JP7417026B1 - Hydrogen production catalyst and its production method, and hydrogen production method - Google Patents
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Abstract
【課題】触媒金属とH+イオン(プロトン)の磁気的相互作用に着目し、安価に、しかも安定して入手、あるいは供給可能な新規な水素製造用触媒を提供する。【解決手段】水素含有化合物であるアンモニアボラン(NH3BH3)からから水素を生成するために用いられる水素製造用の触媒であって、強磁性のコバルト(Co)と鉄系の金属であるニッケル(Ni)及び鉄(Fe)のいずれ一方を含有した磁性合金であって、Coを48~99.7wt%含有し、鉄系金属を0.3~52wt%含有して構成され、この磁性合金の成分である合金粒子の1原子当たりの平均磁気モーメントがボーア磁子単位で1.1~2.3の範囲とする。【選択図】 図1The present invention focuses on the magnetic interaction between a catalyst metal and H+ ions (protons) to provide a novel catalyst for hydrogen production that can be obtained or supplied stably at low cost. [Solution] This is a hydrogen production catalyst used to produce hydrogen from ammonia borane (NH3BH3), a hydrogen-containing compound, and is composed of ferromagnetic cobalt (Co) and iron-based metal nickel (Ni). ) and iron (Fe), and is composed of 48 to 99.7 wt% of Co and 0.3 to 52 wt% of iron-based metals, and the components of this magnetic alloy are The average magnetic moment per atom of the alloy particles is in the range of 1.1 to 2.3 in Bohr magneton units. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、水素製造用触媒及びその製造方法、さらには、水素含有化合物から水素を製造する水素の製造方法に関する。 The present invention relates to a catalyst for producing hydrogen, a method for producing the same, and a method for producing hydrogen from a hydrogen-containing compound.
従来、環境破壊を抑制するエネルギー源として水素が注目され、水素を燃料とする燃料電池が注目され、実用化されている。 BACKGROUND ART Hydrogen has traditionally attracted attention as an energy source that suppresses environmental destruction, and fuel cells that use hydrogen as fuel have been attracting attention and being put into practical use.
水素は、常温、常圧の環境下において気相であり、所定の反応量の体積が固相に比較して数百倍~千倍であるばかりか、爆発性を有するため、安全に且つ大量に貯蔵し、運搬することが困難である。このような水素ガスが有する問題点を解消し、安全で容易に取り扱いを可能とするため、燃料電池の燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどを改質して得られる水素ガスが用いられている。 Hydrogen is in a gas phase at room temperature and pressure, and the volume of a given reaction amount is hundreds to thousands of times larger than that of a solid phase. Difficult to store and transport. In order to solve these problems with hydrogen gas and make it safe and easy to handle, hydrogen gas obtained by reforming natural gas, methanol, gasoline, etc. is used as fuel for fuel cells. ing.
この種の燃料は、安全性に問題があるばかりか、燃料電池の燃料として用いたとき起電力が十分でなく、電力の供給源として十分な性能を実現できない。 This type of fuel not only has safety issues, but also has insufficient electromotive force when used as fuel for a fuel cell, making it impossible to achieve sufficient performance as a power supply source.
そこで、自動車の駆動源として用いられる燃料電池や民生用の携帯端末装置の電源に用いられる燃料電池にあっては、高濃度に水素を貯蔵する水素含有化合物から、安価に、安定して高能率で水素を生成し、さらには、電池自体の小型化を実現することが望まれている。 Therefore, for fuel cells used as the drive source of automobiles and fuel cells used as the power source for consumer mobile terminal devices, hydrogen-containing compounds that store hydrogen in high concentrations are used at low cost, stably, and with high efficiency. There is a desire to generate hydrogen using batteries, and to further downsize the batteries themselves.
このような従来用いられている水素含有媒体が有する問題点に鑑み、安全性に優れ、取り扱いが容易で、燃料電池の燃料として用いたとき十分な起電力を実現し得る燃料について鋭意研究され、高濃度に水素を含有する水素含有化合物が提案されている。この種の水素含有化合物として、大量な水素の貯蔵を可能としたホウ素をベースにした化合物が提案されている。その一つとして、アルカリ金属、アルカリ土類金属の水素化ホウ素化合物ある。他の一つとして、ボラン(BH3)とアンモニア(NH3)の錯体をベースにした化合物であるアンモニアボラン(NH3BH3)が提案されている(特許文献1、2)。 In view of these problems with conventionally used hydrogen-containing media, intensive research has been carried out on fuels that are safe, easy to handle, and can generate sufficient electromotive force when used as fuel for fuel cells. Hydrogen-containing compounds containing high concentrations of hydrogen have been proposed. As this type of hydrogen-containing compound, a boron-based compound that can store a large amount of hydrogen has been proposed. One of them is borohydride compounds of alkali metals and alkaline earth metals. As another example, ammonia borane (NH 3 BH 3 ), which is a compound based on a complex of borane (BH 3 ) and ammonia (NH 3 ), has been proposed (Patent Documents 1 and 2).
この種の水素含有化合物に含有された水素は、例えば、水素含有化合物を溶解した水溶液に触媒として白金(Pt)等の貴金属を加え、この水溶液を加水分解することにより生成される。 Hydrogen contained in this type of hydrogen-containing compound is produced, for example, by adding a noble metal such as platinum (Pt) as a catalyst to an aqueous solution in which the hydrogen-containing compound is dissolved and hydrolyzing this aqueous solution.
触媒に用いるPt等の貴金属は、資源量が乏しく高価であるため、アンモニアボラン等の水素含有化合物から安価に安定して水素の生成を行うことが困難となる。 Precious metals such as Pt used in catalysts are scarce and expensive, making it difficult to generate hydrogen stably at low cost from hydrogen-containing compounds such as ammonia borane.
本件出願の発明者等は、水素含有化合物から水素を生成するために用いる触媒として、Pt等の貴金属に代わる触媒として、強磁性Coナノ結晶をドープしたタングステン炭化物を用いることを提案している(特許文献3、4)。 The inventors of this application have proposed the use of tungsten carbide doped with ferromagnetic Co nanocrystals as a catalyst used to generate hydrogen from hydrogen-containing compounds, replacing noble metals such as Pt ( Patent Documents 3, 4).
ところで、本件出願の発明者等が提案した水素製造の触媒に用いられるCoは、リチウム電池正極の材料等に用いられ、その需要が急速に拡大し資源量が逼迫している。 By the way, Co, which is used in the catalyst for hydrogen production proposed by the inventors of the present application, is used as a material for positive electrodes of lithium batteries, and its demand is rapidly expanding and resources are becoming scarce.
そのため、水素製造の触媒として用いることを提案したCoを含む触媒に用いられるCoの使用割合を削減し、Co資源量の節約が望まれている。 Therefore, it is desired to reduce the proportion of Co used in catalysts containing Co that have been proposed for use as catalysts for hydrogen production, thereby saving the amount of Co resources.
ここで、本発明者等は、アンモニアボラン(NH3BH3)などの水素含有化合物から水素を生成する際に用いられる触媒の特徴を鋭意研究した結果、触媒金属とH+イオン(プロトン)の磁気的相互作用に着目し、安価に、しかも安定して入手、あるいは供給可能な新規な水素製造用触媒を実現し、提案するものである。 Here, as a result of intensive research into the characteristics of catalysts used to generate hydrogen from hydrogen-containing compounds such as ammonia borane (NH 3 BH 3 ), the present inventors discovered that the catalytic metal and H + ions (protons) Focusing on magnetic interaction, we have realized and proposed a new catalyst for hydrogen production that can be obtained or supplied inexpensively and stably.
本発明者等は、アンモニアボラン(NH3BH3)などの水素含有化合物から水素を生成する際に用いられる触媒の作用、その機能に着目し、鋭意研究の結果、水素製造の触媒に用いて有益な水素製造用触媒を実現し、提案するものである。
本発明者等が提案する触媒は、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素を生成するために用いられる水素製造用触媒であって、強磁性のコバルト(Co)と、他の強磁性金属を少なくとも1種含有した磁性合金からなり、この磁性合金は、コバルト(Co)を92~85mol%、鉄(Fe)を8~15mol%含有する合金、又はコバルト(Co)を96~92mol%、ニッケル(Ni)を4~8mol%含有する合金からなり、この磁性合金を構成する合金粒子の1原子当たりの平均磁気モーメントがボーア磁子単位で1.55~1.87μBの範囲とされたことを特徴とする。
The present inventors focused on the effects and functions of catalysts used to generate hydrogen from hydrogen-containing compounds such as ammonia borane (NH 3 BH 3 ), and as a result of intensive research, discovered that they can be used as catalysts for hydrogen production. A useful catalyst for hydrogen production is realized and proposed.
The catalyst proposed by the present inventors is a hydrogen production catalyst used to generate hydrogen from ammonia borane (NH 3 BH 3 ), and is a catalyst that combines ferromagnetic cobalt (Co) and other ferromagnetic metals. Consisting of a magnetic alloy containing at least one kind, this magnetic alloy is an alloy containing 92 to 85 mol% of cobalt (Co), 8 to 15 mol% of iron (Fe), or 96 to 92 mol% of cobalt (Co), It consists of an alloy containing 4 to 8 mol% of nickel (Ni), and the average magnetic moment per atom of the alloy particles constituting this magnetic alloy is in the range of 1.55 to 1.87 μB in Bohr magneton units. It is characterized by
この磁性合金を構成する前記他の強磁性金属として、鉄(Fe)又はニッケル(Ni)を用いることができる。そして、磁性合金は、Coと、Fe及びNiのいずれか一方を含有して構成される。
Iron (Fe) or nickel (Ni) can be used as the other ferromagnetic metal constituting this magnetic alloy. The magnetic alloy is configured to contain Co and one of Fe and Ni.
本書面で提案される水素を生成するために用いられる水素製造用磁性触媒は、以下に示す手順で製造される。 The magnetic catalyst for hydrogen production used to produce hydrogen proposed in this document is produced by the procedure shown below.
水素製造用磁性触媒を製造するに当たり、まず、コバルトイオンを含む酢酸コバルトの水溶液と、ニッケルイオンを含む酢酸ニッケルの水溶液及び鉄イオンを含む硝酸鉄の水溶液のいずれか一方を混合した混合水溶液を作製する。 To produce a magnetic catalyst for hydrogen production, first, a mixed aqueous solution is prepared by mixing an aqueous solution of cobalt acetate containing cobalt ions, an aqueous solution of nickel acetate containing nickel ions, or an aqueous solution of iron nitrate containing iron ions. do.
次いで、前記混合水溶液を、蒸発乾固若しくは噴霧乾燥して乾燥物を作製し、この乾燥物を加熱処理して熱分解して酸化物を作製し、この酸化物を水素雰囲気中で水素還元する。水素還元された酸化物は、前記強磁性のコバルト(Co)と、強磁性のニッケル(Ni)又は鉄(Fe)のいずれか一方を含む粉末状の磁性合金とされる。 Next, the mixed aqueous solution is evaporated to dryness or spray-dried to produce a dried product, this dried product is heat-treated and thermally decomposed to produce an oxide, and this oxide is reduced with hydrogen in a hydrogen atmosphere. . The hydrogen-reduced oxide is a powdered magnetic alloy containing the ferromagnetic cobalt (Co) and either ferromagnetic nickel (Ni) or iron (Fe).
前記混合水溶液として、前記酢酸コバルトの水溶液と前記硝酸鉄の水溶液を混合して作製した混合水溶液が用いられる。この混合水溶液は、コバルト成分を99~47(50)mol%含有し、鉄成分を1~53mol%含有するように、酢酸コバルトの水溶液と前記硝酸鉄の水溶液とを混合して作製される。 As the mixed aqueous solution, a mixed aqueous solution prepared by mixing the cobalt acetate aqueous solution and the iron nitrate aqueous solution is used. This mixed aqueous solution is prepared by mixing the cobalt acetate aqueous solution and the iron nitrate aqueous solution so that it contains 99 to 47 (50) mol% of the cobalt component and 1 to 53 mol% of the iron component.
また、前記混合水溶液として、前記酢酸コバルトの水溶液と前記酢酸ニッケルの水溶液を混合して作製した混合水溶液が用いられる。この混合水溶液は、コバルト成分を99~48mol%含有し、ニッケル成分を1~52mol%含有するように、前記酢酸コバルトの水溶液と前記硝酸鉄の水溶液とを混合して作製される。 Further, as the mixed aqueous solution, a mixed aqueous solution prepared by mixing the cobalt acetate aqueous solution and the nickel acetate aqueous solution is used. This mixed aqueous solution is prepared by mixing the cobalt acetate aqueous solution and the iron nitrate aqueous solution so that it contains 99 to 48 mol% of the cobalt component and 1 to 52 mol% of the nickel component.
なお、前記混合水溶液を乾燥処理して作製された乾燥物は、500℃~600℃の酸素雰囲気中で加熱処理されて酸化物とされる。この酸化物は、750℃~850℃の水素雰囲気中で水素還元されることにより、強磁性のコバルト(Co)と、強磁性のニッケル(Ni)及び鉄(Fe)のいずれか一方を含有した粉末状の磁性金属とされる。 Note that the dried product produced by drying the mixed aqueous solution is heat-treated in an oxygen atmosphere at 500° C. to 600° C. to form an oxide. This oxide contains either ferromagnetic cobalt (Co), ferromagnetic nickel (Ni), or iron (Fe) by hydrogen reduction in a hydrogen atmosphere at 750°C to 850°C. It is considered to be a powdered magnetic metal.
本発明者等が提案する上述したいずれ一の磁性金属を、水素含有化合物である例えばアンモニアボラン(NH3BH3)の水溶液に混合し、この混合水溶液を加水分解することにより、前記水素含有化合物から水素ガス(H2)が生成される。 By mixing any one of the above-mentioned magnetic metals proposed by the present inventors with an aqueous solution of a hydrogen-containing compound, such as ammonia borane (NH 3 BH 3 ), and hydrolyzing this mixed aqueous solution, the hydrogen-containing compound Hydrogen gas (H 2 ) is generated from this.
したがって、上述の作成工程を経て製造される磁性合金は、水素製造用磁性触媒として用いられる。 Therefore, the magnetic alloy produced through the above-described production process is used as a magnetic catalyst for hydrogen production.
本書面で提案する水素製造用磁性触媒は、親水性を有することから、高濃度に水素の貯蔵を可能とするアンモニアボラン(NH3BH3)等の水素含有化合物を加水分解する際の触媒として用いて好適である。この磁性触媒は、高濃度に水素の貯蔵を可能とするアンモニアボラン等の水素含有化合物に含有された水素(H2)ガスの転換率を向上し、安定して高能率で水素(H2)ガスの生成を可能とする。 The magnetic catalyst for hydrogen production proposed in this paper has hydrophilic properties, so it can be used as a catalyst for hydrolyzing hydrogen-containing compounds such as ammonia borane (NH 3 BH 3 ), which allows hydrogen to be stored in high concentrations. It is suitable for use. This magnetic catalyst improves the conversion rate of hydrogen (H 2 ) gas contained in hydrogen-containing compounds such as ammonia borane, which enables storage of hydrogen at high concentrations, and converts hydrogen (H 2 ) stably and efficiently. Enables gas generation.
そして、本書面で提案する磁性触媒は、Pt等の貴金属を用いるものではなく、さらに、資源が逼迫していくコバルト(Co)の削減を図り、資源として豊富な素材を用いているので、安価に、しかも安定して供給することが可能となる。 Furthermore, the magnetic catalyst proposed in this document does not use precious metals such as Pt, and furthermore, it is inexpensive because it uses an abundant resource, reducing the amount of cobalt (Co), whose resources are becoming increasingly scarce. This makes it possible to provide a stable supply.
また、本書面で提案する水素製造用触媒は、磁性を有するので、水素生成の触媒として利用した後、磁力を用いて回収ことが容易である。再利用を可能とすることにより、一層低コストで水素生成を行うことができる。 Furthermore, since the catalyst for hydrogen production proposed in this document has magnetism, it can be easily recovered using magnetic force after being used as a catalyst for hydrogen production. By enabling reuse, hydrogen can be produced at even lower cost.
本発明者等は、アンモニアボラン(NH3BH3)などの水素含有化合物の水溶液中に生成されるH+イオン(プロトン)と、この水溶液中に溶解された触媒として機能する磁性金属の磁気的相互作用に着目し、水素含有化合物から水素分子を脱離して水素を生成するために用いて有益な水素製造用磁性触媒を実現したものである。 The present inventors discovered that H + ions (protons) generated in an aqueous solution of a hydrogen-containing compound such as ammonia borane (NH 3 BH 3 ) and the magnetic properties of a magnetic metal functioning as a catalyst dissolved in this aqueous solution By focusing on interactions, we have realized a useful magnetic catalyst for hydrogen production that can be used to generate hydrogen by desorbing hydrogen molecules from hydrogen-containing compounds.
そこで、アンモニアボランから放出されたプロトンの核スピンと、磁性合金を構成する合金粒子の単磁区結晶(Single domain)の電子スピンとの磁気的相互作用を、図1に示すモデルを参照して説明する。 Therefore, we will explain the magnetic interaction between the nuclear spin of protons emitted from ammonia borane and the electron spin of single domain crystals of alloy particles constituting a magnetic alloy with reference to the model shown in Figure 1. do.
このモデルでは、アンモニアボランを溶解した水溶液と、磁性合金を溶解した溶解液を混合した混同水溶液を用いた。 In this model, a mixed aqueous solution was used, which was a mixture of an aqueous solution containing ammonia borane and a solution containing a magnetic alloy.
