可能である。 Therefore, by using the electrode catalyst of the present invention, when refining zinc, it is possible to operate using the current method using cheap late-night electricity, and operate using the methanol sub-electrode method during the day, thereby reducing the total electricity cost. It is possible.
また、メタノール酸化能と酸素還元能は同一で
あるといわれており、白金族の中でも白金のみが
活性であるので、本発明の電極触媒は、酸素還元
触媒としてもすぐれていると予想される。 Furthermore, it is said that methanol oxidation ability and oxygen reduction ability are the same, and among the platinum group metals, only platinum is active, so the electrode catalyst of the present invention is expected to be excellent as an oxygen reduction catalyst.
このことから、酸素発生用アノードとしてのす
ぐれた特性をいかして、H2−O2燃料電池および
H2O電解槽による電力貯蔵システムであるウオ
ーター バツテリー(water battery)への適用
の可能性もある。 Therefore, by taking advantage of its excellent properties as an anode for oxygen generation, H 2 −O 2 fuel cells and
There is also the possibility of application to water batteries, which are power storage systems using H 2 O electrolyzers.
このように本発明の電極触媒は、バイフアンク
シヨナルアノード(bifunctional anode)として
機能する特長がある。 As described above, the electrode catalyst of the present invention has the feature of functioning as a bifunctional anode.
発明の具体的実施例
以下、本発明の具体的実施例を掲げ、本発明を
さらに詳細に説明する。 Specific Examples of the Invention Hereinafter, the present invention will be explained in more detail by presenting specific examples of the present invention.
実施例
塩化白金酸(H2PtCl6・6H2O)および塩化イ
リジウム酸(H2IrCl6・6H2O)を、ブタノールに
溶解させ、全金属含有量が、金属換算で0.1g/
mlで、白金が70モル%;イリジウムが30モル%の
仕込み組成とした、塗布液を作製した(以下A液
とよぶ)。Example Chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 6H 2 O) and chloroiridic acid (H 2 IrCl 6 6H 2 O) were dissolved in butanol, and the total metal content was 0.1 g/metal equivalent.
A coating solution was prepared (hereinafter referred to as Solution A) with a charging composition of 70 mol % of platinum and 30 mol % of iridium.
また、これとは別に、A液と同様の方法で、全
金属含有量が0.1g/mlで、イリジウムが、5、
10、15、20、25、35、40、50、70、80モル%のも
の計10種を作製した。 Separately, in the same manner as Solution A, the total metal content was 0.1 g/ml, and iridium was added to
A total of 10 types with 10, 15, 20, 25, 35, 40, 50, 70, and 80 mol% were produced.
さらに比較のため、塩化イリジウム酸を塩化ロ
ジウム(RhCl3・3H2O)にかえ、全金属含有量
が、0.1g/mlで、白金85モル%、ロジウム15モ
ル%のもの(以下B液とよぶ)、
金属含有量0.1g/mlの、白金単味のもの(以
下C液とよぶ)、
および、全金属含有量が、0.1g/mlで、イリ
ジウム単味のものを作製した。 Furthermore, for comparison, the chloroiridic acid was replaced with rhodium chloride (RhCl 3.3H 2 O), and the total metal content was 0.1 g/ml, 85 mol% platinum and 15 mol% rhodium (hereinafter referred to as solution B). A liquid containing only platinum (hereinafter referred to as liquid C) had a metal content of 0.1 g/ml, and a liquid containing only iridium had a total metal content of 0.1 g/ml.
次に、これら各塗布液を、市販のトリクレン脱
脂液にて脱脂後、沸騰した10%シユウ酸水溶液に
て300分表面処理した、チタン線基材(2mmφ)
に刷毛にて塗布し、乾燥後、焼成した。 Next, each of these coating solutions was degreased with a commercially available Triclean degreasing solution, and then the surface was treated with a boiling 10% oxalic acid aqueous solution for 300 minutes on a titanium wire base material (2 mmφ).
It was applied with a brush, dried and then fired.
塗布、焼成は、10回同様に繰り返し行い、加熱
処理は、塗布毎に各10分間、500℃、空気中にて
行つた。なお、塗布液Bでは、塗布液中に還元剤
を含有させて、加熱温度を400℃とした。 Coating and baking were repeated in the same manner 10 times, and heat treatment was carried out at 500° C. in air for 10 minutes each time. In addition, in the coating liquid B, a reducing agent was contained in the coating liquid, and the heating temperature was set to 400°C.
