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Composite material and method of producing the same, catalyst and metal air battery. UPDATE_EN commons

Patent code P190016365
File No. P2018-024027
Posted date Sep 27, 2019
Application number P2018-024027
Publication number P2019-137596A
Date of filing Feb 14, 2018
Date of publication of application Aug 22, 2019
Inventor
  • (In Japanese)鈴木 健太
  • (In Japanese)本橋 輝樹
  • (In Japanese)齋藤 美和
  • (In Japanese)小川 哲志
Applicant
  • (In Japanese)学校法人神奈川大学
Title Composite material and method of producing the same, catalyst and metal air battery. UPDATE_EN commons
Abstract The present invention relates to a composite material and a method of manufacturing the same, a catalyst and a metal-air battery.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

電気自動車(EV)の更なる普及には、ガソリン自動車並の航続距離を実現する高エネルギー密度蓄電池の開発が必要不可欠である。現在、現状のリチウムイオン二次電池を超える「革新型蓄電池」の一つとして、金属空気電池が注目を集めている。金属空気電池とは、負極活物質として亜鉛等の金属、正極活物質として空気中の酸素を用いる二次電池をいう。このような金属空気電池は、非常に高い理論エネルギー密度を達成する可能性がある。金属空気電池、特に金属として亜鉛を用いた亜鉛空気電池は、国内外の研究機関で古くから研究開発が行われているが(例えば、非特許文献1、2)、現在のところ、本格的な実用化には至っていない。

ところで、金属空気電池の空気極では、放電時には酸素(活物質)の4電子還元反応により水酸化物イオンが生成し、一方で、充電時には水酸化物イオンの4電子酸化反応により酸素が発生する。これら4電子の授受を伴う酸素還元反応(以下、「ORR」ということもある。)及び酸素発生反応(以下、「OER」ということもある。)は、速度論的に非常に遅い反応であることから充放電時に大きな過電圧が生じるため、ORR/OERを促進し得る高活性触媒が必要である。

具体的に、金属空気電池の各電極における充電反応及び放電反応は、以下の(1)~(4)の式のとおりである。なお、式(1)~(4)においては、便宜のため、負極として亜鉛を用いた例を示している。
(正極)
充電反応(酸素発生反応):4OH→O2+2H2O+4e ・・・(1)
放電反応(酸素還元反応):O2+2H2O+4e→4OH ・・・(2)
(負極)
充電反応:ZnO+H2O+2e→Zn+2OH ・・・(3)
放電反応:Zn+2OH→ZnO+H2O+2e ・・・(4)

正極触媒として、白金、パラジウム、酸化ルテニウム、酸化イリジウム等の貴金属系触媒が高いORR/OER活性を示すことが知られている。具体的に、例えば非特許文献3には、白金やパラジウム等の貴金属を導電性カーボン粉末に担持させた材料が、特許文献1には、白金やパラジウム等の貴金属を酸化セリウムに担持させた材料が提案されている。しかしながら、これらに含まれる貴金属は稀少で高価であることから自動車用蓄電池等の大規模な実用化は困難である。したがって、貴金属を主成分とせず、遷移金属等、資源的に豊富な元素を主成分とする汎用的な高性能ORR/OER活性を示す正極触媒の開発が強く望まれている。

また、正極触媒として、ペロブスカイト(ABO3)型遷移金属酸化物の開発が進められている。これまで、ペロブスカイトABO3構造における六配位八面体のBサイトのエネルギー準位がt2g及びegに分裂した際、eg電子数が1でORR/OER活性が極大となることが報告されている(例えば、非特許文献4、5)。このような化合物の中には比較的良好なORR活性を示すものもあるが、OER活性については充分でないことが多い。このようにOER活性の充分でない材料は、OER活性の高い活性等と組み合わせる必要があるため全体として触媒材料の使用量が多くなり、コストや面積当たりの反応効率等の観点からなお改良の余地がある。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、複合材料及びその製造方法、触媒並びに金属空気電池に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
少なくとも、Mn、Fe、Co及びNiからなる群から選択される1種以上を含むペロブスカイト型複合酸化物を、パラジウム溶液に浸漬する浸漬工程と、
浸漬後の前記ペロブスカイト型複合酸化物を、200℃以上600℃以下で加熱する加熱工程と、を含む、
複合材料の製造方法。

【請求項2】
 
YBaCo4O7又はYサイトの少なくとも一部がCa、In若しくは希土類金属で置換されているか、Coサイトの少なくとも一部がFe、Ga、Al若しくはZnで置換されているか、Yサイトの少なくとも一部がCa、In若しくは希土類金属で置換されており、且つCoサイトの少なくとも一部がFe、Ga、Al若しくはZnで置換されているYBaCo4O7置換体を、パラジウム溶液に浸漬する浸漬工程と、
浸漬後の前記ペロブスカイト型複合酸化物を、200℃以上600℃以下で加熱する加熱工程と、を含む、
複合材料の製造方法。

【請求項3】
 
少なくとも、Mn、Fe、Co及びNiからなる群から選択される1種以上を含むペロブスカイト型複合酸化物を、パラジウム溶液に浸漬する浸漬工程と、
浸漬後の前記ペロブスカイト型複合酸化物を、200℃以上600℃以下で加熱してパラジウムを担持する加熱工程と、を含む製造方法により製造される、
複合材料。

【請求項4】
 
前記ペロブスカイト型複合酸化物は、一般式La1-x1-x2-x3Cax1Srx2Bax3Mn1-y1Niy1O3(式中、0≦x1≦1,0≦x2≦1,0≦x3≦1且つ0≦x1+x2+x3≦1)である、
請求項3に記載の複合材料。

【請求項5】
 
前記パラジウムの含有量は、前記ペロブスカイト型複合酸化物及び前記パラジウムの総量に対し、0.1wt%以上20wt%以下である、
請求項3又は4に記載の複合材料。

【請求項6】
 
YBaCo4O7又はYサイトの少なくとも一部がCa、In若しくは希土類金属で置換されているか、Coサイトの少なくとも一部がFe、Ga、Al若しくはZnで置換されているか、Yサイトの少なくとも一部がCa、In若しくは希土類金属で置換されており、且つCoサイトの少なくとも一部がFe、Ga、Al若しくはZnで置換されているYBaCo4O7置換体を、パラジウム溶液に浸漬する浸漬工程と、
浸漬後の前記ペロブスカイト型複合酸化物を、200℃以上600℃以下で加熱してパラジウムを担持する加熱工程と、を含む製造方法により製造される、
複合材料。

【請求項7】
 
前記パラジウムの含有量は、前記YBaCo4O7、前記YBaCo4O7置換体及び前記パラジウムの総量に対し、0.1wt%以上20wt%以下である、
請求項6に記載の複合材料。

【請求項8】
 
請求項3乃至7のいずれか1項に記載の複合材料を含む、
触媒。

【請求項9】
 
請求項3乃至7のいずれか1項に記載の複合材料を含む、
正極触媒。

【請求項10】
 
請求項9に記載の正極触媒を含む、
金属空気電池。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2018024027thum.jpg
State of application right Published
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