プロトンの核スピンと合金粒子の単磁区結晶の電子スピンの磁気的相互作用を示す図1において、アンモニアボランから放出されたプロトンと磁性合金の単磁区結晶の距離をrで示す。そして、上記混合水溶液中で水和してヒドロニウムイオン(H3O+)としてブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡を移動するプロトンが、この混合水溶液中に溶解した磁性合金の磁力により磁気吸引されて、磁性合金に接近する接近軌道に変化する臨界距離をrcとする。 In FIG. 1, which shows the magnetic interaction between the nuclear spin of a proton and the electron spin of a single-domain crystal of an alloy particle, the distance between the proton emitted from ammonia borane and the single-domain crystal of a magnetic alloy is indicated by r. Then, the protons that are hydrated in the mixed aqueous solution and move as hydronium ions (H 3 O + ) along random walking trajectories due to Brownian motion are magnetically attracted by the magnetic force of the magnetic alloy dissolved in the mixed aqueous solution. Let rc be the critical distance at which the trajectory changes to approach the magnetic alloy.
図1を参照し、アンモニアボランが溶解された水溶液中に放出されたプロトン(H+)と、その水溶液中に溶解された磁性合金の単磁区結晶(Single domain)との磁気双極子相互作用(dipole interaction)によるポテンシャルエネルギーUmagは、以下の式(1)によって定義される。 Referring to Figure 1 , the magnetic dipole interaction ( The potential energy Umag due to dipole interaction is defined by the following equation (1).
Umag=-(Mferro・MP/2πμ0r3) ・・・(1) Umag=-(M ferro・MP /2πμ 0 r 3 )...(1)
式(1)において、MFerroは合金粒子の磁気モーメントであり、MPはプロトンの磁気モーメントであり、図1において、rはプロトン(H+)と磁性金属の単磁区結晶(Single domain)との間の距離である。 In equation (1), M Ferro is the magnetic moment of the alloy particle, M P is the magnetic moment of the proton, and in Figure 1, r is the relationship between the proton (H + ) and the single domain crystal of the magnetic metal. is the distance between.
したがって、磁性合金の単磁区結晶とプロトンとに働く磁力(F)は、ポテンシャルエネルギーUmagを、磁性合金粒子の単磁区結晶とプロトンとの間の距離rで微分し、下記の式(2)によって定義される。 Therefore, the magnetic force (F) acting on the single domain crystal of the magnetic alloy particle and the proton can be calculated by differentiating the potential energy Umag with the distance r between the single domain crystal of the magnetic alloy particle and the proton, and using the following equation (2). defined.
F=du/dr=3MFerro・MP/2πμ0r4 ・・・(2) F=du/dr=3M Ferro・MP /2πμ 0 r 4 ...(2)
この磁力Fをプロトンの質量mpで割ることにより、プロトンの加速度aが、下記の式(3)によって求められる。 By dividing this magnetic force F by the mass mp of the proton, the acceleration a of the proton is determined by the following equation (3).
a=F/mp=3MFerro・MP/2πμ0r4mp ・・・(3) a=F/mp=3M Ferro・MP /2πμ 0 r 4 m p ...(3)
ここで、プロトンの質量mpは、1.671×10-27(kg)である。真空の透磁率μ0は、4π×10-7(Hm-1)である。 Here, the mass m p of the proton is 1.671×10 −27 (kg). The magnetic permeability μ 0 of vacuum is 4π×10 −7 (Hm −1 ).
図1に示す反応モデルを参照して、強磁性の金属粒子の磁力がプロトンに及ぼす影響についてシミュレーションした。このシミュレーションは、強磁性の金属粒子として、コバルト(Co)と鉄(Fe)とを含有する強磁性の磁性合金を用いて行った。 The effect of the magnetic force of ferromagnetic metal particles on protons was simulated with reference to the reaction model shown in FIG. This simulation was performed using a ferromagnetic magnetic alloy containing cobalt (Co) and iron (Fe) as ferromagnetic metal particles.
このシミュレーションに用いた磁性合金は、コバルト(Co)を92.39wt%、鉄(Fe)を7.61wt%含有して構成されている。この磁性合金の磁力がプロトンに及ぼす影響は、この種の磁性合金において、単磁区の大きさとして一般的な直径を60nmとする合金粒子を用いて確認を行った。 The magnetic alloy used in this simulation contains 92.39 wt% cobalt (Co) and 7.61 wt% iron (Fe). The influence of the magnetic force of this magnetic alloy on protons was confirmed using alloy particles having a diameter of 60 nm, which is a typical single magnetic domain size in this type of magnetic alloy.
図4に示す周知のスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線に基づくと、本シミュレーションで用いる上述の割合でコバルト(Co)と鉄(Fe)を含有するCo-Fe合金の原子1個当たりの平均磁気モーメントは、ボーア磁子を単位として、1.808μBである。ここで、この磁性合金の直径を60nmとする合金粒子に含まれるモル数(n)は、その密度に基づき1.680×10-17molとなる。したがって、この合金粒子に含まれる原子数(N)は1.012×107個である。原子1個当たりの平均磁気モーメントは1.808μBであり、この平均磁気モーメントのN倍が直径を60nmとする合金粒子の磁気モーメントMFerroであり、下記の式(4)で示される。 Based on the well-known Slater-Pauling magnetic moment curve shown in Figure 4, the average magnetic moment per atom of the Co-Fe alloy containing cobalt (Co) and iron (Fe) in the above-mentioned proportions used in this simulation is , in units of Bohr magnetons, is 1.808 μB. Here, the number of moles (n) contained in the alloy particles of this magnetic alloy having a diameter of 60 nm is 1.680×10 −17 mol based on its density. Therefore, the number of atoms (N) contained in this alloy particle is 1.012×10 7 . The average magnetic moment per atom is 1.808 μB , and N times this average magnetic moment is the magnetic moment MFero of an alloy particle having a diameter of 60 nm, which is expressed by the following equation (4).
MFerro=1.345×10-21(Wbm) ・・・(4) M Ferro = 1.345×10 -21 (Wbm) ... (4)
プロトンの磁気モーメントMpは、下記の式(5)で与えられる。 The proton magnetic moment M p is given by the following equation (5).
Mp=6.33×10-33(Wbm) ・・・(5) M p =6.33×10 -33 (Wbm) (5)
式(4)で示される値と、式(5)示される値をそれぞれ式(3)に代入し、プロトンに作用する加速度aと、プロトンと上述した合金粒子の単磁区結晶との間の距離rとの関係を計算した。その計算した結果を図2に示す。 By substituting the value shown in equation (4) and the value shown in equation (5) into equation (3), the acceleration a acting on the proton and the distance between the proton and the single domain crystal of the alloy particle mentioned above are calculated. The relationship with r was calculated. The calculated results are shown in FIG. 2.
前述の式(3)より、プロトンと合金粒子の単磁区結晶との距離rが2.3646μmのとき、プロトンに作用する加速度aは9.807ms-2となり、この値は、重力加速度gに小数点以下3桁まで一致することが分かった。このシミュレーションの結果から、上述したシミュレーションの手法は、プロトンの核スピンと磁性金属を構成する合金粒子の電子スピン間の引力相互作用の評価に用いて有効であることが分った。 From the above equation (3), when the distance r between the proton and the single magnetic domain crystal of the alloy particle is 2.3646 μm, the acceleration a acting on the proton is 9.807 ms -2 , and this value is calculated by adding a decimal point to the gravitational acceleration g. It was found that the following three digits matched. From the results of this simulation, it was found that the above-described simulation method is effective for evaluating the attractive interaction between the nuclear spin of protons and the electron spin of alloy particles constituting a magnetic metal.
ところで、プロトンは、水溶液中で水和し、ヒドロニウムイオン(H3O+)として存在することが知られている。このプロトンの水和エンタルピーΔH+adは、-260.7±2.5(kcal mol-1)である。すなわち、プロトン1個当たりの水和エンタルピーは、-1.811(aJ(H+ad)-1)である。したがって、プロトンは、水溶液中でH3O+ととしてブラウン運動している。また、プロトンは、このブラウン運動と同時に、あるH3O+から離脱して、別のH2O分子へ水和する運動を行っている。この離脱と水和の移動距離は0.06~0.08nmである。なお、H2O分子中において、O-H結合の距離は、0.0957nmである。プロトンが水溶液中で水和することを考慮しても、上述したプロトンの核スピンと磁性金属を構成する合金粒子の電子スピン間の引力相互作用の評価の方法は有効である。 By the way, it is known that protons are hydrated in an aqueous solution and exist as hydronium ions (H 3 O + ). The hydration enthalpy ΔH + ad of this proton is −260.7±2.5 (kcal mol −1 ). That is, the enthalpy of hydration per proton is -1.811 (aJ(H + ad) -1 ). Therefore, protons are undergoing Brownian motion as H 3 O + in an aqueous solution. Further, at the same time as this Brownian motion, protons are moving to separate from a certain H 3 O + and hydrate into another H 2 O molecule. The migration distance for this desorption and hydration is 0.06 to 0.08 nm. Note that in the H 2 O molecule, the distance of the O--H bond is 0.0957 nm. Even considering that protons are hydrated in an aqueous solution, the above-described method for evaluating the attractive interaction between the nuclear spin of protons and the electron spin of alloy particles constituting a magnetic metal is effective.
そこで、前述したコバルト(Co)を92.39wt%、鉄(Fe)を7.61wt%含有して構成され、直径を60nmとする強磁性の合金粒子が近距離のプロトンに対して及ぼす磁力によるポテンシャルエネルギーUmagをシミュレーションした。 Therefore, the above-mentioned ferromagnetic alloy particles containing 92.39 wt% of cobalt (Co) and 7.61 wt% of iron (Fe) and having a diameter of 60 nm exert magnetic force on protons at a short distance. The potential energy Umag was simulated.
図3に、プロトンと合金粒子との間の距離rが0.03~0.06nmにあるときの、プロトンに作用する合金粒子の磁力によるポテンシャルエネルギーUmagの変化を示す。 FIG. 3 shows changes in potential energy Umag due to the magnetic force of the alloy particles acting on protons when the distance r between the protons and the alloy particles is 0.03 to 0.06 nm.
図3に示すように、ポテンシャルエネルギーUmagは、プロトンと合金粒子の単磁区結晶との間の距離rの減少に伴い負側に深くなった。 As shown in FIG. 3, the potential energy Umag became deeper on the negative side as the distance r between the proton and the single domain crystal of the alloy particle decreased.
ここで、上記距離rが0.04552nmのとき、プロトンのポテンシャルエネルギーUmagは-1.811(aJ(H+ad)-1)となり、プロトンの水和エンタルピーΔH+adと等しくなった。この距離rを臨界距離rcと定義する。すなわち、距離rが臨界距離rcよりも小さいとき、ポテンシャルエネルギーUmagは、水和エンタルピーΔH+adよりも深くなり、プロトンは水和するよりも磁性体に引き付けられる。すなわち、コバルト(Co)を92.39wt%、鉄(Fe)を7.61wt%含有して構成された磁性合金は、その表面から0.04552nm以内のプロトンを引き付けて水素を高速に生成することができる。 Here, when the distance r is 0.04552 nm, the potential energy Umag of the proton is −1.811 (aJ(H + ad) −1 ), which is equal to the hydration enthalpy ΔH + ad of the proton. This distance r is defined as a critical distance rc. That is, when the distance r is smaller than the critical distance rc, the potential energy Umag becomes deeper than the hydration enthalpy ΔH + ad, and the protons are attracted to the magnetic material rather than hydrated. In other words, a magnetic alloy containing 92.39 wt% cobalt (Co) and 7.61 wt% iron (Fe) can attract protons within 0.04552 nm from its surface to rapidly generate hydrogen. I can do it.
一方、プロトンと合金粒子の単磁区結晶との間の距離rが臨界距離rcよりも大きいとき、プロトンは水和する方が安定であり、H3O+としてブラウン運動する。すなわち、プロトンがブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性体への接近軌道に変化する距離rが臨界距離rcである。 On the other hand, when the distance r between the proton and the single magnetic domain crystal of the alloy particle is larger than the critical distance rc, the proton is more stable when hydrated and undergoes Brownian motion as H 3 O + . That is, the critical distance rc is the distance r at which the proton changes from a random walking trajectory due to Brownian motion to a trajectory approaching the magnetic material.
そして、1molのアンモニアボランNH3BH3(cr)の固体粉末が、水溶液に溶解し、水和分子NH3BH3(aq)を経て、3モルの気体水素H2(g)を生成する加水分解反応は、熱力学平衡論に基づき、左辺の始状態と右辺の終状態として、下記の式(6)によつて定義される。 Then, 1 mol of solid powder of ammonia borane NH 3 BH 3 (cr) is dissolved in an aqueous solution and undergoes hydration to produce 3 mol of gaseous hydrogen H 2 (g) through hydrated molecules NH 3 BH 3 (aq). The decomposition reaction is defined by the following equation (6) based on thermodynamic equilibrium theory, with an initial state on the left side and a final state on the right side.
NH3BH3(cr)+2H2O(l)=BO2
-(aq)+NH4
+(aq)+3H2(g)
ΔrH0/kj=-155.983±6.016 ・・・(6)
NH 3 BH 3 (cr) + 2H 2 O (l) = BO 2 - (aq) + NH 4 + (aq) + 3H 2 (g)
ΔrH 0 /kj=-155.983±6.016 (6)
式(6)において、標準反応エンタルピーΔrH0は、負の発熱反応である。
なお、固体のアンモニアボランNH3BH3(cr)の標準生成エントロピーΔrS0は、未だ測定されていない。
上記式(6)において、左辺は、1モルの固体アンモニアボラン(NH3BH3(cr))と2モルの液体分子(H20(l)であり、一方、右辺は合わせて2モルのイオン(BO2
-(aq)))とNH4
+(aq)及び3モルの気体分子(H2(g))からなり、標準反応エンタルピーΔrS0が正であることは疑いの余地がない。したがって、標準反応ギブスエネルギーΔrG0は負であり、平衡論の立場として自発反応である。
In equation (6), the standard reaction enthalpy ΔrH 0 is a negative exothermic reaction.
Note that the standard entropy of formation ΔrS 0 of solid ammonia borane NH 3 BH 3 (cr) has not yet been measured.
In the above formula (6), the left side is 1 mol of solid ammonia borane (NH 3 BH 3 (cr)) and 2 mol of liquid molecules (H 2 0(l)), while the right side is a total of 2 mol of ammonia borane (NH 3 BH 3 (cr)) It consists of ions (BO 2 − (aq))), NH 4 + (aq) and 3 moles of gas molecules (H 2 (g)), and there is no doubt that the standard enthalpy of reaction ΔrS 0 is positive. Therefore, the standard reaction Gibbs energy ΔrG 0 is negative, and it is a spontaneous reaction from the standpoint of equilibrium theory.
上述のシミュレーションより、水素含有化合物であるアンモニアボランの加水分解反応が進行するためには、水溶液中のアンモニアボラン(NH3BH3(aq))分子を、合金粒子が吸着して分解し、プロトンを放出させ、この放出されたプロトンが還元されて原子状水素となり、これら原子状水素が合体し水素分子となり、この水素分子が気体として脱離する必要がある。 From the above simulation, in order for the hydrolysis reaction of ammonia borane, which is a hydrogen-containing compound, to proceed, alloy particles adsorb and decompose ammonia borane (NH 3 BH 3 (aq)) molecules in an aqueous solution, and protons are released. It is necessary to release the released protons, reduce them to atomic hydrogen, combine these atomic hydrogens to form hydrogen molecules, and remove these hydrogen molecules as a gas.
したがって、アンモニアボランから放出されたプロトン、及びH3O+から離脱して別のH2O分子へ水和するために、移動中のプロトンを、磁性金属の合金粒子が磁気吸引する必要がある。 Therefore, in order for the protons released from ammonia borane and the moving protons to be released from H 3 O + and hydrated to other H 2 O molecules, the magnetic metal alloy particles must magnetically attract them. .
そこで、本発明者等は、上述したシミュレーションに基づく知見から、水素含有化合物を溶解した水溶液中でプロトンを接近軌道に磁気吸引するに足る磁気モーメントを有する強磁性の磁性合金を実現したものである。 Therefore, based on the knowledge based on the simulation described above, the present inventors have realized a ferromagnetic magnetic alloy that has a magnetic moment sufficient to magnetically attract protons into approaching orbits in an aqueous solution containing a hydrogen-containing compound. .
特に、この磁性金属を、安定して、しかも安価に供給できるようにするため、資源量の乏しいCoの使用割合の削減を図りながら、アンモニアボラン等の水素含有化合物から効率よく水素の生成を可能とする触媒として機能する金属材料を実現したものである。 In particular, in order to be able to supply this magnetic metal stably and at low cost, it is possible to efficiently generate hydrogen from hydrogen-containing compounds such as ammonia borane while reducing the usage rate of Co, which is a scarce resource. This is a metal material that functions as a catalyst.