このようにして、計14種の塗布液を用い、13種
の電極を作製した。これら14種の電極の被覆層厚
は、ともに2μmであつた。 In this way, 13 types of electrodes were produced using a total of 14 types of coating liquids. The coating layer thickness of these 14 types of electrodes was 2 μm.
各電極に施した白金組成物被覆層につき、X線
回折を行つたところ、Ptと、IrO2のピークがみ
とめられた。この場合、Ptの中に少量のIrメタル
が固溶している可能性があるが、Ptのピークの
シフトは、ほとんどなく、たとえ固溶していると
してもきわめて少量であると推定される。 When X-ray diffraction was performed on the platinum composition coating layer applied to each electrode, peaks of Pt and IrO 2 were observed. In this case, it is possible that a small amount of Ir metal is dissolved in Pt, but there is almost no shift in the peak of Pt, and even if it is dissolved in solid solution, it is estimated that the amount is extremely small.
これに対し、電極Bでは、Rh単体に帰属する
ピークは認められず、またPtに帰属するピーク
はRh側にシフトしており、これから、RhがPt中
に固溶されているものであると推定された。 On the other hand, in electrode B, no peak attributed to Rh alone was observed, and the peak attributed to Pt was shifted to the Rh side, indicating that Rh is dissolved in Pt. Estimated.
また、各被覆層につき蛍光X線分析を行つたと
ころ、いずれも実験誤差内で、仕込み組成と一致
する組成をもつことが確認された。 Further, when fluorescent X-ray analysis was performed on each coating layer, it was confirmed that each coating layer had a composition that matched the charged composition within experimental error.
次に、これら各電極に、テフロン熱収縮チユー
ブを被嵌し、被覆層を所定同一面積だけ露出さ
せ、各アノード試料とした。 Next, a Teflon heat-shrinkable tube was fitted onto each of these electrodes, and the same predetermined area of the coating layer was exposed to form each anode sample.
次いで、これら各アノードを用い、各電極の触
媒活性と、その被毒耐性を評価した。 Next, using each of these anodes, the catalytic activity of each electrode and its poisoning resistance were evaluated.
すなわち、電解液としては、1モル/の
H2SO4と1モル/のメタノールとを含む水溶
液を用い、アノードと白金線電極からなるカソー
ドを配置した。電解液は、恒温槽中にて温度計で
液温を監視しながら、50℃に保持した。そして、
電解液中にはN2バブルを送気し、液中の溶存酸
素を排除できるようにし、かつスターラーによつ
て撹拌した。 That is, as an electrolytic solution, 1 mol/
An aqueous solution containing H 2 SO 4 and 1 mol/methanol was used, and a cathode consisting of an anode and a platinum wire electrode was arranged. The electrolytic solution was maintained at 50°C in a constant temperature bath while monitoring the liquid temperature with a thermometer. and,
N 2 bubbles were introduced into the electrolytic solution to eliminate dissolved oxygen in the solution, and the solution was stirred using a stirrer.
他方、電解液は、ブリツジを介し、25℃、1モ
ル/のH2SO4水溶液中に配置した水素電極
(NHE)と接続した。 On the other hand, the electrolyte was connected via a bridge to a hydrogen electrode (NHE) placed in a 1 mol/H 2 SO 4 aqueous solution at 25°C.
このような装置を用い、各電極につき、
0.1V/secにて、アノード走査でのサイクリツク
ボルタングラムを測定した。被覆層A,B,Cの
結果を第1図に示す。 Using such a device, for each electrode,
The cyclic voltamgram was measured with anode scanning at 0.1 V/sec. The results for coating layers A, B, and C are shown in FIG.
また、メタノールの酸化ピークでのピーク電流
密度ip(A/cm2)と、白金−酸化イリジウム組成
物中の酸化イリジウム含有量との関係を第2図に
示す。 Further, FIG. 2 shows the relationship between the peak current density ip (A/cm 2 ) at the oxidation peak of methanol and the iridium oxide content in the platinum-iridium oxide composition.
さらに、アノード電位を水素電極基準で0.6V
に設定して、電解開始後の経時に伴う電解電流密
度の変化を測定した。結果を第3図に示す。図
中、記号A,B,Cは、用いた電極番号を示して
いる。 Furthermore, the anode potential is 0.6V based on the hydrogen electrode.
The change in electrolytic current density over time after the start of electrolysis was measured. The results are shown in Figure 3. In the figure, symbols A, B, and C indicate the electrode numbers used.
