JP7162300B2 - Electrocatalyst and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、電極触媒及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode catalyst and a method for producing the same.
水素は燃焼時にCO2排出がゼロであり、化石燃料に代わるクリーンなエネルギー源として期待されている。特に、太陽光、風力、水力等の再生可能なエネルギーを電力とする水の電気分解法による水素製造方法は一切CO2を排出しないことから、クリーンな水素の製造方法として大きな期待が寄せられている。 Hydrogen emits zero CO2 when burned, and is expected as a clean energy source to replace fossil fuels. In particular, the method of producing hydrogen by water electrolysis, which uses renewable energy sources such as sunlight, wind power, and hydraulic power as power, does not emit any CO2 , so it is expected to be a clean hydrogen production method. there is
水の電気分解用の電極としては、炭素基材等の電極基材上に白金粒子触媒を固定したものが知られている。しかしながら、白金は価格が高く、資源量にも限りがあるため、白金の使用量を低減する技術や白金代替触媒及び/又は電極の開発が求められている。 As an electrode for electrolysis of water, there is known one in which a platinum particle catalyst is fixed on an electrode base material such as a carbon base material. However, platinum is expensive and its resources are limited, so there is a demand for the development of techniques for reducing the amount of platinum used and the development of platinum-alternative catalysts and/or electrodes.
この観点から、水の電気分解用の電極として、ナノサイズの微細化構造を有する遷移金属(例えば、Co、Ni、Mn等)の硫化物又は酸化物等の新規な材料が注目されており、盛んにその研究が進められている(例えば、特許文献1)。これらの材料は良好な活性を示す反面、繰り返し使用によってナノ構造が崩壊していくことも多いため、電極の長期安定性という点に改善の余地が残されている。 From this point of view, novel materials such as sulfides or oxides of transition metals (e.g., Co, Ni, Mn, etc.) having a nano-sized fine structure are attracting attention as electrodes for water electrolysis. The research is being actively pursued (for example, Patent Document 1). Although these materials exhibit good activity, their nanostructures often collapse due to repeated use, leaving room for improvement in terms of long-term electrode stability.
また、最近では、独自の物理的および化学的特性を活かして、遷移金属カルコゲナイド、遷移金属の炭化物、リン化物、リン硫化物、窒化物、ホウ化物、セレン化物等の非貴金属系電極触媒が水素発生電極触媒として研究されている。 Recently, non-precious metal electrocatalysts such as transition metal chalcogenides, transition metal carbides, phosphides, phosphorus sulfides, nitrides, borides, and selenides have been developed using their unique physical and chemical properties. It is being studied as a generation electrocatalyst.
しかしながら、従来から提案されている電極触媒は、その性能が十分に発揮されるのは特定の条件のみでの使用に限られ、例えば、特定範囲のpHを有する電解液を使用したときのみに、その電極触媒の性能が発揮されるものであった。つまり、あるpHで使用した場合には優れた水素発生効率及び耐久性が発揮されるが、電解液のpHが異なる範囲となると水素発生効率及び耐久性の低下が起こり得るという問題を有するものであった。特に、電解液が中性付近になると、従来の電極触媒では水素発生効率が低下しやすく、また、耐久性も低下しやすいものであった。このような観点から、幅広いpH領域で水素を効率よく発生させることができ、しかも、耐久性にも優れる電極触媒の開発が望まれていた。 However, conventionally proposed electrode catalysts exhibit their performance sufficiently only when used only under specific conditions. The performance of the electrode catalyst was demonstrated. In other words, when used at a certain pH, excellent hydrogen generation efficiency and durability are exhibited, but when the pH of the electrolyte is in a different range, the hydrogen generation efficiency and durability may decrease. there were. In particular, when the electrolyte becomes near neutral, the conventional electrode catalyst tends to lower the hydrogen generation efficiency and durability. From such a point of view, the development of an electrode catalyst that can efficiently generate hydrogen over a wide pH range and is excellent in durability has been desired.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、幅広いpH領域で水素を効率よく発生させることができ、しかも、耐久性にも優れる電極触媒及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and it is an object of the present invention to provide an electrode catalyst that can efficiently generate hydrogen in a wide pH range and has excellent durability, and a method for producing the same.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定の金属の硫化物を少なくとも2種含む触媒を電極基材上に形成することにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have made intensive studies to achieve the above objects, and as a result, found that the above objects can be achieved by forming a catalyst containing at least two types of sulfides of a specific metal on an electrode substrate. I have perfected my invention.
すなわち、本発明は、例えば、以下の項に記載の主題を包含する。
項1
電極基材上に触媒を備え、
前記触媒は、Moの硫化物と、Mo以外の遷移金属Mの硫化物とを含む、電極触媒。
項2
前記遷移金属Mは、Co、Fe、Ni、Cu、W及びMnからなる群より選ばれる少なくとも1種である、項1に記載の電極触媒。
項3
Mo以外の遷移金属Mを含有する化合物及び水系溶媒を含む第1の原料に電極基材を浸漬して加熱処理した後、前記電極基材を取り出して焼成することで遷移金属Mの酸化物が形成された電極基材を得る第1工程と、
前記遷移金属Mの酸化物が形成された電極基材を、Moを含有する化合物、硫黄を含有する化合物及び水系溶媒を含む第2の原料に浸漬して加熱処理をすることで、Moの硫化物及び前記遷移金属Mの硫化物を含む触媒が形成された電極基材を得る第2工程と、
を備える、電極触媒の製造方法。
項4
前記遷移金属Mは、Co、Fe、Ni、Cu、W及びMnからなる群より選ばれる少なくとも1種である、項3に記載の電極触媒。
項5
項1又は2に記載の電極触媒を使用して、若しくは、項3又は4に記載の製造方法で得られた電極触媒を使用して電解処理を行う工程を含む、水素の製造方法。
That is, the present invention includes, for example, the subject matter described in the following sections.
comprising a catalyst on an electrode substrate,
The catalyst is an electrode catalyst containing a sulfide of Mo and a sulfide of a transition metal M other than Mo.
Item 3
After the electrode base material is immersed in a first raw material containing a compound containing a transition metal M other than Mo and an aqueous solvent and subjected to heat treatment, the electrode base material is taken out and fired to form an oxide of the transition metal M. a first step of obtaining the formed electrode substrate;
The electrode substrate on which the oxide of the transition metal M is formed is immersed in a second raw material containing a Mo-containing compound, a sulfur-containing compound, and an aqueous solvent and heat-treated to cause sulfurization of Mo. a second step of obtaining an electrode substrate on which a catalyst containing a sulfide of the transition metal M and a sulfide of the transition metal M is formed;
A method for producing an electrode catalyst.
Item 5
Item 5. A method for producing hydrogen, comprising the step of performing electrolytic treatment using the electrode catalyst according to
本発明に係る電極触媒は、幅広いpH領域(pH0~14)で水素を効率よく発生させることができ、しかも、耐久性にも優れる。
The electrode catalyst according to the present invention can efficiently generate hydrogen in a wide pH range (
本発明に係る電極触媒の製造方法は、幅広いpH領域(pH0~14)で水素を効率よく発生させることができ、しかも、耐久性にも優れる電極触媒を簡便に製造することができる。
The method for producing an electrode catalyst according to the present invention can efficiently generate hydrogen in a wide pH range (
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書中において、「含有」及び「含む」なる表現については、「含有」、「含む」、「実質的にからなる」及び「のみからなる」という概念を含む。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In this specification, the expressions "contain" and "include" include the concepts of "contain", "include", "substantially consist of" and "consist only of".
(電極触媒)
本発明の電極触媒は、電極基材上に触媒を備える。特に、前記触媒は、Moの硫化物と、Mo以外の遷移金属Mの硫化物とを含む。
(Electrocatalyst)
The electrode catalyst of the present invention comprises a catalyst on an electrode substrate. In particular, the catalyst comprises a sulfide of Mo and a sulfide of a transition metal M other than Mo.
前記電極触媒は、特定の組成を有する触媒が電極基材上に形成されていることで、pH0~14といった幅広いpH領域にわたって水素を効率よく発生させることができる。しかも、前記電極触媒は、繰り返し使用したとしても性能が低下しにくく、耐久性に優れる。
The electrode catalyst can efficiently generate hydrogen over a wide pH range of
電極触媒において、電極基材の種類は特に限定されず、例えば、公知の導電性の基材を広く採用することができる。 In the electrode catalyst, the type of electrode substrate is not particularly limited, and for example, a wide range of known conductive substrates can be employed.
電極基材としては、例えば、水の電気分解用の電極として使用されている基材を挙げることができ、具体例として、炭素基材、金属基材、ガラス基材等を挙げることができる。炭素基材としては、カーボンペーパー、炭素棒等が例示される。金属基材としては、ニッケル、チタン、鉄、銅等の金属単体の基材、又は、ニッケル-リン合金、ニッケル-タングステン合金、ステンレス合金等の基材等が例示される。ガラス基材としては、導電ガラス等が例示される。中でも、電極触媒をより容易に製造しやすいという観点から、電極基材は炭素基材であることが好ましく、カーボンペーパーであることが特に好ましい。 Examples of electrode substrates include substrates used as electrodes for electrolysis of water, and specific examples thereof include carbon substrates, metal substrates, glass substrates, and the like. Examples of carbon substrates include carbon paper and carbon rods. Examples of metal substrates include substrates of simple metals such as nickel, titanium, iron, and copper, and substrates such as nickel-phosphorus alloys, nickel-tungsten alloys, and stainless alloys. Conductive glass etc. are illustrated as a glass base material. Among them, the electrode substrate is preferably a carbon substrate, and particularly preferably carbon paper, from the viewpoint that the electrode catalyst can be more easily produced.