ところで、水素製造用の触媒として用いられるコバルトCoと、鉄系の金属である鉄Fe及びニッケルNiのいずれか一方を含有し、粒子サイズをナノサイズで製造される磁性合金は、製造条件により様々な粒子径をもって製造される。 By the way, magnetic alloys containing cobalt Co used as a catalyst for hydrogen production and either iron-based metals iron Fe or nickel Ni and manufactured with nano-sized particles vary depending on the manufacturing conditions. manufactured with a particle size of
そして、このような様々な粒子径を有する磁性合金を水素製造の触媒として用いたとき、水素含有化合物の水溶液中に溶解したプロトンがブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁気吸引されて磁性合金に接近する軌道に変化する臨界距離rcは、触媒として用いる磁性合金が有する様々の粒子径に応じて変化する。したがって、臨界距離rcは、触媒として用いる磁性金属が有する粒子径の分布に応じた分布幅を有する。 When such magnetic alloys with various particle sizes are used as catalysts for hydrogen production, protons dissolved in an aqueous solution of a hydrogen-containing compound are magnetically attracted from random walking trajectories due to Brownian motion and approach the magnetic alloy. The critical distance rc for changing the trajectory changes depending on the various particle sizes of the magnetic alloy used as a catalyst. Therefore, the critical distance rc has a distribution width that corresponds to the particle size distribution of the magnetic metal used as the catalyst.
しかし、構成する金属の種類、含有割合、作製方法を同様にするとき磁性合金を触媒に用いたときの臨界距離rcの分布幅は、同様となる。 However, when the types of constituent metals, content ratios, and manufacturing methods are the same, the distribution width of the critical distance rc is the same when a magnetic alloy is used as a catalyst.
したがって、前述した直径を60nmとする合金粒子を単磁区粒子径とする磁性合金を用いて水素製造をシミュレーションして求めた臨界距離rcを、プロトンを効率よく磁性合金に集合させるためのパラメ-タ-とすることにより、作製する磁性合金の触媒特性の相対比較に好適であり、水素製造用の磁性合金の設計に有効である。すなわち、ブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡にあるプロトンを磁気吸引するに足る平均磁気モーメントを有する磁性合金の設計に有効となる。 Therefore, the critical distance rc, which was obtained by simulating hydrogen production using a magnetic alloy whose single domain particle size is alloy particles with a diameter of 60 nm, is a parameter for efficiently assembling protons into a magnetic alloy. - is suitable for relative comparison of the catalytic properties of magnetic alloys to be produced, and is effective in designing magnetic alloys for hydrogen production. That is, it is effective in designing a magnetic alloy having an average magnetic moment sufficient to magnetically attract protons on random walking trajectories due to Brownian motion.
上述した知見に基づいて提案される本実施の形態に係る水素製造用の触媒は、水素含有化合物であるアンモニアボラン(NH3BH3)からから水素を生成するために用いられる水素製造用の触媒であって、強磁性のコバルト(Co)と鉄系の金属であるニッケル(Ni)及び鉄(Fe)のいずれ一方を含有した磁性合金であって、Coを48~99wt%含有し、鉄系金属を1~52wt%含有して構成され、この合金粒子の1原子当たりの平均磁気モーメントがボーア磁子単位で1.1~2.3の範囲としたものである。 The catalyst for hydrogen production according to the present embodiment proposed based on the above-mentioned knowledge is a catalyst for hydrogen production used for producing hydrogen from ammonia borane (NH 3 BH 3 ), which is a hydrogen-containing compound. A magnetic alloy containing ferromagnetic cobalt (Co) and one of iron-based metals nickel (Ni) and iron (Fe), containing 48 to 99 wt% of Co, and containing iron-based metals such as nickel (Ni) and iron (Fe). The alloy particles contain 1 to 52 wt% of metal, and the average magnetic moment per atom of the alloy particles is in the range of 1.1 to 2.3 in Bohr magneton units.
本実施の形態に係る磁性合金は、前述した知見に基づき、Coを48~99wt%含有し、強磁性金属を1~52wt%の範囲で含有することにより、この合金を構成する合金粒子の1原子当たりの平均磁気モーメントをボーア磁子単位で1.1~2.3μBとすることができる。 Based on the above-mentioned knowledge, the magnetic alloy according to the present embodiment contains Co in an amount of 48 to 99 wt% and a ferromagnetic metal in an amount of 1 to 52 wt%. The average magnetic moment per atom can be 1.1 to 2.3 μB in Bohr magnetons.
磁性合金は、上述の含有範囲でCoと他の強磁性金属を含有して構成することにより、アンモニアボランからから水素を生成するための触媒として用いたとき、実用的な速度で水素の生成を行うことができた。 By containing Co and other ferromagnetic metals in the above-mentioned content range, the magnetic alloy can produce hydrogen at a practical rate when used as a catalyst for producing hydrogen from ammonia borane. I was able to do it.
少なくとも1原子当たりの平均磁気モーメントをボーア磁子単位で1.1μB以上とすることにより、Coの使用量を大きく削減しながら、実用的な速度での水素の生成を行うことができる。 By setting the average magnetic moment per atom to at least 1.1 μB in Bohr magneton units, it is possible to generate hydrogen at a practical rate while greatly reducing the amount of Co used.
また、1原子当たりの平均磁気モーメントをボーア磁子単位で2.3μBを実現することにより、大きな速度での水素生成を実現しながらCoの使用量を削減することができる。 Furthermore, by achieving an average magnetic moment per atom of 2.3 μB in Bohr magneton units, it is possible to reduce the amount of Co used while realizing hydrogen production at a high rate.
そして、Coと、Ni及びFeのいずれ一方を含有して構成した磁性合金は、前述したシミュレーションの結果から、Coの含有割合が48Wt%を以下であると、この磁性合金を構成する成分としての合金粒子の1原子当たりの平均磁気モーメントがボーア磁子単位で1.1μB以上とすることが困難となり、アンモニアボランから実用的な速度で水素を生成するための触媒として用いることができない。 According to the results of the simulation described above, a magnetic alloy composed of Co and either Ni or Fe can be used as a component constituting the magnetic alloy if the content ratio of Co is 48 Wt% or less. It becomes difficult to make the average magnetic moment per atom of the alloy particles 1.1 μB or more in Bohr magneton units, and it cannot be used as a catalyst for producing hydrogen from ammonia borane at a practical rate.
また、Coの含有割合が99Wt%を超えると、十分に大きく且つ実用的な速度でアンモニアボランから水素生成を行うことができるが、Coの使用量の削減を図る目的を達成することが困難となる。 Furthermore, when the Co content exceeds 99 Wt%, hydrogen can be produced from ammonia borane at a sufficiently high rate and at a practical rate, but it becomes difficult to achieve the purpose of reducing the amount of Co used. Become.
本実施の形態に係る水素製造用磁性触媒として用いられる磁性合金は、コバルトイオンを含む酢酸コバルトの水溶液と、ニッケルイオンを含む酢酸ニッケルの水溶液及び鉄イオンを含む硝酸鉄の水溶液のいずれか一方を混合した混合水溶液を用いて作製される。 The magnetic alloy used as the magnetic catalyst for hydrogen production according to the present embodiment can be prepared using either an aqueous solution of cobalt acetate containing cobalt ions, an aqueous solution of nickel acetate containing nickel ions, or an aqueous solution of iron nitrate containing iron ions. It is prepared using a mixed aqueous solution.
CoとFeを含有する磁性合金は、酢酸コバルトの水溶液と硝酸鉄の水溶液を混合した混合水溶液が用いて作製される。この混合水溶液は、コバルト成分を99~47mol%含有し、鉄成分を1~53mol%含有するように、酢酸コバルトの水溶液と前記硝酸鉄の水溶液とを混合して作製される。 A magnetic alloy containing Co and Fe is produced using a mixed aqueous solution of an aqueous solution of cobalt acetate and an aqueous solution of iron nitrate. This mixed aqueous solution is prepared by mixing the cobalt acetate aqueous solution and the iron nitrate aqueous solution so that it contains 99 to 47 mol% of the cobalt component and 1 to 53 mol% of the iron component.
また、CoとNiを含有する磁性合金は、酢酸コバルトの水溶液と酢酸ニッケルの水溶液を混合した混合水溶液が用いて作製される。この混合水溶液は、コバルト成分を99~48mol%含有し、ニッケル成分を1~52mol%含有するように、酢酸コバルトの水溶液と硝酸鉄の水溶液とを混合して作製される。 Further, a magnetic alloy containing Co and Ni is produced using a mixed aqueous solution obtained by mixing an aqueous solution of cobalt acetate and an aqueous solution of nickel acetate. This mixed aqueous solution is prepared by mixing an aqueous solution of cobalt acetate and an aqueous solution of iron nitrate so that it contains 99 to 48 mol% of a cobalt component and 1 to 52 mol% of a nickel component.
上述したように各成分を混合した混合水溶液は、蒸発乾固若しくは噴霧乾燥されることにより乾燥物が生成される。ここで得られた乾燥物は、酸化物に熱分解される。乾燥物の酸化物への熱分解は、500℃~600℃の酸素雰囲気中で2時間程度保持することにより行われる。 As described above, the mixed aqueous solution obtained by mixing each component is evaporated to dryness or spray-dried to produce a dried product. The dried product obtained here is thermally decomposed into oxides. Thermal decomposition of the dried material into oxides is carried out by holding it in an oxygen atmosphere at 500° C. to 600° C. for about 2 hours.
上記乾燥物を熱分解して作製された酸化物は、水素還元されることにより、粒径をナノメートル(nm)サイズの合金粒子の集合体である合金粉末として形成される。ここで、水素還元は、上述の工程で得られた酸化物を、750℃~850℃の水素雰囲気中、望ましくは800℃の水素雰囲気中で3時間程度保持することによって行われる。 The oxide produced by thermally decomposing the dried material is hydrogen-reduced to form an alloy powder, which is an aggregate of alloy particles having a particle size of nanometers (nm). Here, the hydrogen reduction is performed by holding the oxide obtained in the above step in a hydrogen atmosphere at 750° C. to 850° C., preferably in a hydrogen atmosphere at 800° C. for about 3 hours.
ここで、コバルト成分を99~50mol%含有し、鉄成分を1~53mol%含有するように酢酸コバルトの水溶液と硝酸鉄の水溶液を混合した水溶液を用いて作製される磁性合金は、Coを48~99wt%含有し、Feを1~52wt%含有して構成される。この磁性合金は、合金粒子の1原子当たりの平均磁気モーメントがボーア磁子単位で約1.1~2.3μBの範囲とすることができる。 Here, a magnetic alloy prepared using an aqueous solution containing an aqueous solution of cobalt acetate and an aqueous solution of iron nitrate so as to contain 99 to 50 mol% of a cobalt component and 1 to 53 mol% of an iron component contains 48% of Co. ~99 wt%, and 1~52 wt% Fe. The magnetic alloy may have an average magnetic moment per atom of the alloy particles in the range of about 1.1 to 2.3 μB in Bohr magnetons.
また、コバルト成分を99~48mol%含有し、ニッケル成分を1~52mol%含有するように酢酸コバルトの水溶液と、酢酸ニッケルの水溶液を混合した水溶液を用いて作製される磁性合金は、Coを48~99wt%含有し、Niを1~52wt%含有して構成される。この磁性合金は、合金粒子の1原子当たりの平均磁気モーメントをボーア磁子単位で約1.1~1.8μBの範囲とすることができる。 In addition, a magnetic alloy prepared using an aqueous solution of cobalt acetate and nickel acetate containing 99 to 48 mol% of cobalt component and 1 to 52 mol% of nickel component contains 48% of Co. ~99 wt%, and 1~52 wt% Ni. This magnetic alloy can have an average magnetic moment per atom of the alloy particles in the range of about 1.1 to 1.8 μB in Bohr magneton units.
本実施の形態により製造される磁性合金は、この合金を構成する合金粒子の1原子当たりの平均磁気モーメントをボーア磁子単位で1.1~2.3μBとされるので、アンモニアボランの水溶液から水素を生成する触媒に用いて有用であり、Coの使用量の削減を図ることができる。 The magnetic alloy produced according to this embodiment has an average magnetic moment per atom of the alloy particles constituting the alloy of 1.1 to 2.3 μB in Bohr magneton units, so it It is useful for use in catalysts that generate hydrogen, and it is possible to reduce the amount of Co used.
本実施の形態に係る磁性合金は、この磁性合金が有する磁力が水溶液中に溶出されたプロトンに作用して水素の生成に寄与するものであるので、水溶液に溶解されたとき、水溶液中にプロトンを溶出する水素含有化合物から水素を生成するための触媒として用いることができる。 The magnetic alloy according to this embodiment contributes to the generation of hydrogen by the magnetic force of this magnetic alloy acting on protons eluted into an aqueous solution, so when it is dissolved in an aqueous solution, protons are generated in the aqueous solution. It can be used as a catalyst to generate hydrogen from hydrogen-containing compounds that elute.
特に本実施の形態に係る磁性合金は、前述したアンモニアボランのほか、ホウ素(B)をベースにした水溶性の水素含有化合物から水素を生成するための触媒に用いて有用である。 In particular, the magnetic alloy according to the present embodiment is useful as a catalyst for producing hydrogen from a water-soluble hydrogen-containing compound based on boron (B) in addition to the ammonia borane described above.
なお、本実施の形態に係る水素製造用触媒として用いられる磁性金属は、酸化物の微粒子を担持体とし、この担持体の表面に分散担持するようにしてもよい。この担持体として酸化アルミニウム(Al2O3)や二酸化ケイ素(SiO2)等の酸化物を用いことができる。本実施の形態を構成する磁性金属は、担持体の表面に分散担持されることにより、分散性を向上でき、触媒活性を向上できる。 Note that the magnetic metal used as the catalyst for hydrogen production according to the present embodiment may be dispersed and supported on the surface of the carrier using fine oxide particles. As this carrier, oxides such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and silicon dioxide (SiO 2 ) can be used. By being dispersed and supported on the surface of the carrier, the magnetic metal constituting this embodiment can improve dispersibility and improve catalytic activity.
以下に、本書面で提案する水素製造用磁性触媒の具体的な実施例を示す。 Specific examples of the magnetic catalyst for hydrogen production proposed in this document are shown below.
(実施例1)
実施例1は、水素含有化合物であるアンモニアボランから水素を生成するために用いられる水素製造用磁性触媒であって、Coを92.39wt%、Feを7.61wt%含有した磁性合金であって、以下のように、水熱合成によって生成される。
(Example 1)
Example 1 is a magnetic catalyst for hydrogen production used to generate hydrogen from ammonia borane, which is a hydrogen-containing compound, and is a magnetic alloy containing 92.39 wt% Co and 7.61 wt% Fe. , produced by hydrothermal synthesis as follows.
この磁性合金は、コバルトイオンを含む酢酸コバルト水溶液と、鉄イオンを含む硝酸鉄水溶液とを混合した混合水溶液を用いて作製される。この混合水溶液は、CoとFeがモル比で92:8となるように酢酸コバルトと硝酸鉄を混合して作製した。この混合水溶液は、蒸発乾固され乾燥物とされる。この乾燥物は500℃の酸素雰囲気中で2時間保持され酸化物に熱分解される。熱分解された酸化物は800℃の水素雰囲気中で2時間保持され水素熱還元され、室温での構造を最密六方格子(hcp)とし、ナノ粒子サイズの微細な合金粉末とされる。ここで得られた合金粉末は、Coを92.39wt%含有し、Feを7.61wt%含有する強磁性の磁性合金とされる。 This magnetic alloy is produced using a mixed aqueous solution of a cobalt acetate aqueous solution containing cobalt ions and an iron nitrate aqueous solution containing iron ions. This mixed aqueous solution was prepared by mixing cobalt acetate and iron nitrate so that the molar ratio of Co and Fe was 92:8. This mixed aqueous solution is evaporated to dryness to obtain a dry product. This dried product is kept in an oxygen atmosphere at 500° C. for 2 hours to be thermally decomposed into oxides. The thermally decomposed oxide is held in a hydrogen atmosphere at 800° C. for 2 hours to undergo hydrogen thermal reduction, and the structure at room temperature becomes a hexagonal close-packed lattice (HCP), resulting in a fine alloy powder of nanoparticle size. The alloy powder obtained here is a ferromagnetic magnetic alloy containing 92.39 wt% Co and 7.61 wt% Fe.
本実施例1に係るCoを92.39wt%、Feを7.61wt%含有して構成された磁性合金は、この磁性合金を構成する合金粒子の1原子当たりの磁気モーメントがボーア磁子単位で1.818μBとし、価電子濃度が8.92とする。 The magnetic alloy containing 92.39 wt% Co and 7.61 wt% Fe according to Example 1 has a magnetic moment per atom of the alloy particles constituting this magnetic alloy in Bohr magneton units. It is assumed that the electron density is 1.818 μB and the valence electron concentration is 8.92.
すなわち、Co-Fe合金を構成する純Feは、図4に示すように、原子の構造において、3dに6個と4sに2個の電子を有することにより価電子濃度は8とする。そして、純Coは、図4に示すように、3dに7個と4sに2個の電子を有することにより価電子濃度は9とする。 That is, as shown in FIG. 4, pure Fe constituting the Co--Fe alloy has six electrons in 3d and two electrons in 4s in its atomic structure, so that the valence electron concentration is 8. As shown in FIG. 4, pure Co has 7 electrons in 3d and 2 electrons in 4s, so that the valence electron concentration is 9.
そして、Coを92.39wt%、Feを7.61wt%含有する実施例1の磁性合金の価電子濃度は、磁性金属を構成する純Feと純Coの組成平均で定義することができ8.92である。そして、価電子濃度を8.92とする磁性合金の1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で1.818μBが示される。 The valence electron concentration of the magnetic alloy of Example 1 containing 92.39 wt% Co and 7.61 wt% Fe can be defined as the average composition of pure Fe and pure Co that constitute the magnetic metal.8. It is 92. The magnetic moment per atom of a magnetic alloy with a valence electron concentration of 8.92 is shown to be 1.818 μB in Bohr magneton units from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
上述したように磁気モーメントをボーア磁子単位で1.818μBとして作製された実施例1に係る磁性合金を触媒に用いて、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) using the magnetic alloy according to Example 1, which was prepared with a magnetic moment of 1.818 μB in Bohr magneton units as described above, as a catalyst. .
