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公開番号2025020321
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-12
出願番号2024194518,2022173483
出願日2024-11-06,2022-10-28
発明の名称アノード触媒材料および水素発生用の水電解装置
出願人財團法人工業技術研究院,INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE
代理人前田・鈴木国際特許弁理士法人
主分類C25B 11/077 20210101AFI20250204BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】電解による水素生成に用いる酸素発生反応(OER)電極の活性を高めるための、低い過電圧および高い電流活性を有する新規な非貴金属触媒組成物を提供する。加えて、その新規触媒組成物は、触媒活性および低コストを同時に実現するものでなければならない。
【解決手段】アノード触媒材料は化学式Fe_aNi_bM_cN_dO_eを有し、式中、MはMo、W、Sn、Si、Nb、V、Cr、Taまたはこれらの組み合わせである。a+b+c+d+e=1、a>0、b>0、c>0、d≧0、かつe≧0である。このアノード触媒材料は、水素発生用の水電解装置に用いることができ、該水電解装置は、アルカリ水溶液中に配置されたアノードおよびカソードを含み、該アノードは上記アノード触媒材料を含む。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
化学式Ｆｅ
a
Ｎｉ
b
Ｍ
c
Ｎ
d
Ｏ
e
を有する水素発生に用いる水電解装置のアノード用であるアノード触媒材料であって、式中、ＭがＭｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａまたはこれらの組み合わせであり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、ａ＞０、ｂ＞０、ｃ＞０、ｄ≧０、かつｅ≧０であり、
（ａ）ｄ＞０かつｅ＞０であって、
（ａ２）ＭがＷであるとき、０．０１３８≦ａ≦０．０８８７、０．０４１７≦ｂ≦０．２５６６、０．０３６５≦ｃ≦０．３７０８、０．５０３５≦ｄ≦０．５７８２、０．０４０３≦ｅ≦０．０７７８であり；
（ａ３）ＭがＳｎであるとき、０．０４５８≦ａ≦０．０８３６、０．１３０７≦ｂ≦０．２５１９、０．０４４０≦ｃ≦０．１９７９、０．５３３５≦ｄ≦０．５８５３、０．０３５≦ｅ≦０．０９２０であり；
（ａ４）ＭがＳｉであるとき、０．０６９９≦ａ≦０．０９５１、０．２４８９≦ｂ≦０．２８２４、０．０１３６≦ｃ≦０．０７１２、０．５８２０≦ｄ≦０．５９８３、０．０１０６≦ｅ≦０．０２８０であり；
（ａ５）ＭがＮｂであるとき、０．０５９０≦ａ≦０．１０５７、０．２０８９≦ｂ≦０．３２２７、０．００５２≦ｃ≦０．１２５７、０．４８０４≦ｄ≦０．５４５４、０．０３１４≦ｅ≦０．１０４６であり；
（ａ６）ＭがＶであるとき、０．００８２≦ａ≦０．０８０９、０．０２７７≦ｂ≦０．２４８５、０．００９２≦ｃ≦０．１５２４、０．６１５０≦ｄ≦０．６８７８、０．０３６７≦ｅ≦０．１２５８であり；
（ａ７）ＭがＣｒであるとき、０．００５７≦ａ≦０．０６６４、０．０１７１≦ｂ≦０．２０５５、０．０２１０≦ｃ≦０．１６９４、０．５６６５≦ｄ≦０．６９０４、０．０１６９≦ｅ≦０．２１１７であり；
（ａ８）ＭがＴａであるとき、０．０７１０≦ａ≦０．０８３３、０．２０５３≦ｂ≦０．２４３２、０．０３１９≦ｃ≦０．０５５１、０．５６１４≦ｄ≦０．５７５７、０．０４１０≦ｅ≦０．０８８１である；または
（ｂ）ｄ＝０、かつｅ＝０もしくはｅが０よりやや大きく、