電極基材は、例えば、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販品等から入手することもできる。 The electrode base material can be obtained, for example, by a known production method, or can be obtained from commercial products and the like.
電極基材の形状及び大きさは特に制限されず、使用目的や要求される性能により適宜選択することができる。例えば、電極基材の形状は、シート状、板状、棒状、メッシュ状等とすることができる。 The shape and size of the electrode substrate are not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the purpose of use and required performance. For example, the shape of the electrode base material can be sheet-like, plate-like, bar-like, mesh-like, or the like.
前記触媒は、Mo(モリブデン)の硫化物を含む。Moの硫化物は、化学式MoS2で表すことができる化合物である。 The catalyst contains Mo (molybdenum) sulfide. Sulfides of Mo are compounds that can be represented by the chemical formula MoS2.
前記触媒は、Mo以外の遷移金属Mの硫化物を含む。例えば、遷移金属MがCo(コバルト)である場合、Coの硫化物は、化学式CoS2で表すことができる化合物である。 The catalyst contains a sulfide of a transition metal M other than Mo. For example, if the transition metal M is Co (cobalt), the sulfide of Co is a compound that can be represented by the chemical formula CoS2 .
遷移金属Mは、Co、Fe、Ni、Cu、W及びMnからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。この場合、電極触媒の製造が容易であり、また、電極触媒は、水素発生効率に優れ、耐久性も向上しやすい。Co、Fe、Ni、Cu、W及びMnは、それらの硫化物の性質が互いに共通又は類似していること、及び、それらの金属硫化物が、Mo(モリブデン)の硫化物の電子分布に与える影響が共通又は類似している。このため、遷移金属Mが、Co、Fe、Ni、Cu、W及びMnのいずれの金属であっても、電極触媒は、水素発生効率及び耐久性をより向上させるという特性を示すことができる。 The transition metal M is preferably at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Cu, W and Mn. In this case, the production of the electrode catalyst is easy, and the electrode catalyst is excellent in hydrogen generation efficiency and easily improved in durability. Co, Fe, Ni, Cu, W and Mn have common or similar properties of their sulfides and their metal sulfides contribute to the electron distribution of Mo (molybdenum) sulfides. Common or similar impacts. Therefore, even if the transition metal M is any metal of Co, Fe, Ni, Cu, W and Mn, the electrode catalyst can exhibit the characteristics of further improving hydrogen generation efficiency and durability.
遷移金属Mは、電極触媒の水素発生効率及び耐久性が特に向上しやすいという観点から、Co、Fe及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種であることがより好ましく、Coであることが特に好ましい。 The transition metal M is more preferably at least one selected from the group consisting of Co, Fe and Ni from the viewpoint that the hydrogen generation efficiency and durability of the electrode catalyst are particularly likely to be improved, and Co is particularly preferred. preferable.
前記触媒は、Moの硫化物と遷移金属Mの硫化物を含む限り、他の金属又は他の化合物等のその他成分を含むことができる。前記触媒がその他成分を含む場合、前記触媒の全質量に対して、その他成分は10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが特に好ましい。前記触媒は、Moの硫化物と遷移金属Mの硫化物のみで形成されていてもよい。 Said catalyst may contain other components such as other metals or other compounds as long as it contains Mo sulfide and transition metal M sulfide. When the catalyst contains other components, the other components are preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and 1% by mass or less, relative to the total mass of the catalyst. Especially preferred. The catalyst may be formed only of Mo sulfide and transition metal M sulfide.
前記触媒の形状は特に限定されず、例えば、粒子状、ワイヤー状、繊維状、針状、棒状、鱗片状等の種々の形状を挙げることができる。製造が容易であり、また、優れた性能を発揮しやすいという観点から、前記触媒は粒子状及びワイヤー状であることが好ましい。前記触媒が粒子状である場合、例えば、球状、花びら状、不定形状等の粒子を挙げることができる。粒子の表面は平滑であってもよいし、針状等の突起を有していてもよい。 The shape of the catalyst is not particularly limited, and examples thereof include various shapes such as particle, wire, fibrous, needle, rod, and scale. The catalyst is preferably particulate or wire-like from the viewpoints of ease of production and the ability to exhibit excellent performance. When the catalyst is particulate, for example, spherical, petal-shaped, irregularly shaped particles can be used. The surface of the particles may be smooth or may have needle-like projections.
前記触媒が粒子状である場合、その大きさも特に制限はなく、例えば、触媒の平均粒子径は0.01~500μm、好ましくは1~100μmとすることができる。なお、ここでいう粒子の平均粒子径は、電極触媒の走査型電子顕微鏡による直接観察によって無作為に50個の粒子を選択し、これらの円相当径を計測して算術平均した値をいう。 When the catalyst is particulate, its size is not particularly limited, and for example, the average particle diameter of the catalyst can be 0.01 to 500 μm, preferably 1 to 100 μm. Here, the average particle diameter of the particles refers to the arithmetic mean value obtained by measuring the equivalent circle diameters of 50 particles selected at random by direct observation of the electrode catalyst with a scanning electron microscope.
前記触媒は、Moの硫化物と遷移金属Mの硫化物を含む限り、その構造に特に制限はない。つまりは、前記触媒において、Moの硫化物と遷移金属Mの硫化物との存在状態に特に制限はない。電極触媒の水素発生効率及び耐久性がより向上しやすいという観点から、前記触媒は、遷移金属Mの硫化物の表面にMoの硫化物が形成された構造を有していることが好ましい。 The structure of the catalyst is not particularly limited as long as it contains Mo sulfide and transition metal M sulfide. That is, in the catalyst, there is no particular limitation on the state of existence of the sulfide of Mo and the sulfide of the transition metal M. The catalyst preferably has a structure in which a sulfide of Mo is formed on the surface of a sulfide of the transition metal M, from the viewpoint that the hydrogen generation efficiency and durability of the electrode catalyst are likely to be improved.
特に、前記触媒は、遷移金属Mの硫化物の表面をMoの硫化物が被覆して形成されていることが好ましい。このような構造として、コアシェル構造を挙げることができる。 In particular, the catalyst is preferably formed by coating the surface of the sulfide of the transition metal M with the sulfide of Mo. A core-shell structure can be mentioned as such a structure.
前記触媒がコアシェル構造に形成されている場合、電極触媒の水素発生効率及び耐久性が特に向上しやすい。コアシェル構造としては、具体的にコアシェル粒子を挙げることができる。 When the catalyst has a core-shell structure, the hydrogen generation efficiency and durability of the electrode catalyst are particularly likely to be improved. As a core-shell structure, a core-shell particle can be mentioned specifically.
前記触媒がコアシェル構造に形成されている場合、例えば、該コアシェル構造のコアは前記遷移金属Mの硫化物を含むことができ、シェルはMoの硫化物を含むことができる。もちろん、その逆であってもよい。コアは前記遷移金属Mの硫化物のみで形成することもでき、また、シェルはMoの硫化物のみで形成することもできる。 When the catalyst is formed in a core-shell structure, for example, the core of the core-shell structure may contain the sulfide of the transition metal M, and the shell may contain the sulfide of Mo. Of course, vice versa is also possible. The core can be formed of only the sulfide of the transition metal M, and the shell can be formed of only the sulfide of Mo.
前記触媒において、Moの硫化物と、遷移金属Mの硫化物とのモル比は特に限定されない。例えば、前記触媒は、Moの硫化物1モルあたり、遷移金属Mの硫化物を0.01~100モル含むことができ、0.01~10モル含むことが好ましく、0.01~1モル含むことが特に好ましい。 In the catalyst, the molar ratio between the Mo sulfide and the transition metal M sulfide is not particularly limited. For example, the catalyst may contain 0.01 to 100 mol, preferably 0.01 to 10 mol, and 0.01 to 1 mol of sulfide of transition metal M per 1 mol of sulfide of Mo. is particularly preferred.
電極触媒は、本発明の効果が阻害されない限り、触媒以外の成分が含まれていてもよく、また、電極触媒は、電極基材及び触媒のみで形成されていてもよい。 The electrode catalyst may contain components other than the catalyst as long as the effects of the present invention are not impaired, and the electrode catalyst may be formed only of the electrode base material and the catalyst.
電極触媒は、例えば、電極基材上に直接(他の層等を介さずに)触媒が形成され得る。特に、電極触媒は、電極基材上に遷移金属Mの硫化物が直接担持されており、この遷移金属Mの硫化物に直接、Moの硫化物が形成され得る。電極触媒において、触媒上には何らの層も形成されていないことが好ましい。 The electrode catalyst can be formed directly on the electrode base material (without passing through another layer or the like), for example. In particular, in the electrode catalyst, the sulfide of the transition metal M is directly supported on the electrode substrate, and the sulfide of Mo can be formed directly on the sulfide of the transition metal M. In the electrode catalyst, it is preferred that no layer is formed on the catalyst.