そして、アンモニアボランから水素を生成するに当たり、まず、上記磁性合金の粉末を純水に混合し、磁性合金の混合液を準備する。 To generate hydrogen from ammonia borane, first, the magnetic alloy powder is mixed with pure water to prepare a magnetic alloy mixture.
純水に混合される磁性合金は、粒径を32μm以下に分級したものが用いられる。この粒径を32μm以下に分級された合金粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入される。合金粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、磁性合金含有の混合液とされる。 The magnetic alloy to be mixed with pure water is classified to have a particle size of 32 μm or less. 20 mg of the alloy powder, which has been classified to have a particle size of 32 μm or less, is weighed and poured into 1.0 ml of pure water. The pure water into which the alloy powder has been added is stirred using a stirrer to form a mixed liquid containing the magnetic alloy.
磁性合金として、粒径を32μm以下に分級したものを用いることにより、水溶液中に混合される合金粒子の粒径の均一化が図られ、その表面積の均一化が図られる。合金粒子の粒径が均一化され、表面積が均一化されることにより、個々の合金粒子に磁気吸引されるプロトンも均一化され、磁性合金が溶解された水溶液中での水素生成の均一化を図ることができ、安定した水素生成を実現できる。 By using a magnetic alloy classified to have a particle size of 32 μm or less, the particle size of the alloy particles mixed in the aqueous solution can be made uniform, and the surface area thereof can be made uniform. By making the particle size and surface area of the alloy particles uniform, the protons that are magnetically attracted to each alloy particle are also made uniform, which leads to uniform hydrogen production in the aqueous solution in which the magnetic alloy is dissolved. It is possible to achieve stable hydrogen production.
そして、磁性合金の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に混合し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, an ammonia borane aqueous solution is prepared together with the magnetic alloy mixture. An ammonia borane aqueous solution was prepared by mixing 0.5 mmol of ammonia borane powder with 1.5 ml of pure water.
上述したようにして作製した磁性合金の混合液1.0mlと、前記アンモニアボランの水溶液1.5mlを混合し、この混合水溶液2.5ml(図4参照)を加水分解した。 1.0 ml of the magnetic alloy mixture prepared as described above was mixed with 1.5 ml of the ammonia borane aqueous solution, and 2.5 ml of this mixed aqueous solution (see FIG. 4) was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。 The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、4.195(L(H2)min-1(mol of M)-1を達成する。なお、ここでMは、触媒としての磁性金属及び合金である。 Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) achieves 4.195 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1 as shown in FIG. 4. where M is a magnetic metal or alloy as a catalyst.
上述したように、1.818μBの磁気モーメントを有する本実施例1の磁性金属であって、直径を60nmとされた微粒子を含む磁性合金を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.04552nmとし、この臨界距離rc以内に存在する水素イオン(H)+、すなわち、プロトンを直径60nmとする微細な合金粒子を含む磁性金属に接近させ、水素(H2)ガスを生成する水素生成反応速度(RHER)を4.195(L(H2)min-1(mol of M)-1とする実用化可能な速度での水素生成を実現した。 As described above, by using the magnetic metal of Example 1 having a magnetic moment of 1.818 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm as a hydrogen production catalyst, the hydrogen production described above can be achieved. As shown in the simulation, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approaching trajectory toward the magnetic metal is 0.04552 nm. The hydrogen production reaction rate (R Hydrogen production was achieved at a practical rate with HER ) of 4.195 (L(H 2 ) min -1 (mol of M) -1) .
ところで、酢酸コバルトと硝酸鉄を混合した混合水溶液を乾燥物とするための加熱処理工程と、この乾燥物を酸化処理した酸化物を水素還元する処理工程とを含む製造工程を経て作製される磁性金属は、粒径をナノ粒子サイズとした一定の粒径分布を有する微細な微粒子として作製される。 By the way, magnetism is produced through a manufacturing process that includes a heat treatment step for drying a mixed aqueous solution of cobalt acetate and iron nitrate, and a treatment step for reducing the oxide obtained by oxidizing this dried product with hydrogen. Metals are produced as fine particles having a constant particle size distribution with nanoparticle size.
そして、一定の粒径分布を有して作製された磁性金属を、アンモニアボランから水素を生成するための触媒として用いたとき、上述の臨界距離rcも、磁性金属を構成する合金粒子の粒径の分布幅に応じた分布幅をもつ。但し、構成する金属の種類、含有割合、作製方法を同様にして作成された磁性合金を触媒に用いたときの臨界距離rcの分布幅は、同様となる。 When a magnetic metal made with a certain particle size distribution is used as a catalyst for producing hydrogen from ammonia borane, the critical distance rc mentioned above also depends on the particle size of the alloy particles constituting the magnetic metal. It has a distribution width corresponding to the distribution width of . However, the distribution width of the critical distance rc is the same when magnetic alloys made using the same types of constituent metals, content ratios, and manufacturing methods are used as catalysts.
したがって、単磁区を維持できる粒子径を60nmとした合金粒子を含む磁性合金を触媒として用いてアンモニアボランから水素を生成する生成工程をシミュレーションして求められた臨界距離rcは、プロトンを効率よく磁性金属に集合させるためのパラメータとし、触媒特性の相対比較に用いて好適であり、触媒設計に有効である。 Therefore, the critical distance rc obtained by simulating the production process of hydrogen production from ammonia borane using a magnetic alloy containing alloy particles with a particle size of 60 nm that can maintain a single magnetic domain as a catalyst is the critical distance rc that efficiently converts protons into magnetic molecules. It is a parameter for aggregation into metals, is suitable for relative comparison of catalyst properties, and is effective in catalyst design.
実施例1に係る磁性合金は、この磁性合金を構成するCoの一部をFeで置換することにより、資源量の乏しいCoの使用割合の削減を図りながら、アンモニアボラン等の水素含有化合物から効率のよい水素の生成を可能とする。 The magnetic alloy according to Example 1 is made by replacing a part of the Co constituting the magnetic alloy with Fe, thereby reducing the usage rate of Co, which is a scarce resource, while efficiently converting hydrogen-containing compounds such as ammonia borane. This enables the generation of good hydrogen.
(実施例2)
実施例2は、実施例1と同様に、水素含有化合物であるアンモニアボランから水素を生成するために用いられる水素製造用磁性触媒であって、Coを96.02wt%、Niを3.98wt%含有した磁性合金であって、以下のように、水熱合成によって生成される。
(Example 2)
Example 2, like Example 1, is a magnetic catalyst for hydrogen production used to generate hydrogen from ammonia borane, which is a hydrogen-containing compound, and contains 96.02 wt% Co and 3.98 wt% Ni. It is a magnetic alloy containing a ferromagnetic acid, which is produced by hydrothermal synthesis as follows.
この磁性合金は、コバルトイオンを含む酢酸コバルト水溶液と、ニッケルイオンを含む酢酸ニッケル水溶液とを混合した混合水溶液を用いて作製される。この混合水溶液は、CoとNiがモル比で96:4となるように酢酸コバルトと酢酸ニッケルを混合して作製した。この混合水溶液は、蒸発乾固され乾燥物とされる。この乾燥物は500℃の酸素雰囲気中で2時間保持され酸化物に熱分解される。熱分解された酸化物は800℃の水素雰囲気中で2時間保持され水素熱還元され、室温での構造を最密六方格子(hcp)とした微細な合金粉末とされる。ここで得られた合金粉末は、Coを96.02wt%含有し、Niを3.98wt%含有する強磁性の磁性合金とされる。 This magnetic alloy is produced using a mixed aqueous solution of a cobalt acetate aqueous solution containing cobalt ions and a nickel acetate aqueous solution containing nickel ions. This mixed aqueous solution was prepared by mixing cobalt acetate and nickel acetate so that the molar ratio of Co and Ni was 96:4. This mixed aqueous solution is evaporated to dryness to obtain a dry product. This dried product is kept in an oxygen atmosphere at 500° C. for 2 hours to be thermally decomposed into oxides. The thermally decomposed oxide is maintained in a hydrogen atmosphere at 800° C. for 2 hours to undergo hydrogen thermal reduction, and is made into a fine alloy powder having a hexagonal close-packed lattice (hcp) structure at room temperature. The alloy powder obtained here is a ferromagnetic magnetic alloy containing 96.02 wt% Co and 3.98 wt% Ni.
本実施例2に係るCoを96.02wt%、Niを3.981wt%含有して構成された磁性合金は、この磁性合金を構成する合金粒子の1原子当たりの磁気モーメントがボーア磁子単位で1.66μBとし、価電子濃度が9.04とする。 The magnetic alloy according to Example 2 containing 96.02 wt% Co and 3.981 wt% Ni has a magnetic moment per atom of the alloy particles constituting this magnetic alloy in Bohr magneton units. It is assumed that the electron density is 1.66 μB and the valence electron concentration is 9.04.
すなわち、Co-Ni合金を構成する純Niは、図4に示すように、原子の構造において、3dに8個と4sに2個の電子を有することにより価電子濃度は10とする。そして、純Coは、図4に示すように、3dに7個と4sに2個の電子を有することにより価電子濃度は9とする。 That is, as shown in FIG. 4, pure Ni constituting the Co--Ni alloy has eight electrons in 3d and two electrons in 4s in its atomic structure, so that the valence electron concentration is 10. As shown in FIG. 4, pure Co has 7 electrons in 3d and 2 electrons in 4s, so that the valence electron concentration is 9.
そして、Coを96.02wt%、Niを3.92wt%含有する実施例2の磁性合金の価電子濃度は、磁性金属を構成する純Niと純Coの組成平均で定義することができ8.92である。そして、価電子濃度を9.04とする磁性合金の1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で1.66μBが示される。 The valence electron concentration of the magnetic alloy of Example 2 containing 96.02 wt% Co and 3.92 wt% Ni can be defined as the average composition of pure Ni and pure Co that constitute the magnetic metal.8. It is 92. The magnetic moment per atom of a magnetic alloy with a valence electron concentration of 9.04 is shown to be 1.66 μB in Bohr magneton units from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
上述したように磁気モーメントをボーア磁子単位で1.66μBとして作製された実施例2に係る磁性合金を触媒に用いて、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) using the magnetic alloy according to Example 2, which was prepared as described above with a magnetic moment of 1.66 μB in Bohr magneton units, as a catalyst. .
そして、アンモニアボランから水素を生成するに当たり、まず、上記磁性合金の粉末を純水に混合した磁性合金の混合液を準備する。 To generate hydrogen from ammonia borane, first, a mixed solution of a magnetic alloy is prepared by mixing powder of the magnetic alloy described above with pure water.
純水に混合される磁性合金には、実施例1と同様に、粒径を32μm以下に分級し粒径の均一化が図られた合金粉末が用いられる。この粒径を32μm以下に分級された合金粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入される。合金粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、磁性合金含有の混合液とされる。 As in Example 1, the magnetic alloy to be mixed with pure water is an alloy powder that has been classified to have a particle size of 32 μm or less to make the particle size uniform. 20 mg of the alloy powder, which has been classified to have a particle size of 32 μm or less, is weighed and poured into 1.0 ml of pure water. The pure water into which the alloy powder has been added is stirred using a stirrer to form a mixed liquid containing the magnetic alloy.
そして、磁性合金の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に溶解し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, an ammonia borane aqueous solution is prepared together with the magnetic alloy mixture. An ammonia borane aqueous solution was prepared by dissolving 0.5 mmol of ammonia borane powder in 1.5 ml of pure water.
上述したようにして作製した磁性合金の混合液1.0mlと、前記アンモニアボランの水溶液1.5mlを混合し、この混合水溶液2.5ml(図4参照)を加水分解した。 1.0 ml of the magnetic alloy mixture prepared as described above was mixed with 1.5 ml of the ammonia borane aqueous solution, and 2.5 ml of this mixed aqueous solution (see FIG. 4) was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、3.441(L(H2)min-1(mol of M)-1を達成する。なお、ここでMは、触媒としての磁性金属及び合金である。
The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) achieves 3.441 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1 as shown in FIG. 4. where M is a magnetic metal or alloy as a catalyst.
上述したように、1.66μBの磁気モーメントを有する本実施例2の磁性金属であって、直径を60nmとされた微粒子を含む磁性合金を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.04439nmとし、この臨界距離rc以内に存在する水素イオン(H)+、すなわち、プロトンを直径60nmとする微細な合金粒子を含む磁性金属に接近させて水素(H2)ガスを生成させる水素生成反応速度(RHER)を3.441(L(H2)min-1(mol of M)-1とする実用化可能な速度での水素生成を実現した。 As mentioned above, by using the magnetic alloy of Example 2, which is a magnetic metal having a magnetic moment of 1.66 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm, as a catalyst for hydrogen production, the hydrogen production described above can be achieved. As shown in the simulation, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approaching trajectory toward the magnetic metal is 0.04439 nm. The hydrogen production reaction rate (R Hydrogen production was achieved at a practical rate with HER ) of 3.441 (L(H 2 ) min -1 (mol of M) -1) .
実施例2に係る磁性合金は、この磁性合金を構成するCoの一部をNiで置換することにより、資源量の乏しいCoの使用割合の削減を図りながら、アンモニアボラン等の水素含有化合物から効率よく水素の生成を可能とする。 The magnetic alloy according to Example 2 replaces a part of the Co constituting this magnetic alloy with Ni, thereby reducing the usage rate of Co, which is a scarce resource, while efficiently converting hydrogen-containing compounds such as ammonia borane. It makes it possible to generate hydrogen.
(実施例3)
実施例3は、前記実施例と同様に、水素含有化合物であるアンモニアボランから水素を生成するために用いられる水素製造用磁性触媒であって、Coを92.03wt%、Niを7.97wt%含有した磁性合金であって、以下のように、水熱合成によって生成される。
(Example 3)
Example 3 is a magnetic catalyst for hydrogen production used to generate hydrogen from ammonia borane, which is a hydrogen-containing compound, in the same way as in the previous example, and contains 92.03 wt% Co and 7.97 wt% Ni. It is a magnetic alloy containing a ferromagnetic acid, which is produced by hydrothermal synthesis as follows.
この磁性合金は、実施例2と同様に、コバルトイオンを含む酢酸コバルト水溶液と、ニッケルイオンを含む酢酸ニッケル水溶液とを混合した混合水溶液を用いて作製される。この混合水溶液は、CoとNiがモル比で92:8となるように酢酸コバルトと酢酸ニッケルを混合して作製した。この混合水溶液は、前記実施例2と同様の工程及び条件で蒸発乾固され、この乾燥物を熱分解し、次いで水素熱還元されることによって、室温での構造を最密六方格子(hcp)とした微細な合金粉末とされる。ここで得られた合金粉末は、Coを92.03wt%含有し、Niを7.97wt%含有する強磁性の磁性合金とされる。 Similar to Example 2, this magnetic alloy is produced using a mixed aqueous solution of a cobalt acetate aqueous solution containing cobalt ions and a nickel acetate aqueous solution containing nickel ions. This mixed aqueous solution was prepared by mixing cobalt acetate and nickel acetate so that the molar ratio of Co and Ni was 92:8. This mixed aqueous solution was evaporated to dryness in the same steps and conditions as in Example 2, and the dried product was thermally decomposed and then subjected to hydrothermal reduction, thereby converting the structure at room temperature into a hexagonal close-packed lattice (HCP). It is said to be a fine alloy powder. The alloy powder obtained here is a ferromagnetic magnetic alloy containing 92.03 wt% Co and 7.97 wt% Ni.
本実施例3に係るCoを92.03wt%、Niを7.981wt%含有して構成された磁性合金は、この磁性合金を構成する合金粒子の1原子当たりの磁気モーメントをボーア磁子単位で1.59μBとし、価電子濃度が9.08とする。 The magnetic alloy according to Example 3 containing 92.03 wt% Co and 7.981 wt% Ni has a magnetic moment per atom of the alloy particles constituting this magnetic alloy in Bohr magneton units. Assume that it is 1.59 μB and the valence electron concentration is 9.08.
Co-Ni合金を構成する純Niは、図4に示すように、原子の構造において、3dに8個と4sに2個の電子を有することにより価電子濃度は10とする。そして、純Coは、図4に示すように、3dに7個と4sに2個の電子を有することにより価電子濃度は9とする。 As shown in FIG. 4, pure Ni constituting the Co--Ni alloy has eight electrons in 3d and two electrons in 4s in its atomic structure, so that the valence electron concentration is 10. As shown in FIG. 4, pure Co has 7 electrons in 3d and 2 electrons in 4s, so that the valence electron concentration is 9.
そして、Coを92.03wt%、Niを7.98wt%含有する実施例3の磁性合金の価電子濃度は、磁性金属を構成する純Niと純Coの組成平均で定義することができ9.08である。そして、価電子濃度を9.08とする磁性合金の1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で1.59μBが示される。 The valence electron concentration of the magnetic alloy of Example 3 containing 92.03 wt% Co and 7.98 wt% Ni can be defined as the average composition of pure Ni and pure Co that constitute the magnetic metal.9. It is 08. The magnetic moment per atom of a magnetic alloy with a valence electron concentration of 9.08 is shown to be 1.59 μB in Bohr magneton units from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
上述したように磁気モーメントをボーア磁子単位で1.59μBとして作製された実施例3に係る磁性合金を触媒に用いて、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) using the magnetic alloy according to Example 3, which was prepared with a magnetic moment of 1.59 μB in Bohr magneton units as described above, as a catalyst. .
