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酸素発生反応及び酸素還元反応触媒

国内特許コード P200016942
整理番号 OU-0374
掲載日 2020年6月11日
出願番号 特願2018-091292
公開番号 特開2019-195775
出願日 平成30年5月10日(2018.5.10)
公開日 令和元年11月14日(2019.11.14)
発明者
  • 衣本 太郎
出願人
  • 国立大学法人大分大学
発明の名称 酸素発生反応及び酸素還元反応触媒
発明の概要 【課題】塩基性水溶液中での電子の移動により酸素を発生させる反応及び酸素を還元する反応の両方のために用いられる触媒として、従来のものより有用な酸素発生反応及び酸素還元反応触媒を提供すること。
【解決手段】本発明の酸素発生反応及び酸素還元反応触媒は、アルミニウム、ビスマス、ルテニウム、酸素を含み、TPR測定において6.5~7.3の酸素比を示すパイロクロア型金属酸化物を主成分としていることを特徴とする。この化合物は、その構成元素であるビスマス、ルテニウム、アルミニウムの各供給源の混合物から所定の元素比の酸化物を調製することにより製造することができ、一例として共沈法を利用して製造することができる。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要

塩基性水溶液中での電子の移動により酸素を発生させる反応は、水の電気分解(アルカリ水電解法)による水素製造で用いられている。このような反応では、反応触媒として、ニッケル、ニッケル系合金、鉄、ニッケル被覆鉄、希土類混合金属酸化物、貴金属酸化物などが用いられている。

電気自動車など向けのエネルギー源として近年特に有望視されている空気二次電池においては、塩基性水溶液中での電子の移動に起因して、空気極である正極において充電時及び放電時に下記の反応が進み、それぞれ酸素の発生及び酸素の還元が行われる。
充電時: 4OH → O + 2HO +4e
放電時: O + 2HO + 4e → 4OH

このような酸素発生反応及び酸素還元反応のためにもやはり触媒が利用されており、これまでに様々なものが提案されている。

例えば、非特許文献1には、硝酸ビスマスと塩化ルテニウムから得られるパイロクロア型化合物のBiRuを、酸素発生反応及び酸素還元反応触媒として用いることが記載されている。この触媒は、上述の水素製造に用いられている各種の触媒よりも反応開始電位が低く、有利であることが知られている。

特許文献1には、空気二次電池に用いる電極用触媒として、少なくとも2種の元素を含有する触媒が開示されている。第1の元素は、Ag、Co、Mn、Cu、Ru、Ni、Pd及びPtからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、また、第2の元素は、Sb、Si及びVからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましいことが記載されている(段落[0014])。

特許文献2には、空気二次電池用の正極が記載されている。この正極は、ニッケルより密度の小さいコア材料と、それを被覆するニッケル及び/又はニッケル合金からなる被覆層を含むニッケル被覆材料を利用しており、そしてこのニッケル被覆材料と混合して用いられる触媒として、ビスマスルテニウム酸化物が挙げられ、そのビスマス及びルテニウムの一部を他の元素で部分的に置換してもよいことが記載されている。そしてこの触媒は、正極の導電材であるニッケルとの化学的相互作用により、酸素発生及び酸素還元に対する高い触媒活性を示すと説明されている(段落[0028])。

特許文献3には、酸素発生反応及び酸素還元反応の両方に用いられる触媒ではなく、芳香族炭化水素化合物又は含窒素複素環式芳香族化合物を電気化学的に水素化するために用いられる還元触媒として、一般式A7-Z(式中のAはSn、Pb及びBiからなる群から選ばれる少なくとも一種であるAを含み、BはRu、Ir及びMnからなる群から選ばれる少なくとも一種であるBを含む)で表される酸化物を用いること、金属Aの一部及び/又は金属Bの一部を、それぞれA、B以外の金属で置換してもよい(段落[0027])ことが記載されており、A、B以外の金属の多数の例のうちにAlが含まれている(段落[0029])。

産業上の利用分野

本発明は、塩基性水溶液中での電子の移動により酸素を発生させる反応及び酸素を還元する反応の両方に対して有効である、酸素発生反応及び酸素還元反応触媒に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
アルミニウム、ビスマス、ルテニウム、酸素を含み、TPR測定において6.5~7.3の酸素比を示すパイロクロア型金属酸化物を主成分としていることを特徴とする、酸素発生反応及び酸素還元反応触媒。

【請求項2】
担体に担持されていることを特徴とする、請求項1記載の酸素発生反応及び酸素還元反応触媒。

【請求項3】
請求項1又は2記載の酸素発生反応及び酸素還元反応触媒を製造するための方法であって、前記化合物を、その構成元素であるビスマス、ルテニウム、アルミニウムの各供給源の混合物から所定の元素比の酸化物を調製することにより製造することを特徴とする、酸素発生反応及び酸素還元反応触媒の製造方法。

【請求項4】
前記化合物を共沈法により製造することを特徴とする、請求項3記載の製造方法。

【請求項5】
ビスマス源、ルテニウム源及びアルミニウム源の混合物を含む水にアルカリ水溶液を添加し、得られた混合水溶液を酸素含有ガスの供給下で攪拌し、次いで水を除去して固形物を回収し、回収した固形物を焼成することにより、前記化合物を得ることを特徴とする、請求項4記載の製造方法。

【請求項6】
ビスマス源として、硝酸ビスマス、硫酸ビスマス、塩化ビスマス、炭酸ビスマス、ビスマスアルコキシド、又はそれらの混合物を使用し、ルテニウム源として、塩化ルテニウム、水溶性のルテニウム錯体、ルテニウム塩、又はそれらの混合物を使用し、アルミニウム源として、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、アルミニウムアルコキシド、又はそれらの混合物を使用することを特徴とする、請求項3~5のいずれか1つに記載の製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2018091292thum.jpg
出願権利状態 公開
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