本発明の電極触媒の優れた性能は、Moの硫化物への遷移金属Mと酸素の共ドーピング効果、それに伴う反応活性な欠陥サイトの形成、並びに、遷移金属Mの硫化物の高い導電性と特異的三次元構造による電解液への高い接触表面積等によってもたらされ得る。 The excellent performance of the electrode catalyst of the present invention is due to the co-doping effect of the transition metal M and oxygen on the sulfide of Mo, the accompanying formation of reactive defect sites, and the high conductivity of the sulfide of the transition metal M. It can be brought about by a high contact surface area to the electrolyte due to the specific three-dimensional structure, and the like.
本発明の電極触媒は、各種電気分解の電極への使用に適しており、特に、水の電気分解用の電極として使用した場合、優れた水素発生効率をもたらすことができることから、水素発生用のカソードへの使用に適している。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The electrode catalyst of the present invention is suitable for use in various electrolysis electrodes, and in particular, when used as an electrode for water electrolysis, it can bring about excellent hydrogen generation efficiency. Suitable for cathode use.
本発明の電極触媒を製造する方法は特に限定されず、種々の製造方法を採用することができる。特に、後記する工程1及び工程2を含む製造方法によって、本発明の電極触媒を製造することができる。
The method for producing the electrode catalyst of the present invention is not particularly limited, and various production methods can be adopted. In particular, the electrode catalyst of the present invention can be produced by a production
(電極触媒の製造方法)
本発明の電極触媒の製造方法は、下記の第1工程及び第2工程を少なくとも備える。
第1工程;Mo以外の遷移金属Mを含有する化合物及び水系溶媒を含む第1の原料に電極基材を浸漬して加熱処理した後、前記電極基材を取り出して焼成することで遷移金属Mの酸化物が形成された電極基材を得る工程。
第2工程;前記遷移金属Mの酸化物が形成された電極基材を、Moを含有する化合物、硫黄を含有する化合物及び水系溶媒を含む第2の原料に浸漬して加熱処理をすることで、Moの硫化物及び前記遷移金属Mの硫化物を含む触媒が形成された電極基材を得る工程。
(Manufacturing method of electrode catalyst)
The method for producing an electrode catalyst of the present invention includes at least the following first step and second step.
First step: after the electrode base material is immersed in a first raw material containing a compound containing a transition metal M other than Mo and an aqueous solvent and subjected to heat treatment, the electrode base material is taken out and sintered to remove the transition metal M A step of obtaining an electrode substrate on which an oxide of is formed.
Second step: the electrode substrate on which the oxide of the transition metal M is formed is immersed in a second raw material containing a compound containing Mo, a compound containing sulfur, and an aqueous solvent and subjected to heat treatment. , a step of obtaining an electrode substrate on which a catalyst containing a sulfide of Mo and the sulfide of the transition metal M is formed.
第1工程では、遷移金属Mを含有する化合物及び水系溶媒を含む第1の原料を容器内に収容し、この第1の原料に電極基材を浸漬して加熱処理する。この加熱処理後、容器から前記電極基材を取り出し、さらに焼成して遷移金属Mの酸化物が形成された電極基材を得る。従って、第1工程は、電極基材上に遷移金属Mの酸化物を形成するための工程である。 In the first step, a first raw material containing a compound containing a transition metal M and an aqueous solvent is placed in a container, and an electrode substrate is immersed in the first raw material and heat-treated. After this heat treatment, the electrode base material is taken out from the container and fired to obtain an electrode base material on which the oxide of the transition metal M is formed. Therefore, the first step is a step for forming an oxide of the transition metal M on the electrode substrate.
第1工程において、遷移金属Mは、前記同様、Mo以外である。電極触媒を製造しやすく、水素発生効率及び耐久性が特に向上しやすいという観点から、遷移金属Mは、Co、Fe、Ni、Cu、W及びMnからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、Co、Fe及びNiからなる群より選ばれる少なくとも1種であることがさらに好ましく、Coであることが特に好ましい。 In the first step, the transition metal M is other than Mo as described above. The transition metal M is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Cu, W, and Mn from the viewpoint that the electrode catalyst is easily produced and the hydrogen generation efficiency and durability are particularly easily improved. is preferred, at least one selected from the group consisting of Co, Fe and Ni is more preferred, and Co is particularly preferred.
第1工程において、遷移金属Mを含有する化合物の種類は特に限定されない。例えば、遷移金属Mを含む化合物としては、遷移金属Mの無機酸塩、遷移金属Mの有機酸塩、遷移金属Mの水酸化物及び遷移金属Mのハロゲン化物等を広く使用することができる。 1st process WHEREIN: The kind of compound containing the transition metal M is not specifically limited. For example, as the compound containing the transition metal M, an inorganic acid salt of the transition metal M, an organic acid salt of the transition metal M, a hydroxide of the transition metal M, a halide of the transition metal M, and the like can be widely used.
遷移金属Mの無機酸塩としては、公知の化合物を広く採用することができ、例えば、遷移金属Mの硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。 As the inorganic acid salt of the transition metal M, a wide range of known compounds can be employed. 1 or more selected from the group consisting of and the like.
遷移金属Mの有機酸塩としては、公知の化合物を広く採用することができ、例えば、遷移金属Mの酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩、コハク酸塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。 As the organic acid salt of the transition metal M, a wide range of known compounds can be employed. For example, one or more selected from the group consisting of transition metal M acetate, oxalate, formate, succinate, etc. can be mentioned.
遷移金属Mを含有する化合物は、水系溶媒に溶解して溶液を形成しやすいという観点から、遷移金属Mの硝酸塩又は塩酸塩であることが好ましい。遷移金属Mを含有する化合物は水和物であってもよい。 The compound containing the transition metal M is preferably a nitrate or hydrochloride of the transition metal M from the viewpoint of being easily dissolved in an aqueous solvent to form a solution. The compound containing transition metal M may be a hydrate.
第1工程で使用する遷移金属Mを含有する化合物は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。遷移金属Mを含む化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販の遷移金属Mを含有する化合物を使用することもできる。 The compounds containing the transition metal M used in the first step may be used singly or in combination of two or more. The compound containing transition metal M can be obtained by a known production method, or a commercially available compound containing transition metal M can be used.
第1工程で使用する水系溶媒は、水、あるいは、水と低級アルコール(例えば、メタノール、エタノール等の炭素数1~4のアルコール)との混合物を使用することができ、特に好ましくは水である。水は、蒸留水、水道水、工業用水、イオン交換水、脱イオン水、純水、電解水などの各種の水を用いることができる。水系溶媒は、本発明の効果が阻害されない限り、pH調整剤、粘度調整剤、防かび剤等を含有していてもよい。 The aqueous solvent used in the first step can be water, or a mixture of water and a lower alcohol (e.g., an alcohol having 1 to 4 carbon atoms such as methanol and ethanol), particularly preferably water. . Various types of water such as distilled water, tap water, industrial water, ion-exchanged water, deionized water, pure water, and electrolyzed water can be used as the water. The aqueous solvent may contain pH adjusters, viscosity adjusters, fungicides and the like as long as the effects of the present invention are not impaired.
第1工程で使用する第1の原料は、前記遷移金属Mを含有する化合物及び前記水系溶媒を含む。例えば、第1の原料は、前記遷移金属Mが前記水系溶媒に溶解した溶液である。 The first raw material used in the first step contains the compound containing the transition metal M and the aqueous solvent. For example, the first raw material is a solution of the transition metal M dissolved in the aqueous solvent.
第1の原料において、遷移金属Mを含有する化合物の濃度は特に限定されない。例えば、第1の原料において、水系溶媒100mLあたり、遷移金属Mを含有する化合物が1~100mmol含まれることが好ましい。この場合、構造が安定な遷移金属Mの酸化物を容易に形成することができる。 The concentration of the compound containing the transition metal M in the first raw material is not particularly limited. For example, the first raw material preferably contains 1 to 100 mmol of the compound containing the transition metal M per 100 mL of the aqueous solvent. In this case, an oxide of the transition metal M having a stable structure can be easily formed.
第1工程で使用する第1の原料は、前記遷移金属Mを含有する化合物及び前記水系溶媒を含む他、他の添加剤を含むこともできる。他の添加剤としては、例えば、pH調整剤を挙げることができる。pH調整剤としては、尿素(CO(NH2)2)、NH4F、水酸化アンモニウム等を挙げることができる。pH調整剤は1種のみ又は2種以上を組み合わせて使用することができる。 The first raw material used in the first step contains the compound containing the transition metal M and the aqueous solvent, and may also contain other additives. Other additives include, for example, pH adjusters. Examples of pH adjusters include urea (CO(NH 2 ) 2 ), NH 4 F, ammonium hydroxide, and the like. A pH adjuster can be used only 1 type or in combination of 2 or more types.