上述したように磁気モーメントをボーア磁子単位で1.59μBとして作製された実施例3に係る磁性合金を触媒に用いて、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) using the magnetic alloy according to Example 3, which was prepared with a magnetic moment of 1.59 μB in Bohr magneton units as described above, as a catalyst. .
そして、アンモニアボランから水素を生成するに当たり、まず、上記磁性合金の粉末を純水に混合し、磁性合金の混合液を準備する。 To generate hydrogen from ammonia borane, first, the magnetic alloy powder is mixed with pure water to prepare a magnetic alloy mixture.
純水に混合される磁性合金には、前記各実施例と同様に、粒径を32μm以下に分級し粒径の均一化が図れた金属粉末が用いられる。この粒径が32μm以下に分級された合金粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入される。合金粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、磁性合金含有の混合液とされる。 As in the above embodiments, the magnetic alloy to be mixed with pure water uses metal powder that has been classified to have a particle size of 32 μm or less to make the particle size uniform. 20 mg of the alloy powder classified to have a particle size of 32 μm or less is weighed and added to 1.0 ml of pure water. The pure water into which the alloy powder has been added is stirred using a stirrer to form a mixed liquid containing the magnetic alloy.
そして、磁性合金の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に溶解し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, together with the magnetic alloy mixture, an ammonia borane aqueous solution is prepared. An ammonia borane aqueous solution was prepared by dissolving 0.5 mmol of ammonia borane powder in 1.5 ml of pure water.
上述したようにして作製した磁性合金の混合液1.0mlと、前記アンモニアボランの水溶液1.5mlを混合し、この混合水溶液を加水分解した。 1.0 ml of the magnetic alloy mixture prepared as described above was mixed with 1.5 ml of the ammonia borane aqueous solution, and this mixed aqueous solution was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、2.523(L(H2)min-1(mol of M)-1を達成する。
The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) is 2.523 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1 as shown in FIG. 4).
上述したように、1.59μBの磁気モーメントを有する本実施例3の磁性金属であって、直径を60nmとされた微粒子を含む磁性合金を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.043755nmとし、この臨界距離rc以内に存在する水素イオン(H)+、すなわち、プロトンを直径60nmとする微細な合金粒子を含む磁性金属に接近させて反応させて、水素(H2)を生成する水素生成反応速度(RHER)を3.441(L(H2)min-1(mol of M)-1とする実用化可能な速度での水素生成を実現した。 As mentioned above, by using the magnetic alloy of Example 3, which is a magnetic metal having a magnetic moment of 1.59 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm, as a catalyst for hydrogen production, the hydrogen production described above can be achieved. As shown in the simulation, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approach trajectory toward the magnetic metal is 0.043755 nm. A hydrogen production reaction in which hydrogen ions (H) + , that is, protons existing within this critical distance rc, are brought close to a magnetic metal containing fine alloy particles with a diameter of 60 nm and reacted to produce hydrogen (H 2 ). Hydrogen production was achieved at a rate (R HER ) of 3.441 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1) that is practical.
実施例3に係る磁性合金は、この磁性合金を構成するCoの一部をNiで置換することにより、資源量の乏しいCoの使用割合の削減を図りながら、アンモニアボラン等の水素含有化合物から効率よく水素の生成を可能とする。 The magnetic alloy according to Example 3 replaces a part of the Co constituting this magnetic alloy with Ni, thereby reducing the usage rate of Co, which is a scarce resource, while efficiently converting hydrogen-containing compounds such as ammonia borane. It makes it possible to generate hydrogen.
(実施例4)
実施例4は、前記実施例1~3と同様に、水素含有化合物であるアンモニアボランから水素を生成するために用いられる水素製造用磁性触媒であって、Coを85.05wt%、Niを14.95wt%含有した磁性合金であって、以下のように、水熱合成によって生成される。
(Example 4)
Example 4, like Examples 1 to 3, is a magnetic catalyst for hydrogen production used to generate hydrogen from ammonia borane, which is a hydrogen-containing compound. It is a magnetic alloy containing .95 wt%, and is produced by hydrothermal synthesis as follows.
この磁性合金は、実施例2、3と同様に、コバルトイオンを含む酢酸コバルト水溶液と、ニッケルイオンを含む酢酸ニッケル水溶液とを混合した混合水溶液を用いて作製される。この混合水溶液は、CoとNiがモル比で85:15となるように酢酸コバルトと酢酸ニッケルを混合して作製した。この混合水溶液は、前記実施例2と同様の工程及び条件で蒸発乾固され、この乾燥物を熱分解し、次いで水素熱還元されることによって、室温での構造を最密六方格子(hcp)とした微細な合金粉末とされる。ここで得られた合金粉末は、Coを85.05wt%含有し、Niを14.95wt%含有する強磁性の磁性合金とされる。 Similar to Examples 2 and 3, this magnetic alloy is produced using a mixed aqueous solution of a cobalt acetate aqueous solution containing cobalt ions and a nickel acetate aqueous solution containing nickel ions. This mixed aqueous solution was prepared by mixing cobalt acetate and nickel acetate so that the molar ratio of Co and Ni was 85:15. This mixed aqueous solution was evaporated to dryness in the same steps and conditions as in Example 2, and the dried product was thermally decomposed and then subjected to hydrothermal reduction, thereby converting the structure at room temperature into a hexagonal close-packed lattice (HCP). It is said to be a fine alloy powder. The alloy powder obtained here is a ferromagnetic magnetic alloy containing 85.05 wt% Co and 14.95 wt% Ni.
このCoを85.05wt%、Niを14.95wt%含有して構成された磁性合金は、この磁性合金を構成する合金粒子の1原子当たりの磁気モーメントをボーア磁子単位で1.55μBとし、価電子濃度が9.15とする。 This magnetic alloy containing 85.05 wt% Co and 14.95 wt% Ni has a magnetic moment per atom of the alloy particles constituting this magnetic alloy of 1.55 μB in Bohr magneton units. It is assumed that the valence electron concentration is 9.15.
すなわち、Coを85.05wt%、Niを14.9wt%含有する実施例4の磁性合金の価電子濃度は、磁性金属を構成する純Niと純Coの組成平均で定義することができ9.15である。そして、価電子濃度を9.15とする磁性合金の1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で1.55μBが示される。 That is, the valence electron concentration of the magnetic alloy of Example 4 containing 85.05 wt% Co and 14.9 wt% Ni can be defined as the average composition of pure Ni and pure Co that constitute the magnetic metal.9. It is 15. The magnetic moment per atom of a magnetic alloy with a valence electron concentration of 9.15 is shown to be 1.55 μB in Bohr magneton units from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
上述したように磁気モーメントをボーア磁子単位で1.55μBとして作製された実施例4に係る磁性合金を触媒に用いて、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) using the magnetic alloy according to Example 4, which was prepared with a magnetic moment of 1.55 μB in Bohr magneton units as described above, as a catalyst. .
まず、アンモニアボランから水素を生成するため、前記各実施例と同様に、上記磁性合金の粉末を純水に混合し、磁性合金の混合液を準備する。 First, in order to generate hydrogen from ammonia borane, the powder of the magnetic alloy described above is mixed with pure water to prepare a mixed liquid of the magnetic alloy, as in each of the examples described above.
純水に混合される磁性合金には、32μm以下の粒径に分級され、粒径の均一化が図られたた合金粉末が用いられる。この粒径を32μm以下に分級された合金粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入される。合金粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、磁性合金含有の混合液とされる。 The magnetic alloy to be mixed with pure water is an alloy powder that has been classified to have a particle size of 32 μm or less and has a uniform particle size. 20 mg of the alloy powder, which has been classified to have a particle size of 32 μm or less, is weighed and poured into 1.0 ml of pure water. The pure water into which the alloy powder has been added is stirred using a stirrer to form a mixed liquid containing the magnetic alloy.
そして、磁性合金の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に溶解し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, an ammonia borane aqueous solution is prepared together with the magnetic alloy mixture. An ammonia borane aqueous solution was prepared by dissolving 0.5 mmol of ammonia borane powder in 1.5 ml of pure water.
上述したようにして作製した磁性合金の混合液1.0mlと、前記アンモニアボランの水溶液1.5mlを混合し、この混合水溶液2.5mlを加水分解した。 1.0 ml of the magnetic alloy mixture prepared as described above was mixed with 1.5 ml of the ammonia borane aqueous solution, and 2.5 ml of this mixed aqueous solution was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、1.1515(L(H2)min-1(mol of M)-1を達成する。
The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) achieved 1.1515 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1 as shown in FIG. 4).
上述したように、1.55μBの磁気モーメントを有する本実施例4の磁性金属であって、直径を60nmとされた微粒子を含む磁性合金を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.043755nmとし、この臨界距離rc以内に存在する水素イオン(H)+、すなわち、プロトンを直径60nmとする微細な合金粒子を含む磁性金属に接近させ、水素(H2)ガスを生成する水素生成反応速度(RHER)を1.515(L(H2)min-1(mol of M)-1とする実用化可能な速度での水素生成を実現した。 As mentioned above, by using the magnetic alloy of Example 4, which is a magnetic metal having a magnetic moment of 1.55 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm, as a catalyst for hydrogen production, the hydrogen production described above can be achieved. As shown in the simulation, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approach trajectory toward the magnetic metal is 0.043755 nm. The hydrogen production reaction rate (R Hydrogen production was achieved at a practically practicable rate with HER ) of 1.515 (L(H 2 ) min -1 (mol of M) -1) .
実施例4に係る磁性合金は、この磁性合金を構成するCoの一部をNiで置換することにより、資源量の乏しいCoの使用割合の削減を図りながら、アンモニアボラン等の水素含有化合物から効率よく水素の生成を可能とする。 In the magnetic alloy according to Example 4, by replacing a part of the Co constituting this magnetic alloy with Ni, it is possible to reduce the usage rate of Co, which is a scarce resource, while efficiently converting hydrogen-containing compounds such as ammonia borane. It makes it possible to generate hydrogen.
(実施例5)
実施例5は、前記実施例1~4と同様に、水素含有化合物であるアンモニアボランから水素を生成するために用いられる水素製造用磁性触媒であって、Coを50.10wt%、Niを49.90wt%含有した磁性合金であって、以下のように、水熱合成によって生成される。
(Example 5)
Example 5, similar to Examples 1 to 4, is a magnetic catalyst for hydrogen production used to generate hydrogen from ammonia borane, which is a hydrogen-containing compound. It is a magnetic alloy containing .90 wt%, and is produced by hydrothermal synthesis as follows.
この磁性合金は、実施例2~4と同様に、コバルトイオンを含む酢酸コバルト水溶液と、ニッケルイオンを含む酢酸ニッケル水溶液とを混合した混合水溶液を用いて作製される。この混合水溶液は、CoとNiがモル比で50:50となるように酢酸コバルトと酢酸ニッケルを混合して作製した。この混合水溶液は、前記実施例2~4と同様の工程及び条件で蒸発乾固され、この乾燥物を熱分解し、次いで水素熱還元されることによって、室温での構造を面心六方格子(fcc)とした微細な合金粉末とされる。ここで得られた合金粉末は、Coを50.10wt%含有し、Niを49.90wt%含有する強磁性の磁性合金とされる。
Similar to Examples 2 to 4, this magnetic alloy is produced using a mixed aqueous solution of a cobalt acetate aqueous solution containing cobalt ions and a nickel acetate aqueous solution containing nickel ions. This mixed aqueous solution was prepared by mixing cobalt acetate and nickel acetate so that the molar ratio of Co and Ni was 50:50 . This mixed aqueous solution was evaporated to dryness in the same steps and conditions as in Examples 2 to 4, and the dried product was thermally decomposed and then subjected to hydrothermal reduction to change the structure at room temperature to a face-centered hexagonal lattice. fcc) is used as a fine alloy powder. The alloy powder obtained here is a ferromagnetic magnetic alloy containing 50.10 wt% Co and 49.90 wt% Ni.
本実施例5に係るCoを50.10wt%、Niを49.90wt%含有して構成された磁性合金の価電子濃度は、磁性金属を構成する純Niと純Coの組成平均で定義され9.5となる。そして、価電子濃度を9.5とする磁性合金の1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で1.18μBが示される。 The valence electron concentration of the magnetic alloy containing 50.10 wt% Co and 49.90 wt% Ni according to Example 5 is defined as the average composition of pure Ni and pure Co that constitute the magnetic metal. It becomes .5. The magnetic moment per atom of a magnetic alloy with a valence electron concentration of 9.5 is shown to be 1.18 μB in Bohr magneton units from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
上述したように磁気モーメントをボーア磁子単位で1.18μBとして作製された実施例5に係る磁性合金を触媒に用いて、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) using the magnetic alloy according to Example 5, which was prepared with a magnetic moment of 1.18 μB in Bohr magneton units as described above, as a catalyst. .
そして、アンモニアボランから水素を生成するため、前記各実施例と同様に、上記磁性合金の粉末を純水に混合し、磁性合金の混合液を準備する。 Then, in order to generate hydrogen from ammonia borane, the powder of the magnetic alloy is mixed with pure water to prepare a mixed liquid of the magnetic alloy, as in the above embodiments.
純水に混合される磁性合金には、粒径が32μm以下となるように分級され、粒径の均一化が図れた合金粉末が用いられる。この粒径を32μm以下に分級された合金粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入される。合金粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、磁性合金含有の混合液とされる。 The magnetic alloy to be mixed with pure water is an alloy powder that has been classified to have a particle size of 32 μm or less and has a uniform particle size. 20 mg of the alloy powder, which has been classified to have a particle size of 32 μm or less, is weighed and poured into 1.0 ml of pure water. The pure water into which the alloy powder has been added is stirred using a stirrer to form a mixed liquid containing the magnetic alloy.
そして、磁性合金の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に溶解し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, an ammonia borane aqueous solution is prepared together with the magnetic alloy mixture. An ammonia borane aqueous solution was prepared by dissolving 0.5 mmol of ammonia borane powder in 1.5 ml of pure water.
上述したようにして作製した磁性合金の混合液1.0mlと、前記アンモニアボランの水溶液1.5mlを混合し、この混合水溶液を加水分解した。 1.0 ml of the magnetic alloy mixture produced as described above and 1.5 ml of the ammonia borane aqueous solution were mixed, and this mixed aqueous solution was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、1.515(L(H2)min-1(mol of M)-1を達成する。
The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) achieved 1.515 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1 as shown in FIG. 4).
上述したように、1.18μBの磁気モーメントを有する本実施例5の磁性金属であって、直径を60nmとされた微粒子を含む磁性合金を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.03966nmとし、この臨界距離rc以内に存在する水素イオン(H)+、すなわち、プロトンを直径を60nmとする微細な合金粒子を含む磁性金属に接近させ、水素(H2)ガスを生成する水素生成反応速度(RHER)を1.515(L(H2)min-1(mol of M)-1とする実用化可能な速度での水素生成を実現した。 As mentioned above, by using the magnetic alloy of Example 5, which is a magnetic metal having a magnetic moment of 1.18 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm, as a catalyst for hydrogen production, the hydrogen production described above can be achieved. As shown in the simulation, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approach trajectory toward the magnetic metal is 0.03966 nm. Hydrogen ions (H) + , that is, protons existing within this critical distance rc, are brought close to a magnetic metal containing fine alloy particles with a diameter of 60 nm to produce hydrogen (H 2 ) gas. Hydrogen production was achieved at a practical rate with R HER ) of 1.515 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1) .
実施例5に係る磁性合金も、この磁性合金を構成するCoの一部を資源量が豊富なNiで置換することにより、資源量の乏しいCoの使用割合の削減を図りながら、アンモニアボラン等の水素含有化合物から効率よく水素の生成を可能とする。 The magnetic alloy according to Example 5 also replaces a part of the Co constituting this magnetic alloy with Ni, which is abundant in resources, to reduce the proportion of Co, which is scarce in resources, while also incorporating materials such as ammonia borane. Enables efficient generation of hydrogen from hydrogen-containing compounds.
(実施例6)
実施例6は、前記実施例1と同様に、水素含有化合物であるアンモニアボランから水素を生成するために用いられる水素製造用磁性触媒であって、Coを85.67wt%、Feを14.33wt%含有した磁性合金であって、以下のように、水熱合成によって生成される。
(Example 6)
Example 6, similar to Example 1, is a magnetic catalyst for hydrogen production used to generate hydrogen from ammonia borane, which is a hydrogen-containing compound, and contains 85.67 wt% Co and 14.33 wt% Fe. %, and is produced by hydrothermal synthesis as follows.
この磁性合金は、コバルトイオンを含む酢酸コバルト水溶液と、鉄イオンを含む硝酸鉄水溶液とを混合した混合水溶液を用いて作製される。この混合水溶液は、CoとFeがモル比で85:15となるように酢酸コバルトと硝酸鉄を混合して作製した。この混合水溶液は、蒸発乾固され乾燥物とされる。この乾燥物は500℃の酸素雰囲気中で2時間保持され酸化物に熱分解される。熱分解された酸化物は800℃の水素雰囲気中で2時間保持され水素熱還元され、室温での構造を最密六方格子(hcp)とした微細な合金粉末とされる。ここで得られた合金粉末は、Coを86.67wt%含有し、Feを14.33wt%含有する強磁性の磁性合金とされる。 This magnetic alloy is produced using a mixed aqueous solution of a cobalt acetate aqueous solution containing cobalt ions and an iron nitrate aqueous solution containing iron ions. This mixed aqueous solution was prepared by mixing cobalt acetate and iron nitrate so that the molar ratio of Co and Fe was 85:15. This mixed aqueous solution is evaporated to dryness to obtain a dry product. This dried product is kept in an oxygen atmosphere at 500° C. for 2 hours to be thermally decomposed into oxides. The thermally decomposed oxide is maintained in a hydrogen atmosphere at 800° C. for 2 hours to undergo hydrogen thermal reduction, and is made into a fine alloy powder having a hexagonal close-packed lattice (hcp) structure at room temperature. The alloy powder obtained here is a ferromagnetic magnetic alloy containing 86.67 wt% Co and 14.33 wt% Fe.