これらの結果から、Ir15〜60モル%のPt−IrO2
組成物からなる本発明の電極触媒が、きわめて高
いメタノールの酸化ピーク電流密度をもち、他の
被覆層と比較して10倍以上の寿命をもつことがわ
かる。 From these results, Pt− IrO2 with 15–60 mol% Ir
It can be seen that the electrocatalyst of the present invention made of the composition has an extremely high methanol oxidation peak current density and has a lifetime more than 10 times that of other coating layers.
なお、上記の各電極において、Irをメタルの形
で含有させた組成物およびRhを酸化物の形で含
有させたものでは、Rhをメタルの形で含有する
電極Bとほぼ同じ結果であつた。 In addition, in each of the above electrodes, the composition containing Ir in the form of metal and the composition containing Rh in the form of oxide had almost the same results as electrode B containing Rh in the form of metal. .
これらから、IrをIrO2の形で含有させないかぎ
り、高活性、長寿命の電極触媒は実現しないとい
う、当初まつたく予期できなかつた効果が実現し
ていることがわかる。 From these results, it can be seen that unless Ir is contained in the form of IrO 2 , a highly active, long-life electrode catalyst cannot be achieved, an effect that could not have been predicted at the outset.
第1図〜第3図は、本発明の効果を説明するた
めの図であり、このうち第1図が、アノード走査
でのサイクリツクボルタングラムであり、第2図
が、アノード走査でのサイクリツクボルタングラ
ムのメタノールの酸化ピーク電流密度ipと、白金
−酸化イリジウム組成物中の酸化イリジウム含有
量との関係を示すグラフであり、第3図が、電解
電流密度の経時変化を示すグラフである。
Figures 1 to 3 are diagrams for explaining the effects of the present invention, of which Figure 1 is a cyclic voltamgram in anode scanning, and Figure 2 is a cyclic voltamgram in anode scanning. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the oxidation peak current density ip of methanol in the Crick Voltangram and the iridium oxide content in the platinum-iridium oxide composition, and FIG. 3 is a graph showing the change over time in the electrolytic current density. .
Claims (1)
性を有する被覆層を形成してなる電極触媒におい
て、被覆層が15〜60モル%の酸化イリジウムを含
む白金−酸化イリジウム組成物からなることを特
徴とする電極触媒。 2 酸化イリジウム含有量が、20〜55モル%であ
る特許請求の範囲第1項に記載の電極触媒。 3 導電性基材上に、メタノール電解酸化触媒活
性を有する被覆層を形成してなる電極触媒の製造
方法において、熱分解によつて白金金属となる化
合物と、加熱によつて酸化イリジウムとなる化合
物とを含む塗布液を導電性基材上に塗布し、加熱
処理を行うことによつて、15〜60モル%の酸化イ
リジウムを含む白金−酸化イリジウム組成物から
なる被覆層を形成することを特徴とする電極触媒
の製造方法。 4 白金−酸化イリジウム組成物中の酸化イリジ
ウム含有量が、20〜55モル%である特許請求の範
囲第3項に記載の電極触媒の製造方法。[Scope of Claims] 1. An electrode catalyst comprising a coating layer having methanol electrooxidation catalytic activity formed on a conductive base material, wherein the coating layer has a platinum-iridium oxide composition containing 15 to 60 mol% of iridium oxide. An electrode catalyst characterized by being made of a material. 2. The electrode catalyst according to claim 1, wherein the iridium oxide content is 20 to 55 mol%. 3. In a method for producing an electrode catalyst in which a coating layer having methanol electrooxidation catalyst activity is formed on a conductive base material, a compound that becomes platinum metal by thermal decomposition and a compound that becomes iridium oxide by heating are used. A coating layer consisting of a platinum-iridium oxide composition containing 15 to 60 mol % of iridium oxide is formed by applying a coating solution containing the above onto a conductive substrate and performing heat treatment. A method for producing an electrode catalyst. 4. The method for producing an electrode catalyst according to claim 3, wherein the iridium oxide content in the platinum-iridium oxide composition is 20 to 55 mol%.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58099840A JPS59225740A (en) | 1983-06-04 | 1983-06-04 | Electrode catalyst and preparation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP58099840A JPS59225740A (en) | 1983-06-04 | 1983-06-04 | Electrode catalyst and preparation thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59225740A JPS59225740A (en) | 1984-12-18 |
| JPH045493B2 true JPH045493B2 (en) | 1992-01-31 |
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ID=14257992
Family Applications (1)
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| JP (1) | JPS59225740A (en) |
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1983
- 1983-06-04 JP JP58099840A patent/JPS59225740A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPS59225740A (en) | 1984-12-18 |
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