第1工程で使用する第1の原料が尿素を含む場合、水系溶媒100mLあたり、尿素が10~50mmol溶解していることが好ましい。この場合、第1の原料がアルカリ領域のpHを有しやすく、これにより第1工程で形成される遷移金属Mの酸化物が所望の形状に形成されやすくなる。 When the first raw material used in the first step contains urea, it is preferable that 10 to 50 mmol of urea be dissolved in 100 mL of the aqueous solvent. In this case, the first raw material tends to have a pH in the alkaline region, thereby facilitating the formation of the oxide of the transition metal M in the desired shape in the first step.
第1工程で使用する第1の原料がNH4Fを含む場合、水系溶媒100mLあたり、NH4Fが10~50mmol溶解していることが好ましい。この場合、第1の原料がアルカリ領域のpHを有しやすく、これにより第1工程で形成される遷移金属Mの酸化物が所望の形状に形成されやすくなる。 When the first raw material used in the first step contains NH 4 F, 10 to 50 mmol of NH 4 F are preferably dissolved in 100 mL of the aqueous solvent. In this case, the first raw material tends to have a pH in the alkaline region, thereby facilitating the formation of the oxide of the transition metal M in the desired shape in the first step.
第1の原料は、遷移金属Mを含む化合物、pH調整剤及び水系溶媒のみからなるものであってもよい。 The first raw material may consist of only the compound containing the transition metal M, the pH adjuster and the aqueous solvent.
第1の原料に電極基材を浸漬する方法は特に限定されず、通常は、電極基材の全体が第1の原料に浸されるように行うことができる。電極基材の浸漬は、例えば、後記する水熱合成が可能な容器内で行うことができる。このような容器として、耐圧式のオートクレーブを挙げることができる。オートクレーブの内面は、例えば、テフロン(登録商標)等のフッ素樹脂でコーティングすることができる。 The method of immersing the electrode base material in the first raw material is not particularly limited, and usually the whole electrode base material can be immersed in the first raw material. The immersion of the electrode base material can be performed, for example, in a vessel capable of hydrothermal synthesis, which will be described later. As such a container, a pressure-resistant autoclave can be mentioned. The inner surface of the autoclave can be coated, for example, with a fluororesin such as Teflon (registered trademark).
電極基材を第1の原料に浸漬する前にあらかじめ電極基材を洗浄処理することもできる。洗浄処理の方法は特に限定されず、公知の方法を広く採用することができる。例えば、電極基材を硫酸等の無機酸で洗浄する方法が挙げられる。酸洗浄するにあたっては、超音波処理を組み合わせることもできる。酸洗浄後は、アルコール及び水等の溶媒でさらに洗浄してもよい。 The electrode base material can also be washed in advance before being immersed in the first raw material. The method of cleaning treatment is not particularly limited, and a wide range of known methods can be employed. For example, there is a method of washing the electrode base material with an inorganic acid such as sulfuric acid. Ultrasonic treatment can be combined with acid cleaning. After acid washing, it may be further washed with a solvent such as alcohol and water.
本発明の製造方法において、電極基材の種類は特に限定されず、前述の電極触媒で使用する電極基材と同様である。 In the production method of the present invention, the type of electrode substrate is not particularly limited, and is the same as the electrode substrate used in the electrode catalyst described above.
第1工程では、電極基材を第1の原料に浸漬した状態で加熱処理を行う。第1工程の加熱処理としては、水熱合成法を挙げることができる。ここでいう水熱合成法は、電極基材を第1の原料に浸漬した状態で容器を密閉し、該容器内を加熱する方法である。この水熱合成により、電極基材上に遷移金属Mの水酸化物が形成され得る。 In the first step, heat treatment is performed while the electrode base material is immersed in the first raw material. A hydrothermal synthesis method can be mentioned as the heat treatment in the first step. The hydrothermal synthesis method referred to here is a method in which a container is sealed while the electrode base material is immersed in the first raw material, and the inside of the container is heated. This hydrothermal synthesis can form a hydroxide of the transition metal M on the electrode substrate.
水熱合成における容器内の温度は、遷移金属Mの水酸化物が形成される条件である限りは特に制限されず、例えば、110~200℃とすることができる。この温度にて容器を保持する時間も特に限定されず、例えば、8~24時間とすることができる。水熱合成における容器内の圧力も適宜設定することができる。 The temperature inside the vessel in the hydrothermal synthesis is not particularly limited as long as the conditions are such that the hydroxide of the transition metal M is formed. The time for which the container is held at this temperature is also not particularly limited, and can be, for example, 8 to 24 hours. The pressure inside the vessel in the hydrothermal synthesis can also be set appropriately.
水熱合成において、第1の原料はアルカリ領域であることが好ましく、例えば、pHが7~14であることが好ましく、8~10であることがより好ましく、9程度であることが特に好ましい。この場合、水熱合成において、水酸化物がより形成しやすくなり、また、最終的に第1工程で形成される酸化物を所望の形状に制御しやすい。 In hydrothermal synthesis, the first raw material is preferably in the alkaline region, for example, preferably has a pH of 7 to 14, more preferably 8 to 10, and particularly preferably about 9. In this case, in hydrothermal synthesis, it becomes easier to form a hydroxide, and it is easier to control the shape of the oxide finally formed in the first step into a desired shape.
第1工程において、加熱処理(水熱合成)の後は、容器から電極基材を取り出して焼成を行う。 In the first step, after the heat treatment (hydrothermal synthesis), the electrode base material is taken out from the container and baked.
第1工程において、焼成の方法は特に限定されず、例えば、公知の焼成方法を広く採用することができる。 In the first step, the firing method is not particularly limited, and for example, a wide range of known firing methods can be employed.
焼成温度は、例えば、300~400℃とすることができ、340~380℃とすることが好ましい。焼成時間は、焼成温度によって適宜選択すればよく、例えば、1.5~5時間とすることができる。第1工程において、焼成を行う際の昇温速度も特に限定されず、所望の酸化物が形成される程度に適宜設定することができる。 The firing temperature can be, for example, 300 to 400.degree. C., preferably 340 to 380.degree. The firing time may be appropriately selected depending on the firing temperature, and may be, for example, 1.5 to 5 hours. In the first step, the rate of temperature increase during firing is not particularly limited, and can be appropriately set to the extent that a desired oxide is formed.
焼成は、空気中及び不活性ガス雰囲気中のいずれで行ってもよい。好ましくは、空気中で焼成を行うことである。焼成は、例えば、市販の加熱炉等の公知の加熱装置を使用することができる。 Firing may be performed in air or in an inert gas atmosphere. Preferably, the firing is carried out in air. For calcination, for example, a known heating device such as a commercially available heating furnace can be used.
上記焼成によって、電極基材上の水酸化物が酸化物へと変化し、遷移金属Mの酸化物(例えば、酸化コバルト)で修飾された電極基材を得ることができる。 By the firing, the hydroxide on the electrode base material changes to an oxide, and an electrode base material modified with an oxide of the transition metal M (for example, cobalt oxide) can be obtained.
第2工程では、第1工程で得た遷移金属Mの酸化物が形成された電極基材を、Moを含有する化合物、硫黄を含有する化合物及び水系溶媒を含む第2の原料に浸漬して加熱処理をする。これにより、Moの硫化物及び前記遷移金属Mの硫化物を含む触媒が形成された電極基材が得られる。従って、第2工程は、Moの硫化物及び前記遷移金属Mの硫化物を含む触媒を形成するための工程である。 In the second step, the electrode substrate on which the oxide of the transition metal M obtained in the first step is formed is immersed in a second raw material containing a compound containing Mo, a compound containing sulfur, and an aqueous solvent. Heat treatment. As a result, an electrode substrate on which a catalyst containing the sulfide of Mo and the sulfide of the transition metal M is formed is obtained. Accordingly, the second step is a step for forming a catalyst comprising Mo sulfide and said transition metal M sulfide.
第2工程において、Moを含有する化合物の種類は特に限定されない。例えば、Moを含有する化合物としては、モリブデン酸の金属塩、Moの無機酸塩、Moの有機酸塩、遷Moの水酸化物及びMoのハロゲン化物等を広く使用することができる。 2nd process WHEREIN: The kind of compound containing Mo is not specifically limited. For example, as a compound containing Mo, a metal salt of molybdic acid, an inorganic acid salt of Mo, an organic acid salt of Mo, a hydroxide of Mo, a halide of Mo, and the like can be widely used.
モリブデン酸の金属塩としては、モリブデン酸のアルカリ金属及びアンモニウム塩等を挙げることができる。より具体的には、モリブデン酸の金属塩として、モリブデン酸ナトリウム(Na2MoO4)、モリブデン酸カリウム(K2MoO4)、モリブデン酸アンモニア((NH4)2MoO4)を挙げることができる。 Examples of metal salts of molybdic acid include alkali metal and ammonium salts of molybdic acid. More specifically, metal salts of molybdate include sodium molybdate (Na 2 MoO 4 ), potassium molybdate (K 2 MoO 4 ), and ammonium molybdate ((NH 4 ) 2 MoO 4 ). .
Moの無機酸塩としては、公知の化合物を広く採用することができ、例えば、Moの硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。 As the inorganic acid salt of Mo, a wide range of known compounds can be employed, for example, the group consisting of nitrates, hydrochlorides, sulfates, carbonates, hydrogencarbonates, phosphates and hydrogenphosphates of Mo. One or more selected from can be mentioned.