本実施例6に係るCoを85.67wt%、Feを14.33wt%含有して構成された磁性合金は、この磁性合金を構成する合金粒子の1原子当たりの磁気モーメントがボーア磁子単位で1.868μBとし、価電子濃度が8.85とする。 The magnetic alloy containing 85.67 wt% Co and 14.33 wt% Fe according to Example 6 has a magnetic moment per atom of the alloy particles constituting this magnetic alloy in Bohr magneton units. It is assumed that the electron density is 1.868 μB and the valence electron concentration is 8.85.
すなわち、Coを85.67wt%、Feを14.33wt%含有する実施例6の磁性合金の価電子濃度は、磁性金属を構成する純Feと純Coの組成平均で定義することができ8.85である。そして、価電子濃度を8.85とする磁性合金の1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で1.818μBが示される。 That is, the valence electron concentration of the magnetic alloy of Example 6 containing 85.67 wt% Co and 14.33 wt% Fe can be defined as the compositional average of pure Fe and pure Co that constitute the magnetic metal.8. It is 85. The magnetic moment per atom of a magnetic alloy with a valence electron concentration of 8.85 is shown to be 1.818 μB in Bohr magneton units from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
上述したように磁気モーメントをボーア磁子単位で1.818μBとして作製された実施例6に係る磁性合金を触媒に用いて、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) using the magnetic alloy according to Example 6, which was prepared as described above with a magnetic moment of 1.818 μB in Bohr magneton units, as a catalyst. .
そして、アンモニアボランから水素を生成するため、前記各実施例と同様に、上記磁性合金の粉末を純水に混合し、磁性合金の混合液を準備する。 Then, in order to generate hydrogen from ammonia borane, the powder of the magnetic alloy is mixed with pure water to prepare a mixed liquid of the magnetic alloy, as in each of the examples described above.
純水に混合される磁性合金には、粒径が32μm以下に分級され、粒径の均一化が図られた合金粉末が用いられる。この粒径を32μm以下に分級された合金粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入される。合金粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、磁性合金含有の混合液とされる。 For the magnetic alloy to be mixed with pure water, alloy powder classified to have a particle size of 32 μm or less and made uniform in particle size is used. 20 mg of the alloy powder, which has been classified to have a particle size of 32 μm or less, is weighed and poured into 1.0 ml of pure water. The pure water into which the alloy powder has been added is stirred using a stirrer to form a mixed liquid containing the magnetic alloy.
磁性合金の合金粉末として、粒径を32μm以下に分級したものを用いることにより、短時間で、純水に均一に溶解することができる。 By using an alloy powder of a magnetic alloy that has been classified to have a particle size of 32 μm or less, it can be uniformly dissolved in pure water in a short time.
そして、磁性合金の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に混合し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, an ammonia borane aqueous solution is prepared together with the magnetic alloy mixture. An ammonia borane aqueous solution was prepared by mixing 0.5 mmol of ammonia borane powder with 1.5 ml of pure water.
上述したようにして作製した磁性合金の混合液1.0mlと、前記アンモニアボランの水溶液1.5mlを混合し、この混合水溶液を加水分解した。 1.0 ml of the magnetic alloy mixture prepared as described above was mixed with 1.5 ml of the ammonia borane aqueous solution, and this mixed aqueous solution was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。 The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、2.247(L(H2)min-1(mol of M)-1を達成する。 Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) is 2.247 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1 , as shown in FIG. 4).
上述したように、1.868μBの磁気モーメントを有する本実施例6の磁性金属であって、直径を60nmとされた微粒子を含む磁性合金を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.04602nmとし、この臨界距離rc以内に存在する水素イオン(H)+、すなわち、プロトンを直径を60nmとする微細な合金粒子を含む磁性金属に接近させ、水素(H2)ガスを生成する水素生成反応速度(RHER)を2.247(L(H2)min-1(mol of M)-1とする実用化可能な速度での水素生成を実現した。 As mentioned above, by using the magnetic alloy of Example 6, which is a magnetic metal having a magnetic moment of 1.868 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm, as a catalyst for hydrogen production, the hydrogen production described above can be achieved. As shown in the simulation, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approaching trajectory toward the magnetic metal is 0.04602 nm. Hydrogen ions (H) + , that is, protons existing within this critical distance rc, are brought close to a magnetic metal containing fine alloy particles with a diameter of 60 nm to produce hydrogen (H 2 ) gas. Hydrogen production was achieved at a practical rate with R HER ) of 2.247 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1) .
実施例6に係る磁性合金も、Coの一部をFeで置換し、資源量の乏しいCoの使用割合の削減を図りながら、アンモニアボラン等の水素含有化合物から効率よく水素の生成を可能とする。 The magnetic alloy according to Example 6 also replaces a part of Co with Fe, making it possible to efficiently generate hydrogen from hydrogen-containing compounds such as ammonia borane while reducing the usage rate of Co, which is a scarce resource. .
(実施例7)
実施例7は、前記実施例1、6と同様に、水素含有化合物であるアンモニアボランから水素を生成するために用いられる水素製造用磁性触媒であって、Coを66.21wt%、Feを33.79wt%含有した磁性合金であって、以下のように、水熱合成によって生成される。
(Example 7)
Example 7, similar to Examples 1 and 6, is a magnetic catalyst for hydrogen production used to generate hydrogen from ammonia borane, which is a hydrogen-containing compound. It is a magnetic alloy containing .79 wt %, and is produced by hydrothermal synthesis as follows.
この磁性合金は、コバルトイオンを含む酢酸コバルト水溶液と、鉄イオンを含む硝酸鉄水溶液とを混合した混合水溶液を用いて作製される。この混合水溶液は、コバルト(Co))と鉄(Fe)がモル比で65:35となるように酢酸コバルトと硝酸鉄を混合して作製した。この混合水溶液は、蒸発乾固され乾燥物とされる。この乾燥物は500℃の酸素雰囲気中で2時間保持され酸化物に熱分解される。熱分解された酸化物は800℃の水素雰囲気中で2時間保持され水素熱還元され、室温での構造を体心立方格子(bcc)とした微細な合金粉末とされる。ここで得られた合金粉末は、Coを66.21wt%含有し、Feを33.79wt%含有する強磁性の磁性合金とされる。 This magnetic alloy is produced using a mixed aqueous solution of a cobalt acetate aqueous solution containing cobalt ions and an iron nitrate aqueous solution containing iron ions. This mixed aqueous solution was prepared by mixing cobalt acetate and iron nitrate so that the molar ratio of cobalt (Co) and iron (Fe) was 65:35. This mixed aqueous solution is evaporated to dryness to obtain a dry product. This dried product is kept in an oxygen atmosphere at 500° C. for 2 hours to be thermally decomposed into oxides. The thermally decomposed oxide is maintained in a hydrogen atmosphere at 800° C. for 2 hours to undergo hydrogen thermal reduction, and is turned into a fine alloy powder having a body-centered cubic lattice (BCC) structure at room temperature. The alloy powder obtained here is a ferromagnetic magnetic alloy containing 66.21 wt% Co and 33.79 wt% Fe.
本実施例7に係るCoを66.21wt%、Feを33.79wt%含有して構成された磁性合金は、この磁性合金を構成する合金粒子の1原子当たりの磁気モーメントがボーア磁子単位で2.225μBとし、価電子濃度が8.65とする。 The magnetic alloy containing 66.21 wt% Co and 33.79 wt% Fe according to Example 7 has a magnetic moment per atom of the alloy particles constituting this magnetic alloy in Bohr magneton units. Assume that it is 2.225 μB and the valence electron concentration is 8.65.
すなわち、Coを66.21wt%、Feを33.79wt%含有する実施例7の磁性合金の価電子濃度は、磁性金属を構成する純Feと純Coの組成平均で定義することができ8.65である。そして、価電子濃度を8.65とする磁性合金の1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で2.225μBが示される。 That is, the valence electron concentration of the magnetic alloy of Example 7 containing 66.21 wt% Co and 33.79 wt% Fe can be defined by the compositional average of pure Fe and pure Co that constitute the magnetic metal.8. It is 65. The magnetic moment per atom of a magnetic alloy with a valence electron concentration of 8.65 is shown to be 2.225 μB in Bohr magneton units from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
上述したように磁気モーメントをボーア磁子単位で2.225μBとして作製された実施例6に係る磁性合金を触媒に用いて、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) using the magnetic alloy according to Example 6, which was prepared with a magnetic moment of 2.225 μB in Bohr magneton units as described above, as a catalyst. .
そして、アンモニアボランから水素を生成するため、前記各実施例と同様に、上記磁性合金の粉末を純水に混合し、磁性合金の混合液を準備する。 Then, in order to generate hydrogen from ammonia borane, the powder of the magnetic alloy is mixed with pure water to prepare a mixed liquid of the magnetic alloy, as in the above embodiments.
純水に混合される磁性合金には、粒径が32μm以下に分級され、粒径の均一化が図られた合金粉末が用いられる。この粒径を32μm以下に分級された合金粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入される。合金粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、磁性合金含有の混合液とされる。 For the magnetic alloy to be mixed with pure water, alloy powder classified to have a particle size of 32 μm or less and made uniform in particle size is used. 20 mg of the alloy powder, which has been classified to have a particle size of 32 μm or less, is weighed and poured into 1.0 ml of pure water. The pure water into which the alloy powder has been added is stirred using a stirrer to form a mixed liquid containing the magnetic alloy.
そして、磁性合金の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に混合し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, an ammonia borane aqueous solution is prepared together with the magnetic alloy mixture. An ammonia borane aqueous solution was prepared by mixing 0.5 mmol of ammonia borane powder with 1.5 ml of pure water.
上述したようにして作製した磁性合金の混合液1.0mlと、前記アンモニアボランの水溶液1.5mlを混合し、この混合水溶液2.5ml(図4参照)を加水分解した。 1.0 ml of the magnetic alloy mixture prepared as described above was mixed with 1.5 ml of the ammonia borane aqueous solution, and 2.5 ml of this mixed aqueous solution (see FIG. 4) was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。 The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、1.737(L(H2)min-1(mol of M)-1を達成する。 Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) achieved 1.737 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1 as shown in FIG. 4).
上述したように、2.225μBの磁気モーメントを有する本実施例7の磁性金属であって、直径を60nmとされた微粒子を含む磁性合金を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.0486nmとし、この臨界距離rc以内に存在する水素イオン(H)+、すなわち、プロトンを直径60nmとする微細な合金粒子を含む磁性金属に接近させ、水素(H2)ガスを生成する水素生成反応速度(RHER)を2.247(L(H2)min-1(mol of M)-1とする実用化可能な速度での水素生成を実現した。 As mentioned above, by using the magnetic alloy of Example 7, which is a magnetic metal having a magnetic moment of 2.225 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm, as a catalyst for hydrogen production, the above-mentioned hydrogen production can be achieved. As shown in the simulation, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approaching trajectory toward the magnetic metal is set to 0.0486 nm. The hydrogen production reaction rate (R Hydrogen production was achieved at a practical rate with HER ) of 2.247 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1) .
実施例7に係る磁性合金も、Coの一部をFeで置換し、資源量の乏しいCoの使用割合の削減を図りながら、アンモニアボラン等の水素含有化合物から効率よく水素の生成を可能とする。 The magnetic alloy according to Example 7 also replaces a part of Co with Fe, making it possible to efficiently generate hydrogen from hydrogen-containing compounds such as ammonia borane while reducing the usage rate of Co, which is a scarce resource. .
(実施例8)
実施例8は、前記実施例1、6、7と同様に、アンモニアボランから水素を生成するために用いられる水素製造用磁性触媒であって、Coを48.65wt%、Feを51.38wt%含有した磁性合金であって、以下のように、水熱合成によって生成される。
(Example 8)
Example 8, like Examples 1, 6, and 7, is a magnetic catalyst for hydrogen production used to generate hydrogen from ammonia borane, and contains 48.65 wt% Co and 51.38 wt% Fe. It is a magnetic alloy containing a ferromagnetic acid, which is produced by hydrothermal synthesis as follows.
この磁性合金は、コバルトイオンを含む酢酸コバルト水溶液と、鉄イオンを含む硝酸鉄水溶液とを混合した混合水溶液を用いて作製される。この混合水溶液は、CoとFeがモル比で50:50となるように酢酸コバルトと硝酸鉄を混合して作製した。この混合水溶液は、蒸発乾固され乾燥物とされる。この乾燥物は500℃の酸素雰囲気中で2時間保持され酸化物に熱分解される。熱分解された酸化物は800℃の水素雰囲気中で2時間保持され水素熱還元され、室温での構造を体心立方格子(bcc)とした微細な合金粉末とされる。ここで得られた合金粉末は、Coを48.65wt%含有し、Feを51.38wt%含有する強磁性の磁性合金とされる。 This magnetic alloy is produced using a mixed aqueous solution of a cobalt acetate aqueous solution containing cobalt ions and an iron nitrate aqueous solution containing iron ions. This mixed aqueous solution was prepared by mixing cobalt acetate and iron nitrate so that the molar ratio of Co and Fe was 50:50. This mixed aqueous solution is evaporated to dryness to obtain a dry product. This dried product is kept in an oxygen atmosphere at 500° C. for 2 hours to be thermally decomposed into oxides. The thermally decomposed oxide is maintained in a hydrogen atmosphere at 800° C. for 2 hours to undergo hydrogen thermal reduction, and is turned into a fine alloy powder having a body-centered cubic lattice (BCC) structure at room temperature. The alloy powder obtained here is a ferromagnetic magnetic alloy containing 48.65 wt% Co and 51.38 wt% Fe.
本実施例8に係るCoを48.65wt%、Feを51.38wt%含有して構成された磁性合金は、この磁性合金を構成する合金粒子の1原子当たりの磁気モーメントがボーア磁子単位で2.288μBとし、価電子濃度が8.5とする。 The magnetic alloy containing 48.65 wt% Co and 51.38 wt% Fe according to Example 8 has a magnetic moment per atom of the alloy particles constituting this magnetic alloy in Bohr magneton units. 2.288 μB, and the valence electron concentration is 8.5.
すなわち、Coを48.65wt%、Feを51.38wt%含有する実施例7の磁性合金の価電子濃度は、磁性金属を構成する純Feと純Coの組成平均で定義することができ8.5である。そして、価電子濃度を8.5とする磁性合金の1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で2.288μBが示される。 That is, the valence electron concentration of the magnetic alloy of Example 7 containing 48.65 wt% Co and 51.38 wt% Fe can be defined as the average composition of pure Fe and pure Co that constitute the magnetic metal.8. It is 5. The magnetic moment per atom of a magnetic alloy with a valence electron concentration of 8.5 is 2.288 μB in Bohr magneton units from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
上述したように磁気モーメントをボーア磁子単位で2.288μBとして作製された実施例6に係る磁性合金を触媒に用いて、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) using the magnetic alloy according to Example 6, which was prepared with a magnetic moment of 2.288 μB in Bohr magneton units as described above, as a catalyst. .
なお、本実施例8に係る磁性合金は、前記各実施例と同様に、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)を生成する触媒として用いるため、アンモニアボランが溶解された水溶液中に溶解されたとき、アンモニアボランから放出されこの水溶液中でブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡にあるプロトンを磁気吸引して磁気的影響を与えるに足る臨界距離rcまで確実に接近可能な大きさとされた合金粒子を含むものが用いられる。 Note that the magnetic alloy according to Example 8 is used as a catalyst to generate hydrogen (H 2 ) from ammonia borane (NH 3 BH 3 ), so it is used in an aqueous solution in which ammonia borane is dissolved. When dissolved in ammonia borane, the alloy is sized so that protons released from ammonia borane and located on random walking trajectories due to Brownian motion in this aqueous solution can be magnetically attracted and reliably approached to a critical distance rc sufficient to exert a magnetic influence. A material containing particles is used.
望ましくは、本実施例8に係る磁性合金は、アンモニアボランから水素を生成するための触媒として用いられるときに、水溶液中でブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡にあるプロトンに磁気影響を与え磁気吸引し得る臨界距離rcを実現するため、前述したシミュレーションで示したように、直径を60nm以下とする微粒子を含むものを用いることが望ましい。」 Preferably, when the magnetic alloy according to Example 8 is used as a catalyst for producing hydrogen from ammonia borane, it can exert a magnetic influence on protons on random walking trajectories due to Brownian motion in an aqueous solution, and can magnetically attract them. In order to realize the critical distance rc, it is desirable to use a material containing fine particles with a diameter of 60 nm or less, as shown in the simulation described above. ”
そして、アンモニアボランから水素を生成するため、前記各実施例と同様に、上記磁性合金の粉末を純水に混合し、磁性合金の混合液を準備する。 Then, in order to generate hydrogen from ammonia borane, the powder of the magnetic alloy is mixed with pure water to prepare a mixed liquid of the magnetic alloy, as in each of the examples described above.