（ｂ１）ＭがＭｏであるとき、（ｂ１－１）０．０５４８≦ａ≦０．２１７３、０．１３６７≦ｂ≦０．６４６９、０．１３５８≦ｃ≦０．７８１５である；もしくは（ｂ１－２）０．４９７９≦ａ≦０．６３７６、０．２２８２≦ｂ≦０．３１８８、０．０４３６≦ｃ≦０．２７７２であり；
（ｂ２）ＭがＷであるとき、（ｂ２－１）０．１０５７≦ａ≦０．２３５０、０．３２１１≦ｂ≦０．７０９２、０．０５５８≦ｃ≦０．５７３２であり；
（ｂ３）ＭがＳｎであるとき、（ｂ３－１）０．１２９０≦ａ≦０．１８３２、０．４００２≦ｂ≦０．５９６２、０．２２０６≦ｃ≦０．４７０８である；もしくは０．１９９０≦ａ≦０．２４２０、０．６５６６≦ｂ≦０．７１９４、０．０３８６≦ｃ≦０．１４４４である；もしくは（ｂ３－２）０．５２２２≦ａ≦０．５６４７、０．２７０５≦ｂ≦０．２９２６、０．１４２７≦ｃ≦０．２０７３であり；
（ｂ４）ＭがＳｉであるとき、（ｂ４－１）０．２０８０≦ａ≦０．２１５７、０．６５００≦ｂ≦０．６８９５、０．０９９８≦ｃ≦０．１３０８である；もしくは（ｂ４－２）０．３４５７≦ａ≦０．６３４８、０．１７３１≦ｂ≦０．３３１８、０．０３３４≦ｃ≦０．４８１２である、
アノード触媒材料。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
担体上に担持される連続する層または不連続の粒子である請求項１に記載のアノード触媒材料。
【請求項３】
前記担体には金属、炭素材、導電酸化物、導電窒化物、またはこれらの組み合わせが含まれる、請求項２に記載のアノード触媒材料。
【請求項４】
前記金属にはチタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金、またはこれらの組み合わせが含まれる、請求項３に記載のアノード触媒材料。
【請求項５】
前記炭素材にはグラファイト、カーボンナノチューブ、炭素繊維、カーボンマイクロビーズ、またはこれらの組み合わせが含まれる、請求項３に記載のアノード触媒材料。
【請求項６】
前記担体は、メッシュ状、発泡状、多孔状、またはこれらの組み合わせを含む、請求項３に記載のアノード触媒材料。
【請求項７】
アルカリ性水溶液中に配置されたアノードおよびカソードを含む水素発生に用いる水電解装置であって、
前記アノードが、化学式Ｆｅ
a
Ｎｉ
b
Ｍ
c
Ｎ
d
Ｏ
e
を有するアノード触媒材料を含み、
式中、ＭはＭｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａまたはこれらの組み合わせであり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、ａ＞０、ｂ＞０、ｃ＞０、ｄ≧０、ｅ≧０であり、
（ａ）ｄ＞０かつｅ＞０であって、
（ａ２）ＭがＷ、であるとき、０．０１３８≦ａ≦０．０８８７、０．０４１７≦ｂ≦０．２５６６、０．０３６５≦ｃ≦０．３７０８、０．５０３５≦ｄ≦０．５７８２、０．０４０３≦ｅ≦０．０７７８であり；
（ａ３）ＭがＳｎであるとき、０．０４５８≦ａ≦０．０８３６、０．１３０７≦ｂ≦０．２５１９、０．０４４０≦ｃ≦０．１９７９、０．５３３５≦ｄ≦０．５８５３、０．０３５≦ｅ≦０．０９２０であり；
（ａ４）ＭがＳｉであるとき、０．０６９９≦ａ≦０．０９５１、０．２４８９≦ｂ≦０．２８２４、０．０１３６≦ｃ≦０．０７１２、０．５８２０≦ｄ≦０．５９８３、０．０１０６≦ｅ≦０．０２８０であり；
（ａ５）ＭがＮｂであるとき、０．０５９０≦ａ≦０．１０５７、０．２０８９≦ｂ≦０．３２２７、０．００５２≦ｃ≦０．１２５７、０．４８０４≦ｄ≦０．５４５４、０．０３１４≦ｅ≦０．１０４６であり；
（ａ６）ＭがＶであるとき、０．００８２≦ａ≦０．０８０９、０．０２７７≦ｂ≦０．２４８５、０．００９２≦ｃ≦０．１５２４、０．６１５０≦ｄ≦０．６８７８、０．０３６７≦ｅ≦０．１２５８であり；