Moの有機酸塩としては、公知の化合物を広く採用することができ、例えば、Moの酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩、コハク酸塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。 As the organic acid salt of Mo, a wide range of known compounds can be employed, for example, one or more selected from the group consisting of Mo acetate, oxalate, formate, succinate, etc. can.
Moを含有する化合物としては、水系溶媒に溶解して溶液を形成しやすいという観点から、モリブデン酸の金属塩、Moの硝酸塩又は塩酸塩であることが好ましい。Moを含有する化合物は水和物であってもよい。 The compound containing Mo is preferably a metal salt of molybdic acid, or a nitrate or hydrochloride of Mo from the viewpoint of being easily dissolved in an aqueous solvent to form a solution. A compound containing Mo may be a hydrate.
第1工程で使用するMoを含有する化合物は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。Moを含有する化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販のMoを含有する化合物を含有する化合物を使用することもできる。 The Mo-containing compounds used in the first step may be used singly or in combination of two or more. The compound containing Mo can be obtained by a known production method, or a commercially available compound containing Mo can also be used.
硫黄を含有する化合物は特に限定されず、Mo及び遷移金属Mの硫化物を形成することができる限りは、その種類は限定されない。例えば、硫黄を含有する化合物は、硫黄の単体でもよいし、あるいは、硫黄を含む無機化合物及び有機化合物のいずれでもよい。Mo及び遷移金属Mの硫化物を形成させやすいという点で、硫黄を含有する化合物は、硫黄を含む有機化合物であることが好ましい。 The sulfur-containing compound is not particularly limited, and its kind is not limited as long as it can form a sulfide of Mo and transition metal M. For example, the sulfur-containing compound may be sulfur alone, or may be either an inorganic compound or an organic compound containing sulfur. The sulfur-containing compound is preferably an organic compound containing sulfur in that sulfides of Mo and transition metal M are easily formed.
硫黄を含有する化合物は、具体的にチオアセトアミド(C2H5NS)、チオ尿素(CH4N2S)、硫黄等を挙げることができる。 Specific examples of sulfur-containing compounds include thioacetamide (C 2 H 5 NS), thiourea (CH 4 N 2 S), sulfur and the like.
第2工程で使用する硫黄を含有する化合物は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。 The sulfur-containing compounds used in the second step may be used singly or in combination of two or more.
第2工程で使用する水系溶媒は、水、あるいは、水と低級アルコール(例えば、メタノール、エタノール等の炭素数1~4のアルコール)との混合物を使用することができ、特に好ましくは水である。水は、蒸留水、水道水、工業用水、イオン交換水、脱イオン水、純水、電解水などの各種の水を用いることができる。水系溶媒は、本発明の効果が阻害されない限り、pH調整剤、粘度調整剤、防かび剤等を含有していてもよい。 The aqueous solvent used in the second step can be water, or a mixture of water and a lower alcohol (e.g., alcohol having 1 to 4 carbon atoms such as methanol and ethanol), particularly preferably water. . Various types of water such as distilled water, tap water, industrial water, ion-exchanged water, deionized water, pure water, and electrolyzed water can be used as the water. The aqueous solvent may contain pH adjusters, viscosity adjusters, fungicides and the like as long as the effects of the present invention are not impaired.
第2工程で使用する第2の原料は、Moを含有する化合物、硫黄を含有する化合物及び前記水系溶媒を含む。例えば、第2の原料は、Moを含有する化合物が前記水系溶媒に溶解した溶液である。 The second raw material used in the second step includes a Mo-containing compound, a sulfur-containing compound, and the aqueous solvent. For example, the second raw material is a solution of a Mo-containing compound dissolved in the aqueous solvent.
第2の原料において、Moを含有する化合物の濃度は特に限定されない。例えば、第2の原料において、水系溶媒100mLあたり、Moを含有する化合物が1~100mmol含まれることが好ましい。この場合、構造が安定なMoの硫化物を容易に形成することができる。 The concentration of the Mo-containing compound in the second raw material is not particularly limited. For example, the second raw material preferably contains 1 to 100 mmol of the compound containing Mo per 100 mL of the aqueous solvent. In this case, a sulfide of Mo having a stable structure can be easily formed.
第2の原料において、硫黄を含有する化合物の濃度は特に限定されない。例えば、第2の原料において、水系溶媒100mLあたり、硫黄を含有する化合物が1~100mmol含まれることが好ましい。この場合、構造が安定なMoの硫化物を容易に形成することができる。 The concentration of the sulfur-containing compound in the second raw material is not particularly limited. For example, the second raw material preferably contains 1 to 100 mmol of the sulfur-containing compound per 100 mL of the aqueous solvent. In this case, a sulfide of Mo having a stable structure can be easily formed.
第2の原料において、Moを含有する化合物と硫黄を含有する化合物との含有割合は特に限定されない。例えば、1モルのMoに対して、硫黄原子が1~10モル含まれるように、Moを含有する化合物と硫黄を含有する化合物との含有割合を調節することができる。より好ましくは、1モルのMoに対して、硫黄原子が2~8モル含まれるように、Moを含有する化合物と硫黄を含有する化合物との含有割合を調節することである。特に好ましくは、1モルのMoに対して、硫黄原子が3~4モル含まれるように、Moを含有する化合物と硫黄を含有する化合物との含有割合を調節することである。 In the second raw material, the content ratio of the compound containing Mo and the compound containing sulfur is not particularly limited. For example, the content ratio of the compound containing Mo and the compound containing sulfur can be adjusted so that 1 to 10 moles of sulfur atoms are contained per 1 mole of Mo. More preferably, the content ratio of the Mo-containing compound and the sulfur-containing compound is adjusted so that 2 to 8 mol of sulfur atoms are contained per 1 mol of Mo. Particularly preferably, the content ratio of the Mo-containing compound and the sulfur-containing compound is adjusted so that 3 to 4 mol of sulfur atoms are contained per 1 mol of Mo.
第2工程で使用する第2の原料は、Moを含有する化合物、硫黄を含有する化合物及び前記水系溶媒を含む他、他の添加剤を含むこともできる。 The second raw material used in the second step contains the Mo-containing compound, the sulfur-containing compound and the aqueous solvent, and may also contain other additives.
第2の原料は、Moを含有する化合物、硫黄を含有する化合物及び水系溶媒のみからなるものであってもよい。 The second raw material may consist of only the compound containing Mo, the compound containing sulfur, and the aqueous solvent.
第2の原料に、第1工程で得た電極基材を浸漬する方法は特に限定されず、通常は、電極基材の全体が第2の原料に浸されるように行うことができる。第2工程において、電極基材の浸漬は、例えば、第1工程で使用した容器と同種類の容器内で行うことができる。 The method of immersing the electrode base material obtained in the first step in the second raw material is not particularly limited, and usually the whole electrode base material can be immersed in the second raw material. In the second step, the electrode base material can be immersed in, for example, the same type of container as used in the first step.
第2工程では、電極基材を第2の原料に浸漬した状態で加熱処理を行う。第2工程の加熱処理としては、第1工程同様、水熱合成法を挙げることができる。水熱合成法は、第1工程と同様の手順で行うことができる。 In the second step, heat treatment is performed while the electrode base material is immersed in the second raw material. As the heat treatment in the second step, a hydrothermal synthesis method can be mentioned as in the first step. The hydrothermal synthesis method can be performed in the same procedure as in the first step.
第2工程において、水熱合成における容器内の温度は、所望の硫化物が形成される条件である限りは特に制限されず、例えば、120~250℃とすることができる。この温度にて容器を保持する時間も特に限定されず、例えば、8~24時間とすることができる。水熱合成における容器内の圧力も適宜設定することができる。 In the second step, the temperature inside the vessel in the hydrothermal synthesis is not particularly limited as long as the desired sulfide is formed, and can be, for example, 120 to 250°C. The time for which the container is held at this temperature is also not particularly limited, and can be, for example, 8 to 24 hours. The pressure inside the vessel in the hydrothermal synthesis can also be set appropriately.
第2工程での加熱処理によって、第2の原料中のMo及びSイオンは遷移金属Mの酸化物と反応し、まず遷移金属Mの硫化物を形成する。この遷移金属Mの硫化物は、ナノワイヤを形成し得る。このように形成された遷移金属Mの硫化物は、Moの硫化物のナノシートの成長を誘導する構造的バックボーンとしての役割を果たし得る。 By the heat treatment in the second step, Mo and S ions in the second raw material react with the oxide of the transition metal M to form a sulfide of the transition metal M first. This transition metal M sulfide can form nanowires. The transition metal M sulfide thus formed can serve as a structural backbone to guide the growth of Mo sulfide nanosheets.