純水に混合される磁性合金には、粒径が32μm以下に分級され、粒径の均一化が図られた合金粉末が用いられる。この粒径を32μm以下に分級された合金粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入される。合金粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、磁性合金含有の混合液とされる。 For the magnetic alloy to be mixed with pure water, alloy powder classified to have a particle size of 32 μm or less and made uniform in particle size is used. 20 mg of the alloy powder, which has been classified to have a particle size of 32 μm or less, is weighed and poured into 1.0 ml of pure water. The pure water into which the alloy powder has been added is stirred using a stirrer to form a mixed liquid containing the magnetic alloy.
磁性合金の合金粉末として、粒径を32μm以下に分級したものを用いることにより、短時間で、純水に均一に溶解することができる。 By using an alloy powder of a magnetic alloy that has been classified to have a particle size of 32 μm or less, it can be uniformly dissolved in pure water in a short time.
そして、磁性合金の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に溶解し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, an ammonia borane aqueous solution is prepared together with the magnetic alloy mixture. An ammonia borane aqueous solution was prepared by dissolving 0.5 mmol of ammonia borane powder in 1.5 ml of pure water.
上述したようにして作製した磁性合金の混合液と、前記アンモニアボランの水溶液を混合し、この混合水溶液を加水分解した。 The mixed solution of the magnetic alloy prepared as described above and the aqueous solution of ammonia borane were mixed, and this mixed aqueous solution was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。 The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、1.585(L(H2)min-1(mol of M)-1を達成する。 Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) achieved 1.585 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1 as shown in FIG. 4).
上述したように、2.288μBの磁気モーメントを有する本実施例8の磁性金属であって、直径を60nmとされた微粒子を含む磁性合金を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.0489nmとし、この臨界距離rc以内に存在する水素イオン(H)+、すなわち、プロトンを直径60nmとする微細な合金粒子を含む磁性金属に接近させ、水素(H2)ガスを生成する水素生成反応速度(RHER)を1.585(L(H2)min-1(mol of M)-1とする実用化可能な速度での水素生成を実現した。 As mentioned above, by using the magnetic alloy of Example 8, which is a magnetic metal having a magnetic moment of 2.288 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm, as a catalyst for hydrogen production, the hydrogen production described above can be achieved. As shown in the simulation, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approach trajectory toward the magnetic metal is 0.0489 nm. The hydrogen production reaction rate (R Hydrogen production was achieved at a practical rate with HER ) of 1.585 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1) .
実施例8に係る磁性合金は、Feの含有割合を大きくし、Coの削減を大きくしながらアンモニアボラン等の水素含有化合物から効率よく水素の生成を可能とすることにより、コスト削減に好適である。 The magnetic alloy according to Example 8 is suitable for cost reduction by increasing the content ratio of Fe and making it possible to efficiently generate hydrogen from a hydrogen-containing compound such as ammonia borane while increasing the reduction in Co. .
(比較例1)
比較例1は、純Niの金属粉末をアンモニアボランから水素を生成するための触媒として用いて水素の生成を行った。
(Comparative example 1)
In Comparative Example 1, hydrogen was generated using pure Ni metal powder as a catalyst for generating hydrogen from ammonia borane.
ここで触媒として用いる純Niの金属粉末は、ニッケルイオンを含む酢酸ニッケル水溶液を蒸発乾固し、この乾燥物を熱分解して酸化物を作製し、この熱分解した酸化物を水素熱還元して作製される。ここで作製された、純Niの金属粉末は、室温での構造を面心立方格子(fcc)されている。 The pure Ni metal powder used as a catalyst here is obtained by evaporating an aqueous nickel acetate solution containing nickel ions to dryness, thermally decomposing the dried product to produce an oxide, and then reducing the thermally decomposed oxide with hydrogen heat. It is made by The pure Ni metal powder produced here has a face-centered cubic (FCC) structure at room temperature.
純Niの金属粉末は、Niがその原子の構造において、3dに8個、4sに2個の電子を有することにより、図4に示すように、価電子濃度は10とする。 The pure Ni metal powder has a valence electron concentration of 10, as shown in FIG. 4, because Ni has eight electrons in 3d and two electrons in 4s in its atomic structure.
そして、価電子濃度を10とするNiの1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で0.6μBとする。 The magnetic moment per atom of Ni with a valence electron concentration of 10 is assumed to be 0.6 μB in units of Bohr magneton from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
ここで得られた純Niの金属粉末を触媒に用いて、以下の手順に従ってアンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Using the pure Ni metal powder obtained here as a catalyst, hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) according to the following procedure.
なお、純Niの金属粉末は、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)を生成する触媒として用いるため、アンモニアボランが溶解された水溶液中に溶解されたとき、アンモニアボランから放出されこの水溶液中でブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡にあるプロトンを磁気吸引して磁気的影響を与えるに足る臨界距離rcまで確実に接近可能な大きさとされたNi粒子を含むものが用いられる。 Note that pure Ni metal powder is used as a catalyst to generate hydrogen (H 2 ) from ammonia borane (NH 3 BH 3 ), so when it is dissolved in an aqueous solution containing ammonia borane, it is released from ammonia borane. In this aqueous solution, particles containing Ni particles are used, which are sized so that they can reliably approach to a critical distance rc sufficient to magnetically attract and exert a magnetic influence on protons that are on a random walking trajectory due to Brownian motion.
この純Niの金属粉末は、アンモニアボランから水素を生成するための触媒として用いられるときに、水溶液中でブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡にあるプロトンに磁気影響を与え磁気吸引し得る臨界距離rcを実現するため、前述したシミュレーションで示したように、直径を60nm以下とする微粒子を含むものが用いられる。 When this pure Ni metal powder is used as a catalyst to generate hydrogen from ammonia borane, it achieves a critical distance rc that can magnetically influence and magnetically attract protons on random walking trajectories due to Brownian motion in an aqueous solution. Therefore, as shown in the simulation described above, a material containing fine particles having a diameter of 60 nm or less is used.
そして、アンモニアボランから水素を生成するため、前記各実施例と同様に、純Niの金属粉末を純水に混合した混合液を準備する。 In order to generate hydrogen from ammonia borane, a mixed solution of pure Ni metal powder mixed with pure water is prepared in the same manner as in each of the above embodiments.
純水に混合される純Niの金属粉末として、粒径を32μm以下に分級した粉末が用いられる。この粒径を32μm以下に分級された金属粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入した。純Niの金属粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、純NI金属粉末含有の混合液とされる。 As the pure Ni metal powder to be mixed with pure water, powder classified to have a particle size of 32 μm or less is used. 20 mg of the metal powder classified to have a particle size of 32 μm or less was weighed and poured into 1.0 ml of pure water. The pure water into which the pure Ni metal powder has been added is stirred using a stirrer to form a liquid mixture containing the pure Ni metal powder.
そして、純Niに金属粉末の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に溶解し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, together with a mixed solution of pure Ni and metal powder, an aqueous solution of ammonia borane is prepared. An ammonia borane aqueous solution was prepared by dissolving 0.5 mmol of ammonia borane powder in 1.5 ml of pure water.
上述したよう作製した純Niからなる金属粉末の混合液1.0mlと、前記アンモニアボランの水溶液1.5mlを混合し、この混合水溶液を加水分解した。 1.0 ml of the mixed solution of metal powder made of pure Ni prepared as described above was mixed with 1.5 ml of the ammonia borane aqueous solution, and this mixed aqueous solution was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、1.199(L(H2)min-1(mol of M)-1であった。
The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) was 1.199 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1) , as shown in FIG.
上述したように、1.199μBの磁気モーメントを有する純Niの金属粉末であって、直径を60nmとされた微粒子を含む金属粉末を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.031745nmとし、この臨界距離rc以内に存在する水素イオン(H)+、すなわち、プロトンを直径60nmとする微細な合金粒子を含む磁性金属に接近させ、水素(H2)ガスを生成する水素生成反応速度(RHER)を1.199(L(H2)min-1(mol of M)-1であった。 As mentioned above, by using pure Ni metal powder with a magnetic moment of 1.199 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm as a catalyst for hydrogen production, it is possible to perform the hydrogen production simulation described above. As shown, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approach trajectory toward the magnetic metal is 0.031745 nm, and this critical distance rc is 0.031745 nm. Hydrogen production reaction rate (R HER ) in which hydrogen ions (H) + , that is, protons existing within a distance rc, approach a magnetic metal containing fine alloy particles with a diameter of 60 nm to produce hydrogen (H 2 ) gas. was 1.199 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1 .
純Niからなる金属粉末の磁気モーメントは0.6μBと小さく、プロトンが前述のブラウン運動から純Niの金属粒子に吸引指される接近軌道に変化するの臨界距離Rcも小さく、その結果、水素生成反応速度(RHER)も、前記実施例1~8に示す磁性金属に小さく、水素含有化合物から水素を生成するための触媒に用いるには実用的でない。 The magnetic moment of the metal powder made of pure Ni is as small as 0.6 μB, and the critical distance Rc for protons to change from the aforementioned Brownian motion to the approach orbit where they are attracted to the pure Ni metal particles is also small, and as a result, hydrogen production The reaction rate (R HER ) is also lower than that of the magnetic metals shown in Examples 1 to 8, making it impractical to use as a catalyst for producing hydrogen from a hydrogen-containing compound.
(比較例2)
比較例2は、純Feの金属粉末をアンモニアボランから水素を生成するための触媒として用いて水素の生成を行った。
(Comparative example 2)
In Comparative Example 2, hydrogen was produced using pure Fe metal powder as a catalyst for producing hydrogen from ammonia borane.
ここで触媒として用いる純Feの金属粉末は、鉄イオンを含む硝酸鉄水溶液を蒸発乾固し、この乾燥物を熱分解して酸化物を作製し、この熱分解した酸化物を水素熱還元して作製される。ここで作製された、純Feの金属粉末は、室温での構造を体心立方格子(bcc)とされている。純Feの金属粉末は、図4に示すように、Feの原子の構造において、3dに6個、4sに2個の電子を有することにより価電子濃度は8とする。 The pure Fe metal powder used as a catalyst here is obtained by evaporating an aqueous iron nitrate solution containing iron ions to dryness, thermally decomposing the dried product to produce an oxide, and then reducing the thermally decomposed oxide with hydrogen heat. It is made by The pure Fe metal powder produced here has a body-centered cubic lattice (BCC) structure at room temperature. As shown in FIG. 4, the pure Fe metal powder has six electrons in 3d and two electrons in 4s in the Fe atomic structure, so that the valence electron concentration is 8.
そして、価電子濃度を8とするFeの1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で2.2μBとする。 The magnetic moment per Fe atom with a valence electron concentration of 8 is assumed to be 2.2 μB in units of Bohr magneton from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
この金属粉末を触媒に用いて、以下の手順にしたがってアンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した。 Using this metal powder as a catalyst, hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) according to the following procedure.
なお、純Feの金属粉末は、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)を生成する触媒として用いるため、アンモニアボランが溶解された水溶液中に溶解されたとき、アンモニアボランから放出されこの水溶液中でブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡にあるプロトンを磁気吸引して磁気的影響を与えるに足る臨界距離rcまで確実に接近可能な大きさとされたFe粒子を含むものが用いられる。 Note that pure Fe metal powder is used as a catalyst to generate hydrogen (H 2 ) from ammonia borane (NH 3 BH 3 ), so when it is dissolved in an aqueous solution containing ammonia borane, it is released from ammonia borane. In this aqueous solution, particles containing Fe particles are used that have a size that allows them to reliably approach to a critical distance rc sufficient to magnetically attract protons on random walking trajectories due to Brownian motion and exert a magnetic influence.
本例において、純Feの金属粉末は、水溶液中でブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡にあるプロトンに磁気影響を与え磁気吸引し得る臨界距離rcを実現するため、前述したシミュレーションで示したように、直径を60nm以下とする微粒子を含むものが用いられる。 In this example, in order to achieve a critical distance rc that can magnetically influence and magnetically attract protons on random walking trajectories due to Brownian motion in an aqueous solution, the pure Fe metal powder has a diameter as shown in the simulation described above. A material containing fine particles having a diameter of 60 nm or less is used.
そして、アンモニアボランから水素を生成するため、前記比較例1と同様に、純Feの金属粉末を純水に溶解した混合液を準備する。 In order to generate hydrogen from ammonia borane, a mixed solution in which pure Fe metal powder is dissolved in pure water is prepared in the same manner as in Comparative Example 1.
純水に混合される純Feの金属粉末として、粒径が32μm以下に分級され、粒径の均一化が図られた粉末が用いられる。この粒径を32μm以下に分級された金属粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入した。純Niの金属粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、純NI金属粉末含有の混合液とされる。 As the pure Fe metal powder to be mixed with pure water, a powder classified to have a particle size of 32 μm or less and made uniform in particle size is used. 20 mg of the metal powder classified to have a particle size of 32 μm or less was weighed and poured into 1.0 ml of pure water. The pure water into which the pure Ni metal powder has been added is stirred using a stirrer to form a liquid mixture containing the pure Ni metal powder.
そして、純Feに金属粉末の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に混合し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, together with a mixed solution of pure Fe and metal powder, an aqueous solution of ammonia borane is prepared. An ammonia borane aqueous solution was prepared by mixing 0.5 mmol of ammonia borane powder with 1.5 ml of pure water.
上述したよう作製した純Niからなる金属粉末の混合液1.0mlと、前記アンモニアボランの水溶液1.5mlを混合し、この混合水溶液を加水分解した。 1.0 ml of the mixed solution of the metal powder made of pure Ni produced as described above was mixed with 1.5 ml of the ammonia borane aqueous solution, and this mixed aqueous solution was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、1.071(L(H2)min-1(mol of M)-1であった。
The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) was 1.071 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1) , as shown in FIG. 4.
上述したように、2.2μBの磁気モーメントを有する純Feの金属粉末であって、直径を60nmとされた微粒子を含む金属粉末を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.04776nmとし、この臨界距離rc以内に存在するプロトンを純Feの金属粒子に接近させ、水素(H2)ガスを生成した。このときの水素生成反応速度(RHER)は、1.071(L(H2)min-1(mol of M)-1であった。 As mentioned above, by using a pure Fe metal powder having a magnetic moment of 2.2 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm as a catalyst for hydrogen production, it is possible to perform the hydrogen production simulation described above. As shown, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approach trajectory toward the magnetic metal is 0.04776 nm, and this critical distance rc is 0.04776 nm. Protons existing within a distance rc were brought close to pure Fe metal particles to generate hydrogen (H 2 ) gas. The hydrogen production reaction rate (R HER ) at this time was 1.071 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1) .
純Feからなる金属粉末は、磁気モーメント2.2μmとし、臨界距離rcを0.04776nmとし、前記実施例1及び実施例6~8のFe-Coからなる磁性金属と同等若しくはそれ以上に大きな磁気モーメントと臨界距離rcを有しながら水素生成反応速度(RHER)は、前記実施例1~8に係る磁性合金に比し小さいものであった。 The metal powder made of pure Fe has a magnetic moment of 2.2 μm, a critical distance rc of 0.04776 nm, and has a magnetic property equal to or greater than that of the magnetic metal made of Fe-Co in Example 1 and Examples 6 to 8. Although the magnetic alloys had the moment and the critical distance rc, the hydrogen production reaction rate (R HER ) was smaller than that of the magnetic alloys according to Examples 1 to 8.
純Feの金属粉末を触媒に用いたとき、アンモニアボランから水素を生成する過程において赤錆の発生がみられた。これは、純Feが酸素との親和性が大きく、アンモニアボランから水素を生成する過程で酸化が進み触媒機能を劣化させたものとみられる。 When pure Fe metal powder was used as a catalyst, red rust was observed during the process of generating hydrogen from ammonia borane. This appears to be because pure Fe has a high affinity for oxygen, and oxidation progressed during the process of generating hydrogen from ammonia borane, deteriorating the catalyst function.
そのため、純Feの金属粉末は、理論上大きな大きな磁気モーメントと臨界距離を有しながら、アンモニアボランを含む水素含有化合物から水素を生成するための触媒として用いことができない。 Therefore, pure Fe metal powder, although theoretically having a large magnetic moment and critical distance, cannot be used as a catalyst for producing hydrogen from hydrogen-containing compounds including ammonia borane.
(比較例3)
比較例3として、純Coの金属粉末を触媒に用いてアンモニアボランから水素を生成した例を示す。
(Comparative example 3)
Comparative Example 3 shows an example in which hydrogen was produced from ammonia borane using pure Co metal powder as a catalyst.
ここで触媒として用いる純Coの金属粉末は、コバルトイオンを含む酢酸コバルト水溶液を蒸発乾固し、この乾燥物を熱分解して酸化物を作製し、この熱分解した酸化物を水素熱還元して作製される。ここで作製された、純Coの金属粉末は、室温での構造を最密六方格子(hcp)とされている。純Coの金属粉末は、図4に示すように、Coの原子構造において、3dに7個と4sに2個の電子を有することにより価電子濃度を9とする。 The pure Co metal powder used as a catalyst here is obtained by evaporating an aqueous cobalt acetate solution containing cobalt ions to dryness, thermally decomposing the dried product to produce an oxide, and then reducing the thermally decomposed oxide with hydrogen heat. It is made by The pure Co metal powder produced here has a hexagonal close-packed lattice (hcp) structure at room temperature. As shown in FIG. 4, pure Co metal powder has a valence electron concentration of 9 by having 7 electrons in 3d and 2 electrons in 4s in the atomic structure of Co.