（ａ７）ＭがＣｒであるとき、０．００５７≦ａ≦０．０６６４、０．０１７１≦ｂ≦０．２０５５、０．０２１０≦ｃ≦０．１６９４、０．５６６５≦ｄ≦０．６９０４、０．０１６９≦ｅ≦０．２１１７であり；
（ａ８）ＭがＴａであるとき、０．０７１０≦ａ≦０．０８３３、０．２０５３≦ｂ≦０．２４３２、０．０３１９≦ｃ≦０．０５５１、０．５６１４≦ｄ≦０．５７５７、０．０４１０≦ｅ≦０．０８８１である；または
（ｂ）ｄ＝０、かつｅ＝０もしくはｅが０よりやや大きく、
（ｂ１）ＭがＭｏであるとき、（ｂ１－１）０．０５４８≦ａ≦０．２１７３、０．１３６７≦ｂ≦０．６４６９、０．１３５８≦ｃ≦０．７８１５である；もしくは（ｂ１－２）０．４９７９≦ａ≦０．６３７６、０．２２８２≦ｂ≦０．３１８８、０．０４３６≦ｃ≦０．２７７２であり；
（ｂ２）ＭがＷであるとき、（ｂ２－１）０．１０５７≦ａ≦０．２３５０、０．３２１１≦ｂ≦０．７０９２、０．０５５８≦ｃ≦０．５７３２であり；
（ｂ３）ＭがＳｎであるとき、（ｂ３－１）０．１２９０≦ａ≦０．１８３２、０．４００２≦ｂ≦０．５９６２、０．２２０６≦ｃ≦０．４７０８である；もしくは０．１９９０≦ａ≦０．２４２０、０．６５６６≦ｂ≦０．７１９４、０．０３８６≦ｃ≦０．１４４４である；もしくは（ｂ３－２）０．５２２２≦ａ≦０．５６４７、０．２７０５≦ｂ≦０．２９２６、０．１４２７≦ｃ≦０．２０７３であり；
（ｂ４）ＭがＳｉであるとき、（ｂ４－１）０．２０８０≦ａ≦０．２１５７、０．６５００≦ｂ≦０．６８９５、０．０９９８≦ｃ≦０．１３０８である；もしくは（ｂ４－２）０．３４５７≦ａ≦０．６３４８、０．１７３１≦ｂ≦０．３３１８、０．０３３４≦ｃ≦０．４８１２である、
水素発生に用いる水電解装置。
【請求項８】
前記アルカリ性水溶液のｐＨが１２より大きく、かつ１５以下である、請求項７に記載の水素発生に用いる水電解装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本技術分野は、アノード触媒材料に関し、より詳細には、これを用いる水素発生用の水電解装置に関する。
続きを表示（約 4,300 文字）【背景技術】
【０００２】
エネルギー不足により、エネルギーの代替ソースを見つけることが現在急務となっているが、水素エネルギーは最良のチョイスである。燃料として用いられる水素ガスは環境保護の要求を満たしており、水の電解は水素および酸素を生成するための最も簡単な方法である。水を電解して水素を生成することにはたくさんの利点があるが、多くのエネルギーを消費するという重大な欠点もあり、結果としてコストがかかり過ぎてしまう。水の電解における過度に高いエネルギー消費は過度に高い過電圧に関連し、そして過電圧は電極、電解質、および電気化学反応の生成物に関連する。水電解の効率を高めるべく、活性化エネルギーを低減するとともに反応界面を増加させて、低反応の開始電位および高い電流活性にするために、電極は重要なものである。活性化エネルギーは電極表面の触媒により低減し得るが、これは電極材料固有の触媒特性による。
【０００３】
アルカリ水電解のプロセスにおけるカソードおよびアノードの反応は以下の通りに示される。
【０００４】
カソードの反応式：
２Ｈ
2
Ｏ＋２ｅ
-
→Ｈ
2
＋２ＯＨ
-
（水素発生反応、ＨＥＲ）
【０００５】
アノードの反応式：
２ＯＨ
-
→Ｈ
2
Ｏ＋１／２Ｏ
2
＋２ｅ
-
（酸素発生反応、ＯＥＲ）
【０００６】
アノードの反応は律速段階である。ＰｔまたはＩｒＯ
2
のような貴金属は最も優れた触媒電極材料であるが、非常に高価である。ＩｒＯ
2
を別の材料に置き換えて、コストを下げる必要がある
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
米国特許第８４８７７３３Ｂ２号明細書