第2工程において、加熱処理(水熱合成)の後は、容器内を冷却して電極基材を取り出すことができる。この加熱処理により、電極基材には、Moの硫化物及び遷移金属の硫化物を含む触媒が形成されており、電極触媒として得られる。得られた電極触媒は、必要に応じて、水及びエタノール等で洗浄して乾燥する。この乾燥は、例えば、真空乾燥を採用することができる。 In the second step, after the heat treatment (hydrothermal synthesis), the inside of the container can be cooled and the electrode substrate can be taken out. By this heat treatment, a catalyst containing Mo sulfide and transition metal sulfide is formed on the electrode base material, and is obtained as an electrode catalyst. The obtained electrode catalyst is washed with water, ethanol, etc., and dried, if necessary. Vacuum drying, for example, can be employed for this drying.
本発明の製造方法において、Moの硫化物と遷移金属Mの硫化物の生成量の調節は、例えば、第2工程においてMoを含む化合物の使用量を調節することで行うことができる。 In the production method of the present invention, the amount of Mo sulfide and transition metal M sulfide produced can be adjusted, for example, by adjusting the amount of the compound containing Mo used in the second step.
本発明の製造方法によれば、得られる電極触媒は、Moの硫化物と、Mo以外の遷移金属Mの硫化物とを含む触媒が電極基材に形成されている。このため、本発明の製造方法で得られる電極触媒は、幅広いpH領域(pH0~14)で水素を効率よく発生させることができ、しかも、耐久性にも優れる電極触媒を簡便に製造することができる。
According to the production method of the present invention, the obtained electrode catalyst contains a sulfide of Mo and a sulfide of a transition metal M other than Mo and is formed on the electrode substrate. Therefore, the electrode catalyst obtained by the production method of the present invention can efficiently generate hydrogen in a wide pH range (
(水素の製造方法)
本発明の水素の製造方法は、前述の本発明の電極触媒を使用して電解処理を行う工程を含む。あるいは、本発明の水素の製造方法は、前述の本発明の電極触媒の製造方法で得られた電極触媒を使用して電解処理を行う工程を含む。
(Method for producing hydrogen)
The method for producing hydrogen of the present invention includes the step of performing electrolytic treatment using the electrode catalyst of the present invention. Alternatively, the method for producing hydrogen of the present invention includes a step of performing electrolytic treatment using the electrode catalyst obtained by the above-described method for producing an electrode catalyst of the present invention.
本発明の水素の製造方法は、電極触媒を、例えば、カソードとして使用することができる。 The method for producing hydrogen of the present invention can use an electrode catalyst, for example, as a cathode.
一方、本発明の水素の製造方法において、アノードとしては、一般に水の電気分解においてアノードとして用いられる電極を使用することができる。例えば、炭素、白金、金などの貴金属などを素材とする電極をカソードとして用いることができる。 On the other hand, in the method for producing hydrogen of the present invention, an electrode that is generally used as an anode in the electrolysis of water can be used as the anode. For example, electrodes made of noble metals such as carbon, platinum, and gold can be used as cathodes.
本発明の水素の製造方法において、電気分解で使用する水溶液としては、一般に水の電気分解において用いられる成分を含む水溶液を使用することができる。水溶液は、ヨウ素、臭素などのハロゲン、硫酸イオンなどを含むこともできる。なお、ヨウ素を含む水溶液を用いる場合、アノードにおいてヨウ素酸イオンが生成される。 In the method for producing hydrogen of the present invention, the aqueous solution used in electrolysis may be an aqueous solution containing components generally used in electrolysis of water. The aqueous solution may also contain halogens such as iodine, bromine, sulfate ions, and the like. When using an aqueous solution containing iodine, iodate ions are generated at the anode.
特に本発明の水素の製造方法で使用する電極触媒は、前述のように幅広いpHで使用しても優れた水素発生効率をもたらすことができることから、種々のpHの水溶液を使用することができる。例えば、アルカリ領域では、KOH,NaOH等の水溶液を使用することができ、酸性領域では、塩酸、硫酸等の水溶液を使用することができ、中性領域では、PBS(リン酸緩衝生理食塩水)等を使用することができる。 In particular, the electrode catalyst used in the hydrogen production method of the present invention can provide excellent hydrogen generation efficiency even when used over a wide range of pHs as described above, so aqueous solutions with various pHs can be used. For example, aqueous solutions such as KOH and NaOH can be used in the alkaline region, aqueous solutions such as hydrochloric acid and sulfuric acid can be used in the acidic region, and PBS (phosphate buffered saline) can be used in the neutral region. etc. can be used.
水素の製造方法の具体的な例を挙げると、本発明の電極触媒をカソード、白金板をアノードとし、KOH、H2SO4又はPBS水溶液を電解液として、電圧を印加する。これにより、カソードにおいて水素を生成させることができる。また、印加電圧を増加させることにより、水素の生成速度を上昇させることができる。 To give a specific example of the method for producing hydrogen, the electrode catalyst of the present invention is used as a cathode, a platinum plate is used as an anode, and KOH, H 2 SO 4 or a PBS aqueous solution is used as an electrolyte, and a voltage is applied. This allows hydrogen to be produced at the cathode. Also, by increasing the applied voltage, the rate of hydrogen generation can be increased.
水素の製造方法により製造された水素は、燃料電池や水素エンジンなどの燃料として好ましく使用することができる。 Hydrogen produced by the method for producing hydrogen can be preferably used as fuel for fuel cells, hydrogen engines, and the like.
本発明の水素の製造方法では、前記電極触媒を電極として使用することから、過電圧の上昇が起こりにくく、水素を効率よく製造することができ、また、電極触媒の耐久性に優れることから、繰り返し使用しても性能の低下が起こりにくい。 In the method for producing hydrogen of the present invention, since the electrode catalyst is used as an electrode, an increase in overvoltage is unlikely to occur, hydrogen can be produced efficiently, and the durability of the electrode catalyst is excellent. Even if you use it, the performance is unlikely to deteriorate.
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の態様に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the embodiments of these examples.
(実施例1)
50mL容量のテフロン(登録商標)内張りステンレスオートクレーブに2mmolのCo(NO3)2・6H2Oと、8mmolのNH4Fと、10mmolのCO(NH2)2と、36mLの脱イオン水とを加え、30分間激しく攪拌しながら溶解させて、第1の原料を得た。次いで、オートクレーブ内の第1の原料に、2.0cm×2.0cmの大きさのカーボンペーパー(以下、「CP」略記する)を浸漬した。なお、CPは事前に硫酸、エタノール及び水の順にそれぞれ20分間超音波洗浄を行った。そのオートクレーブをシールして密閉状態にした後、該オートクレーブを電気オーブン内にて120℃で12時間保持して、水熱合成を行った。これにより、CP上にCo(OH)2ナノワイヤを担持した。その後、オートクレーブを室温まで冷却した後、電極基材を取り出し、これを大気中350℃で2時間焼成し、Co(OH)2をCo3O4に変化させてCP上にCo3O4を形成させた。以下、これを「Co3O4/CP」と表記した。
(Example 1)
A Teflon-lined stainless steel autoclave with a capacity of 50 mL was charged with 2 mmol of Co(NO 3 ) 2.6H 2 O, 8 mmol of NH 4 F, 10 mmol of CO(NH 2 ) 2 and 36 mL of deionized water. It was added and dissolved with vigorous stirring for 30 minutes to obtain the first raw material. Next, carbon paper (hereinafter abbreviated as “CP”) having a size of 2.0 cm×2.0 cm was immersed in the first raw material in the autoclave. In addition, the CP was ultrasonically cleaned in advance with sulfuric acid, ethanol, and water in this order for 20 minutes each. After the autoclave was sealed and hermetically sealed, the autoclave was held in an electric oven at 120° C. for 12 hours to carry out hydrothermal synthesis. This supported Co(OH) 2 nanowires on the CP. Then, after cooling the autoclave to room temperature, the electrode substrate was taken out and fired in the atmosphere at 350° C. for 2 hours to change Co(OH) 2 to Co 3 O 4 to form Co 3 O 4 on the CP. formed. Hereinafter, this is described as "Co 3 O 4 /CP".
次いで、50mL容量のテフロン(登録商標)内張りステンレスオートクレーブに、1.0mmolのNa2MoO4・2H2Oと、4.0mmolのC2H5NSと、30mLの脱イオン水とを加え、30分間激しく攪拌しながら溶解させて、第2の原料を得た。この第2の原料に、前記Co3O4/CPを浸漬した。オートクレーブをシールして密閉状態にした後、このオートクレーブを電気オーブン内にて200℃で18時間保持して、水熱合成を行った。これにより、CP上のCo3O4を硫化物(CoS2)に変化させると共に、CoS2上にMoS2を形成させた。得られた電極触媒を「MoS2/CoS2/CP電極」と表記した。得られたMoS2/CoS2/CP電極を水及び無水エタノールで数回洗浄した後、真空下、60℃で乾燥させて、電極触媒を得た。 Then, 1.0 mmol of Na 2 MoO 4.2H 2 O, 4.0 mmol of C 2 H 5 NS, and 30 mL of deionized water were added to a 50 mL Teflon-lined stainless steel autoclave. A second raw material was obtained by dissolving with vigorous stirring for a minute. The Co 3 O 4 /CP was immersed in this second raw material. After the autoclave was sealed and hermetically sealed, the autoclave was held in an electric oven at 200° C. for 18 hours to carry out hydrothermal synthesis. As a result, Co 3 O 4 on CP was changed to sulfide (CoS 2 ) and MoS 2 was formed on CoS 2 . The obtained electrode catalyst was described as "MoS 2 /CoS 2 /CP electrode". The obtained MoS 2 /CoS 2 /CP electrode was washed several times with water and absolute ethanol, and then dried under vacuum at 60° C. to obtain an electrode catalyst.