そして、価電子濃度を9とするCoの1原子当たりの磁気モーメントは、図4に示すスレーター・ポーリング磁気モーメント曲線からボーア磁子単位で1.7μBとする。 The magnetic moment per atom of Co with a valence electron concentration of 9 is assumed to be 1.7 μB in units of Bohr magneton from the Slater-Pauling magnetic moment curve shown in FIG.
磁気モーメントをボーア磁子単位で1.7μBとする純Coの金属粉末を触媒に用いて、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)ガスを生成した Hydrogen (H 2 ) gas was generated from ammonia borane (NH 3 BH 3 ) using pure Co metal powder with a magnetic moment of 1.7 μB in Bohr magneton units as a catalyst.
なお、純Coの金属粉末は、アンモニアボラン(NH3BH3)から水素(H2)を生成する触媒として用いるため、アンモニアボランが溶解された水溶液中に溶解されたとき、アンモニアボランから放出されこの水溶液中でブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡にあるプロトンを磁気吸引して磁気的影響を与えるに足る臨界距離rcまで確実に接近可能な大きさとされたCo粒子を含むものが用いられる。 Note that pure Co metal powder is used as a catalyst to generate hydrogen (H 2 ) from ammonia borane (NH 3 BH 3 ), so when it is dissolved in an aqueous solution containing ammonia borane, it is released from ammonia borane. In this aqueous solution, particles containing Co particles are used that have a size that allows them to reliably approach to a critical distance rc sufficient to magnetically attract protons on random walking trajectories due to Brownian motion and exert a magnetic influence.
本例において、純Coの金属粉末は、ブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡にあるプロトンに磁気影響を与え磁気吸引し得る臨界距離rcを実現するため、前述したシミュレーションで示したように、直径を60nm以下とする微粒子を含むものが用いられる。 In this example, the pure Co metal powder has a diameter of 60 nm or less, as shown in the above simulation, in order to achieve a critical distance rc that can magnetically attract protons by exerting a magnetic influence on them in a random walking trajectory due to Brownian motion. A material containing fine particles is used.
そして、アンモニアボランから水素を生成するため、前記各実施例と同様に、純Coの金属粉末を純水に混合した混合液を準備する。 In order to generate hydrogen from ammonia borane, a mixed solution of pure Co metal powder mixed with pure water is prepared in the same manner as in each of the above embodiments.
純水に混合される純Coの金属粉末として、粒径を32μm以下に分級した粉末が用いられる。この粒径を32μm以下に分級された金属粉末を20mg計量し、1.0mlの純水に投入した。純Coの金属粉末が投入された純水は、スターラーを用いて攪拌され、純NI金属粉末含有の混合液とされる。 As the pure Co metal powder to be mixed with pure water, powder classified to have a particle size of 32 μm or less is used. 20 mg of the metal powder classified to have a particle size of 32 μm or less was weighed and poured into 1.0 ml of pure water. The pure water into which the pure Co metal powder has been added is stirred using a stirrer to form a liquid mixture containing the pure NI metal powder.
そして、純Coに金属粉末の混合液とともに、アンモニアボランの水溶液を作製する。アンモニアボランの水溶液は、0.5mmolのアンモニアボランの粉末を1.5mlの純水に溶解し、アンモニアボランの水溶液を作製した。 Then, together with a mixed solution of pure Co and metal powder, an aqueous solution of ammonia borane is prepared. An ammonia borane aqueous solution was prepared by dissolving 0.5 mmol of ammonia borane powder in 1.5 ml of pure water.
上述したよう作製した純Niからなる金属粉末の混合液1.0mlと、前記アンモニアボランの水溶液1.5mlを混合し、この混合水溶液を加水分解した。 1.0 ml of the mixed solution of metal powder made of pure Ni prepared as described above was mixed with 1.5 ml of the ammonia borane aqueous solution, and this mixed aqueous solution was hydrolyzed.
この加水分解の工程で発生する水素(H2)ガスの発生量を体積(HEV)で測定した。この体積を、触媒として用いた本実施例の磁性金属1mol当たりに換算した。水素(H2)ガスの発生量を時間の変化で評価し、水素生成反応速度(RHER)を評価した。 The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated during this hydrolysis process was measured in terms of volume (HEV). This volume was converted into 1 mol of the magnetic metal of this example used as a catalyst. The amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was evaluated over time, and the hydrogen production reaction rate (R HER ) was evaluated.
なお、水素(H2)ガスの発生量は、温度308Kで測定した。その測定した結果によると、水素生成反応速度(RHER)は、図4に示すように、1.071(L(H2)min-1(mol of M)-1であった。 Note that the amount of hydrogen (H 2 ) gas generated was measured at a temperature of 308K. According to the measured results, the hydrogen production reaction rate (R HER ) was 1.071 (L(H 2 ) min −1 (mol of M) −1) , as shown in FIG. 4.
上述したように、2.2μBの磁気モーメントを有する純Coの金属粉末であって、直径を60nmとされた微粒子を含む金属粉末を水素製造用触媒に用いることにより、前述した水素生成のシミュレーションで示したように、アンモニアボランの水溶液と磁性金属の水溶液を混合した混合水溶液中のプロトンのブラウン運動によるランダムウォーキング軌跡から磁性金属への接近軌道に変化する臨界距離rcを0.04776nmとし、この臨界距離rc以内に存在する水素イオン(H)+、すなわち、プロトンを直径60nmとする微細な合金粒子を含む磁性金属に接近させ、水素(H2)ガスを生成する水素生成反応速度(RHER)は3.646(L(H2)min-1(mol of M)-1であった。 As mentioned above, by using a pure Co metal powder with a magnetic moment of 2.2 μB and containing fine particles with a diameter of 60 nm as a catalyst for hydrogen production, the hydrogen production simulation described above can be performed. As shown, the critical distance rc at which protons in a mixed aqueous solution of an ammonia borane aqueous solution and a magnetic metal aqueous solution change from a random walking trajectory due to Brownian motion to an approach trajectory toward the magnetic metal is 0.04776 nm, and this critical distance rc is 0.04776 nm. Hydrogen production reaction rate (R HER ) in which hydrogen ions (H) + , that is, protons existing within a distance rc, approach a magnetic metal containing fine alloy particles with a diameter of 60 nm to produce hydrogen (H 2 ) gas. was 3.646 (L(H 2 )min −1 (mol of M) −1 .
純Coの金属粉末は、十分に実用可能な水素生成速度でアンモニアボランから水素を生成することができ、水素生成用の触媒に用いて有用である。 Pure Co metal powder can produce hydrogen from ammonia borane at a sufficiently practical hydrogen production rate and is useful as a catalyst for hydrogen production.
純Coの金属粉末は、水性生成用の触媒として有用であるが、触媒の全部を資源量が逼迫するCoを用いるため、Coの使用量の削減を行うことができないばかりか、高価になってしまう。 Pure Co metal powder is useful as a catalyst for aqueous production, but since the catalyst is entirely made of Co, which is a scarce resource, it is not only impossible to reduce the amount of Co used, but it is also expensive. Put it away.
(実施例と比較例の評価)
ここで、本実施例の磁性金属と比較例に示す金属粉末を触媒として用いて、アンモニアボランから水素を生成したときの生成能力について対比評価する。
(Evaluation of Examples and Comparative Examples)
Here, a comparative evaluation will be made regarding the production ability of hydrogen when producing hydrogen from ammonia borane using the magnetic metal of the present example and the metal powder shown in the comparative example as catalysts.
前述した実施例1~8の磁性合金と比較例1~3の純金属をそれぞれ触媒として用いたときの水素生成速度(RHER)は、前述したように図4に示される。実施例1~8において、実施例1の磁性金属を触媒として用いたとき、水素生成反応速度(RHER)が最も大きかった。 As described above, the hydrogen production rate (R HER ) when the magnetic alloys of Examples 1 to 8 and the pure metals of Comparative Examples 1 to 3 were used as catalysts are shown in FIG. 4, as described above. In Examples 1 to 8, when the magnetic metal of Example 1 was used as a catalyst, the hydrogen production reaction rate (R HER ) was the highest.
そして、実施例1のFe-Coの合金からなる磁性金属と、この実施例1の磁性金属と同種のFe-Coの合金からなる実施例6~8の磁性合金は、Feの含有量の増加に伴い水素生成反応速度(RHER)を減少させた。 The magnetic metal made of the Fe-Co alloy of Example 1 and the magnetic alloys of Examples 6 to 8 made of the Fe-Co alloy of the same type as the magnetic metal of Example 1 have an increased Fe content. The hydrogen production reaction rate (R HER ) was decreased accordingly.
実施例1及び実施例6~8の磁性金属のうち、Feの含有割合が最も大きな実施例8に係る磁性金属の磁気モーメントと臨界距離rcが最大であった。 Among the magnetic metals of Example 1 and Examples 6 to 8, the magnetic moment and critical distance rc of the magnetic metal of Example 8, which had the largest Fe content, were the largest.
一方、比較例2で示した純鉄(Fe)からなる金属粉末の磁気モーメントは、実施例8の磁性金属とほぼ同等の2.2μBを有し、臨界距離rcも実施例6~8の磁性金属とほぼ同等の0.04776nmを有する。 On the other hand, the magnetic moment of the metal powder made of pure iron (Fe) shown in Comparative Example 2 is 2.2 μB, which is almost the same as that of the magnetic metal of Example 8, and the critical distance rc is also the same as that of the magnetic metal of Examples 6 to 8. It has a wavelength of 0.04776 nm, which is almost the same as that of metal.
このように、純鉄(Fe)の金属粉末は、実施例1及び実施例6~8の磁性金属と同等若しくはそれ以上に大きな磁気モーメントと臨界距離rcを有する。 As described above, the pure iron (Fe) metal powder has a magnetic moment and critical distance rc that are equal to or larger than the magnetic metals of Example 1 and Examples 6 to 8.
さらには、実施例2~5のNi-Coの合金からなる磁性合金以上の磁気モーメントと臨界距離rcを有する。 Furthermore, it has a magnetic moment and a critical distance rc that are greater than the magnetic alloys made of Ni--Co alloys of Examples 2 to 5.
しかし、比較例2の純鉄(Fe)の金属粉末は、酸素との親和性が高く、アンモニアボランから水素を生成する過程で赤錆の発生が観察され、水素生成反応速度(RHER)を劣化させ、水素生成の触媒として用いることができない。 However, the pure iron (Fe) metal powder of Comparative Example 2 has a high affinity for oxygen, and red rust was observed during the process of generating hydrogen from ammonia borane, deteriorating the hydrogen generation reaction rate (R HER ). and cannot be used as a catalyst for hydrogen production.
このように、Coの一部をFeやNi等の鉄系の金属で置換した磁性合金を水素生成用の触媒として用いる場合、磁気モーメントと臨界距離rcのみによって評価できない。 In this way, when a magnetic alloy in which a part of Co is replaced with an iron-based metal such as Fe or Ni is used as a catalyst for hydrogen production, it cannot be evaluated only by the magnetic moment and critical distance rc.
この種の磁性合金を水素生成用の触媒として用いる場合、水素生成の過程で、酸化するなどして、触媒機能を劣化させないことが望まれる。 When using this type of magnetic alloy as a catalyst for hydrogen production, it is desirable that the catalyst function not be degraded by oxidation or the like during the hydrogen production process.
特に、酸素との親和性が高く酸化しやすいFeでCoの一部を置換した磁性合金を触媒に用いる場合には、水素生成に要求される磁気モーメントと臨界距離rcのみに着目することなく、水素生成の過程で触媒としての機能を劣化させる要因も考慮する必要がある。 In particular, when using a magnetic alloy in which a portion of Co is replaced with Fe, which has a high affinity for oxygen and is easily oxidized, as a catalyst, instead of focusing only on the magnetic moment and critical distance rc required for hydrogen production, It is also necessary to consider factors that degrade the catalyst's function during the hydrogen production process.
そのため、Fe-Coからなる磁性合金を水素生成用触媒とするときには、水素生成の過程で酸化して錆、特に赤錆を生じさせないように構成することが望ましい。 Therefore, when a magnetic alloy made of Fe--Co is used as a catalyst for hydrogen generation, it is desirable to configure it so that it does not oxidize during the hydrogen generation process and cause rust, especially red rust.
ここで提案するFe-Coからなる磁性金属にあっては、Feの含有割合を全重量比で50wt%以下にすることが望ましい。前記実施例8の磁性金属は、Feの含有割合を全重量比で48.65wt%とするが、水素生成の過程で水素生成速度(RHER)を著しく劣化させるような酸化による錆の発生は確認できなかった。 In the magnetic metal made of Fe--Co proposed here, it is desirable that the Fe content be 50 wt% or less in terms of total weight ratio. The magnetic metal of Example 8 has an Fe content of 48.65 wt% in terms of total weight ratio, but rust due to oxidation that significantly deteriorates the hydrogen production rate (R HER ) during the hydrogen production process is avoided. Could not confirm.
なお、Fe-Coからなる磁性金属にあっては、Feの含有割合を全重量比で52wt%%とするとき、平均磁気モーメントは2.3μBとなる。 In addition, in the case of a magnetic metal made of Fe--Co, when the content of Fe is 52 wt% in total weight ratio, the average magnetic moment is 2.3 μB.
本発明に係る水素製造用触媒として用いられる磁性合金は、親水であるので、アンモニアボランを純水に混合溶解して加水分解する際の触媒として有用である。
Since the magnetic alloy used as the hydrogen production catalyst according to the present invention is hydrophilic, it is useful as a catalyst when ammonia borane is mixed and dissolved in pure water for hydrolysis.
Claims (6)
強磁性のコバルト(Co)と、鉄(Fe)又はニッケル(Ni)のいずれか一方を含有した磁性合金からなり、
前記磁性合金は、前記コバルト(Co)を92~85mol%、前記鉄(Fe)を8~15mol%含有する合金、又は前記コバルト(Co)を96~92mol%、前記ニッケル(Ni)を4~8mol%含有する合金からなり、当該磁性合金を構成する合金粒子の1原子当たりの平均磁気モーメントがボーア磁子単位で1.55~1.87μBの範囲にある、
ことを特徴とする水素製造用触媒。 A hydrogen production catalyst used for producing hydrogen from ammonia borane (NH 3 BH 3 ),
Made of a magnetic alloy containing ferromagnetic cobalt (Co) and either iron (Fe) or nickel (Ni),
The magnetic alloy is an alloy containing 92 to 85 mol% of the cobalt (Co) and 8 to 15 mol% of the iron (Fe), or an alloy containing 96 to 92 mol% of the cobalt (Co) and 4 to 4 mol% of the nickel (Ni). ~ 8 mol% of the alloy, and the average magnetic moment per atom of the alloy particles constituting the magnetic alloy is in the range of 1.55 to 1.87 μB in Bohr magneton units.
A hydrogen production catalyst characterized by:
前記触媒は、コバルト(Co)と、鉄(Fe)及びニッケル(Ni)のいずれか一方を含む磁性合金からなり、
前記磁性合金は、
コバルトイオンを含む酢酸コバルトの水溶液と、鉄イオンを含む硝酸鉄の水溶液を混合した水溶液及びニッケルイオンを含む酢酸ニッケルの水溶液のいずれか一方の水溶液を混合した混合水溶液を作製し、
前記混合水溶液を、蒸発乾固若しくは噴霧乾燥して乾燥物を作製し、
次いで、前記乾燥物を加熱処理して熱分解して酸化物を作製し、
前記酸化物を水素雰囲気中で水素還元して製造される
ことを特徴とする水素製造用触媒の製造方法。 A method for producing a hydrogen production catalyst used for producing hydrogen from ammonia borane (NH 3 BH 3 ), the method comprising:
The catalyst is made of a magnetic alloy containing cobalt (Co) and either iron (Fe) or nickel (Ni),
The magnetic alloy is
A mixed aqueous solution is prepared by mixing an aqueous solution of cobalt acetate containing cobalt ions, an aqueous solution of an aqueous solution of iron nitrate containing iron ions, and an aqueous solution of nickel acetate containing nickel ions,
The mixed aqueous solution is evaporated to dryness or spray-dried to produce a dried product,
Next, the dried material is heat-treated and thermally decomposed to produce an oxide,
A method for producing a catalyst for hydrogen production, characterized in that the oxide is produced by reducing the oxide with hydrogen in a hydrogen atmosphere.
前記酸化物は、750℃~850℃の水素雰囲気中で水素還元される
ことを特徴とする請求項2記載の水素製造用触媒の製造方法。 The dried product produced by drying the mixed aqueous solution is heat-treated in an oxygen atmosphere at 500° C. to 600° C. to form an oxide,
3. The method for producing a catalyst for hydrogen production according to claim 2, wherein the oxide is reduced with hydrogen in a hydrogen atmosphere at 750°C to 850°C.
請求項1記載の水素製造用磁性触媒とアンモニアボラン(NH3BH3)とが溶解混合された水溶液を作製し、
次いで、前記水溶液を加水分解し、前記アンモニアボラン(NH3BH3)から水素ガス(H2)を生成することを特徴とする水素の製造方法。 A method for producing hydrogen by producing hydrogen from ammonia borane (NH 3 BH 3 ), the method comprising:
Producing an aqueous solution in which the magnetic catalyst for hydrogen production according to claim 1 and ammonia borane (NH 3 BH 3 ) are dissolved and mixed,
A method for producing hydrogen, characterized in that the aqueous solution is then hydrolyzed to generate hydrogen gas (H 2 ) from the ammonia borane (NH 3 BH 3 ).
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