(実施例2)
C2H5NSの使用量を2.0mmolに変更したこと以外は実施例1と同様の方法でMoS2/CoS2/CP電極を得た。
(Example 2)
A MoS 2 /CoS 2 /CP electrode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of C 2 H 5 NS used was changed to 2.0 mmol.
(実施例3)
C2H5NSの使用量を6.0mmolに変更したこと以外は実施例1と同様の方法でMoS2/CoS2/CP電極を得た。
(Example 3)
A MoS 2 /CoS 2 /CP electrode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of C 2 H 5 NS used was changed to 6.0 mmol.
(比較例1)
50mL容量のテフロン(登録商標)内張りステンレスオートクレーブに、4.0mmolのC2H5NSと、36mLの脱イオン水とを加えて溶液を調製し、この溶液に、実施例1で使用した「Co3O4/CP」を浸漬させた。オートクレーブをシールして密閉状態にした後、このオートクレーブを電気オーブン内にて200℃で18時間保持して、水熱合成を行った。これにより、CP上のCo3O4をCoS2に変化させて電極を得た。この電極を「CoS2/CP電極」と表記した。
(Comparative example 1)
4.0 mmol of C 2 H 5 NS and 36 mL of deionized water were added to a 50 mL Teflon-lined stainless steel autoclave to prepare a solution. 3 O 4 /CP” was soaked. After the autoclave was sealed and hermetically sealed, the autoclave was held in an electric oven at 200° C. for 18 hours to carry out hydrothermal synthesis. As a result, Co 3 O 4 on CP was changed to CoS 2 to obtain an electrode. This electrode was described as "CoS 2 /CP electrode".
(比較例2)
50mL容量のテフロン(登録商標)内張りステンレスオートクレーブに、1.0mmolのNa2MoO4・2H2Oと、4.0mmolのC2H5NSと、30mLの脱イオン水とを加え、30分間激しく攪拌しながら溶液を得た。次いで、この溶液に2.0cm×2.0cmの大きさのCPを浸漬した。なお、CPは事前に硫酸、エタノール及び水の順にそれぞれ20分間超音波洗浄を行った。オートクレーブをシールして密閉状態にした後、このオートクレーブを電気オーブン内にて200℃で18時間保持して、水熱合成を行った。これにより、CP上にMoS2を形成させた。得られた電極触媒を「MoS2/CP電極」と表記した。得られたMoS2/CP電極を水及び無水エタノールで数回洗浄した後、真空下、60℃で乾燥させた。
(Comparative example 2)
1.0 mmol of Na 2 MoO 4.2H 2 O, 4.0 mmol of C 2 H 5 NS, and 30 mL of deionized water were added to a 50 mL Teflon-lined stainless steel autoclave and vigorously stirred for 30 minutes. A solution was obtained with stirring. Then, a CP with a size of 2.0 cm×2.0 cm was immersed in this solution. In addition, the CP was ultrasonically cleaned in advance with sulfuric acid, ethanol, and water in this order for 20 minutes each. After the autoclave was sealed and hermetically sealed, the autoclave was held in an electric oven at 200° C. for 18 hours to carry out hydrothermal synthesis. This caused the formation of MoS 2 on the CP. The obtained electrode catalyst was described as "MoS 2 /CP electrode". The obtained MoS 2 /CP electrode was washed several times with water and absolute ethanol, and then dried at 60° C. under vacuum.
(評価結果)
図1は、電極のSEM画像を示しており、aは実施例1の電極触媒を製造する工程で作製した「Co3O4/CP」電極、bは比較例1で得られたCoS2/CP電極、cは実施例1で得られたMoS2/CoS2/CP電極のSEM画像である。
(Evaluation results)
FIG. 1 shows SEM images of the electrodes, where a is the “Co 3 O 4 /CP” electrode produced in the process of manufacturing the electrode catalyst of Example 1, and b is the CoS 2 /CP electrode obtained in Comparative Example 1. CP electrode, c is an SEM image of the MoS 2 /CoS 2 /CP electrode obtained in Example 1;
図1から、実施例1で得られたMoS2/CoS2/CP電極は、電極基材(CP)上に、表面に針状突起を有する粒子形状である触媒が形成されていることがわかる。実施例1において、第2の原料中のMo及びSイオンは遷移金属Coの酸化物と反応し、まずCoの硫化物(CoS2)を形成していると考えられる。この遷移金属Mの硫化物は、ナノワイヤを形成し得る。このように形成されたCoS2は、Moの硫化物のナノシートの成長を誘導する構造的バックボーンとしての役割を果たしていると考えられ、実施例1において、CP上に形成された触媒はコアシェル構造を形成していると推察される。特に、コアであるCoS2ナノワイヤは、広い表面積と良好な導電性を示すものであり、このCoS2ナノワイヤ表面上にMoS2が形成されていると考えることができる。 From FIG. 1, it can be seen that the MoS 2 /CoS 2 /CP electrode obtained in Example 1 has a catalyst in the form of particles having acicular projections on the surface on the electrode substrate (CP). . In Example 1, it is believed that Mo and S ions in the second raw material react with oxides of the transition metal Co to first form Co sulfides (CoS 2 ). This transition metal M sulfide can form nanowires. The CoS thus formed is thought to serve as a structural backbone that guides the growth of Mo sulfide nanosheets, and in Example 1, the catalyst formed on CP has a core-shell structure. presumed to be formed. In particular, the core CoS2 nanowire exhibits a large surface area and good electrical conductivity, and it can be considered that MoS2 is formed on the surface of this CoS2 nanowire.
図2は、実施例1で得られた電極触媒における触媒(MoS2/CoS2)のX線回折(XRD)スペクトルを示す。また、図2には、比較として、Co3O4、CoS2、MoS2のX線回折スペクトルも示している。なお、X線回折測定には、Rigaku社製の「SmartLab」を使用した。 2 shows the X-ray diffraction (XRD) spectrum of the catalyst (MoS 2 /CoS 2 ) in the electrode catalyst obtained in Example 1. FIG. FIG. 2 also shows X-ray diffraction spectra of Co 3 O 4 , CoS 2 and MoS 2 for comparison. In addition, "SmartLab" manufactured by Rigaku was used for the X-ray diffraction measurement.
図2に示される標準CoS2パターン(JCPDS no.19‐0362)との比較より、実施例1で得られた電極触媒ではCoS2の(200)、(210)、(211)及び(311)面に対応する2θ=32.3、36.2、39.8および55.1°の4つの鋭いピークが明確に観測されていることがわかる。なお、実施例1で得られた電極触媒において、MoS2はCoS2に対して含有量が低いこと、あるいは積層厚が少ないことに起因してMoS2の回折ピークはわずかに認められる程度であった。 By comparison with the standard CoS 2 pattern (JCPDS no. 19-0362) shown in FIG . It can be seen that four sharp peaks at 2θ=32.3, 36.2, 39.8 and 55.1° corresponding to the plane are clearly observed. In addition, in the electrode catalyst obtained in Example 1, the diffraction peak of MoS 2 is only slightly recognized due to the fact that the content of MoS 2 is lower than that of CoS 2 , or the thickness of the lamination is small. rice field.
図3は、実施例1で得られた「MoS2/CoS2/CP電極」を陽極として使用したリニアスイープボルタンメトリー曲線を示し、(a)は電解液として0.5MH2SO4水溶液、(b)は電解液として1.0MPBS水溶液、(c)は電解液として1.0MKOH水溶液を使用した場合の結果である。また、図3には比較として、触媒を形成していないカーボンペーパー(図3中「CP」と表記)、比較例1で得た「CoS2/CP電極」、比較例2で得た電極触媒を「MoS2/CP電極」、前記「Co3O4/CP」電極、及び、従来品のカーボン/Pt電極(白金重量20%(図3中「20wt%Pt/C」と表記)を使用して同様の試験を行った結果を示している。リニアスイープボルタンメトリー曲線は、陰極として白金板、参照電極としてAg/AgCl電極を使用した水素発生(HER)試験により得た。リニアスイープボルタンメトリー曲線を得るための測定装置は、標準3電極セルと共に米国VersaSTAT4 ポテンションスタットガルバノスタット電気化学ワークステーションを用いた。
FIG. 3 shows linear sweep voltammetry curves using the “MoS 2 /CoS 2 /CP electrode” obtained in Example 1 as the anode, (a) 0.5MH 2 SO 4 aqueous solution as electrolyte, (b ) is the result when a 1.0M PBS aqueous solution is used as the electrolyte, and (c) is the result when a 1.0M KOH aqueous solution is used as the electrolyte. Also shown in FIG. 3 for comparison are carbon paper with no catalyst formed (denoted as “CP” in FIG. 3 ), the “CoS 2 /CP electrode” obtained in Comparative Example 1, and the electrode catalyst obtained in Comparative Example 2. The "MoS 2 /CP electrode", the "Co 3 O 4 /CP" electrode, and the conventional carbon / Pt electrode (
図3から、実施例1で得られた「MoS2/CoS2/CP電極」は、酸性、中性及びアルカリ性のいずれの水溶液中においても優れた水素発生効率を示すことがわかる。これは、MoS2へのCoおよびOの同時ドーピングによる相乗効果に起因するものと考えられ、構造欠陥の形成によってさらに新しい活性部位が生成するためであると推察される。 From FIG. 3, it can be seen that the "MoS 2 /CoS 2 /CP electrode" obtained in Example 1 exhibits excellent hydrogen generation efficiency in any of acidic, neutral and alkaline aqueous solutions. This is attributed to the synergistic effect of the co - doping of Co and O into MoS2, presumably due to the creation of additional new active sites through the formation of structural defects.
図4は、実施例1~3で得られた「MoS2/CoS2/CP電極」を陽極として使用したリニアスイープボルタンメトリー曲線を示し、(a)は電解液として0.5MH2SO4水溶液、(b)は電解液として1.0MKOHを使用した場合の結果である。このリニアスイープボルタンメトリー曲線は図3と同様の装置及び条件で行った。なお、図4において示すMoとSとの比(Mo:S)は、電極触媒の製造時に使用する第2の原料中のMoとSとのモル比を示している。従って、Mo:S=1:4は実施例1、Mo:S=1:2は実施例2、Mo:S=1:6は実施例3を表す。 FIG. 4 shows linear sweep voltammetry curves using the “MoS 2 /CoS 2 /CP electrodes” obtained in Examples 1 to 3 as anodes, (a) 0.5MH 2 SO 4 aqueous solution as electrolyte, (b) is the result when using 1.0M KOH as the electrolyte. This linear sweep voltammetry curve was obtained using the same equipment and conditions as in FIG. The ratio of Mo to S (Mo:S) shown in FIG. 4 indicates the molar ratio of Mo to S in the second raw material used for producing the electrode catalyst. Therefore, Mo:S=1:4 represents Example 1, Mo:S=1:2 represents Example 2, and Mo:S=1:6 represents Example 3.
図4から、MoとSとの比率によらず、実施例1~3で得られた電極触媒は、酸性及びアルカリ性のいずれの水溶液中においても優れた水素発生効率を示すことがわかる。 From FIG. 4, it can be seen that the electrode catalysts obtained in Examples 1 to 3 exhibit excellent hydrogen generation efficiency in both acidic and alkaline aqueous solutions, regardless of the ratio of Mo to S.
図5(a)は、実施例1で得られた「MoS2/CoS2/CP電極」を陽極として使用したリニアスイープボルタンメトリー曲線を示し、pH=0,7,14のそれぞれで試験を行ったときの結果を示している。なお、pH=0では0.5MH2SO4水溶液を、pH=7では1.0MPBSを、pH=14では1.0MKOH水溶液を使用した。また、図5(b)は、図5(a)に示すリニアスイープボルタンメトリー曲線から算出したターフェル勾配を示している。 FIG. 5(a) shows linear sweep voltammetry curves using the “MoS 2 /CoS 2 /CP electrode” obtained in Example 1 as an anode, and tests were conducted at pH=0, 7 and 14, respectively. It shows the results when A 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution was used at pH=0, a 1.0 MPBS solution was used at pH=7, and a 1.0 M KOH aqueous solution was used at pH=14. FIG. 5(b) shows the Tafel gradient calculated from the linear sweep voltammetry curve shown in FIG. 5(a).
図5の結果から、同一の電流密度(10mA/cm2)で比較すると、実施例1で得られた「MoS2/CoS2/CP電極」は、いずれも過電圧が低く、特に酸性水溶液中で最も低い過電圧を示すことがわかった(酸性水溶液:69mV、中性水溶液:145mV、アルカリ性水溶液:81mV)。 From the results of FIG. 5, when compared at the same current density (10 mA/cm 2 ), the “MoS 2 /CoS 2 /CP electrode” obtained in Example 1 all have low overvoltages, especially in an acidic aqueous solution. It was found to exhibit the lowest overvoltage (acidic aqueous solution: 69 mV, neutral aqueous solution: 145 mV, alkaline aqueous solution: 81 mV).
図6は、実施例1で得られた「MoS2/CoS2/CP電極」のサイクリックボルタンメトリー試験(CV試験)を3000サイクル行った後、この電極を陽極として使用したリニアスイープボルタンメトリー曲線を示し、(a)は電解液として0.5MH2SO4水溶液、(b)は電解液として1.0MPBS水溶液、(c)は電解液として1.0MKOH水溶液を使用した場合の結果である。図6には比較として、実施例1で得られた直後の「MoS2/CoS2/CP電極」を陽極として使用したリニアスイープボルタンメトリー曲線を示している。 FIG. 6 shows a linear sweep voltammetry curve using this electrode as an anode after performing a cyclic voltammetry test (CV test) of the "MoS 2 /CoS 2 /CP electrode" obtained in Example 1 for 3000 cycles. , (a) is a 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution as an electrolyte, (b) is a 1.0 MPBS aqueous solution as an electrolyte, and (c) is a 1.0 M KOH aqueous solution as an electrolyte. For comparison, FIG. 6 shows a linear sweep voltammetry curve using the “MoS 2 /CoS 2 /CP electrode” immediately after obtained in Example 1 as the anode.
また、図6(a)、(b)及び(c)のそれぞれには、実施例1で得られた電極を陽極に用いた場合の水の定電流電解の結果であって、電流密度が100mA/cm2及び10mA/cm2それぞれにおける電位-時間グラフを挿入図として示している。 6(a), (b) and (c) show the results of constant current electrolysis of water when the electrode obtained in Example 1 was used as the anode, and the current density was 100 mA. /cm 2 and 10 mA/cm 2 respectively are shown as insets.
なお、図6の測定において、CV測定は、標準3電極セルと共に米国VersaSTAT4 ポテンションスタットガルバノスタット電気化学ワークステーションを用いて行った。CV試験の条件は下記の通りとした。
・0.5MH2SO4水溶液の場合:0.05~-0.3V(vs.RHE)
・1.0MKOH水溶液の場合:0.6~-0.6V(vs.RHE)
・1.0MPBS水溶液の場合:0.05~-0.3V(vs.RHE)
・スキャン速度:50mV/s
Note that in the measurements of FIG. 6, CV measurements were performed using a US VersaSTAT4 potentiostat-galvanostat electrochemical workstation with a standard 3-electrode cell. The conditions of the CV test were as follows.
・For 0.5MH 2 SO 4 aqueous solution: 0.05 to -0.3 V (vs.RHE)
・For 1.0 M KOH aqueous solution: 0.6 to -0.6 V (vs. RHE)
・For 1.0 MPBS aqueous solution: 0.05 to -0.3 V (vs. RHE)
・Scan speed: 50mV/s
図6から、実施例1で得られた「MoS2/CoS2/CP電極」は、3000サイクルのCV試験後においても初期(CV試験前)と同様の電極性能を有していることがわかり、「MoS2/CoS2/CP電極は耐久性に優れることも示された。 From FIG. 6, it can be seen that the "MoS 2 /CoS 2 /CP electrode" obtained in Example 1 has the same electrode performance as the initial (before CV test) even after 3000 cycles of CV test. , "It was also shown that the MoS 2 /CoS 2 /CP electrode has excellent durability.
Claims (3)
前記触媒は、Moの硫化物と、Mo以外の遷移金属Mの硫化物とを含み、
前記遷移金属Mは、Co、Fe、Ni、Cu、W及びMnからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、
前記触媒は、前記遷移金属Mの硫化物の表面に、前記Moの硫化物が形成された構造を有する、電極触媒。 comprising a catalyst on an electrode substrate,
The catalyst contains a sulfide of Mo and a sulfide of a transition metal M other than Mo ,
The transition metal M is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Cu, W and Mn,
The catalyst is an electrode catalyst having a structure in which the Mo sulfide is formed on the surface of the transition metal M sulfide .
前記遷移金属Mの酸化物が形成された電極基材を、Moを含有する化合物、硫黄を含有する化合物及び水系溶媒を含む第2の原料に浸漬して水熱合成をすることで、Moの硫化物及び前記遷移金属Mの硫化物を含む触媒が形成された電極基材を得る第2工程と、
を備え、
前記遷移金属Mは、Co、Fe、Ni、Cu、W及びMnからなる群より選ばれる少なくとも1種である、電極触媒の製造方法。 An electrode base material is immersed in a first raw material containing a compound containing a transition metal M other than Mo and an aqueous solvent for hydrothermal synthesis , and then the electrode base material is taken out and sintered to form an oxide of the transition metal M. A first step of obtaining an electrode substrate on which is formed;
The electrode substrate on which the oxide of the transition metal M is formed is immersed in a second raw material containing a compound containing Mo, a compound containing sulfur, and an aqueous solvent to hydrothermally synthesize Mo. a second step of obtaining an electrode substrate on which a catalyst containing a sulfide and a sulfide of the transition metal M is formed;
with
The method for producing an electrode catalyst , wherein the transition metal M is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Cu, W and Mn .
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