米国特許第７４６８８９９Ｂ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電解により水素を生成するのに用いる酸素発生反応(ＯＥＲ)電極の活性を高めるために、低い過電圧および高い電流活性を有する新規な非貴金属触媒組成物が求められる。加えて、その新規触媒組成物は、触媒活性および低コストを同時に実現するものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の一実施形態は、化学式Ｆｅ
a
Ｎｉ
b
Ｍ
c
Ｎ
d
Ｏ
e
を有するアノード触媒材料を提供する。式中、ＭはＭｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａまたはこれらの組み合わせであり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、ａ＞０、ｂ＞０、ｃ＞０、ｄ≧０、かつｅ≧０であり、（ａ）ｄ＞０かつｅ＞０であって、（ａ１）ＭがＭｏであるとき、０．０１２１≦ａ≦０．０７５３、０．０３６６≦ｂ≦０．２２５７、０．０５４４≦ｃ≦０．２９１７、０．５０５９≦ｄ≦０．５９２５、０．０５２１≦ｅ≦０．１５３７であり；（ａ２）ＭがＷであるとき、０．０１３８≦ａ≦０．０８８７、０．０４１７≦ｂ≦０．２５６６、０．０３６５≦ｃ≦０．３７０８、０．５０３５≦ｄ≦０．５７８２、０．０４０３≦ｅ≦０．０７７８であり；（ａ３）ＭがＳｎであるとき、０．０４５８≦ａ≦０．０８３６、０．１３０７≦ｂ≦０．２５１９、０．０４４０≦ｃ≦０．１９７９、０．５３３５≦ｄ≦０．５８５３、０．０３５≦ｅ≦０．０９２０であり；（ａ４）ＭがＳｉであるとき、０．０６９９≦ａ≦０．０９５１、０．２４８９≦ｂ≦０．２８２４、０．０１３６≦ｃ≦０．０７１２、０．５８２０≦ｄ≦０．５９８３、０．０１０６≦ｅ≦０．０２８０であり；（ａ５）ＭがＮｂであるとき、０．０５９０≦ａ≦０．１０５７、０．２０８９≦ｂ≦０．３２２７、０．００５２≦ｃ≦０．１２５７、０．４８０４≦ｄ≦０．５４５４、０．０３１４≦ｅ≦０．１０４６であり；（ａ６）ＭがＶであるとき、０．００８２≦ａ≦０．０８０９、０．０２７７≦ｂ≦０．２４８５、０．００９２≦ｃ≦０．１５２４、０．６１５０≦ｄ≦０．６８７８、０．０３６７≦ｅ≦０．１２５８であり；（ａ７）ＭがＣｒであるとき、０．００５７≦ａ≦０．０６６４、０．０１７１≦ｂ≦０．２０５５、０．０２１０≦ｃ≦０．１６９４、０．５６６５≦ｄ≦０．６９０４、０．０１６９≦ｅ≦０．２１１７であり；（ａ８）ＭがＴａであるとき、０．０７１０≦ａ≦０．０８３３、０．２０５３≦ｂ≦０．２４３２、０．０３１９≦ｃ≦０．０５５１、０．５６１４≦ｄ≦０．５７５７、０．０４１０≦ｅ≦０．０８８１である；または（ｂ）ｄ＝０、かつｅ＝０もしくはｅが０よりやや大きく、（ｂ１）ＭがＭｏであるとき、（ｂ１－１）０．０５４８≦ａ≦０．２１７３、０．１３６７≦ｂ≦０．６４６９、０．１３５８≦ｃ≦０．７８１５である；もしくは（ｂ１－２）０．４９７９≦ａ≦０．６３７６、０．２２８２≦ｂ≦０．３１８８、０．０４３６≦ｃ≦０．２７７２であり；（ｂ２）ＭがＷであるとき、（ｂ２－１）０．１０５７≦ａ≦０．２３５０、０．３２１１≦ｂ≦０．７０９２、０．０５５８≦ｃ≦０．５７３２である；もしくは（ｂ２－２）０．３２９５≦ａ≦０．６４８５、０．１５７３≦ｂ≦０．２９６６、０．０５４９≦ｃ≦０．５１３２であり；（ｂ３）ＭがＳｎであるとき、（ｂ３－１）０．１２９０≦ａ≦０．１８３２、０．４００２≦ｂ≦０．５９６２、０．２２０６≦ｃ≦０．４７０８である；あるいは０．１９９０≦ａ≦０．２４２０、０．６５６６≦ｂ≦０．７１９４、０．０３８６≦ｃ≦０．１４４４である；もしくは（ｂ３－２）０．５２２２≦ａ≦０．５６４７、０．２７０５≦ｂ≦０．２９２６、０．１４２７≦ｃ≦０．２０７３であり；（ｂ４）ＭがＳｉであるとき、（ｂ４－１）０．２０８０≦ａ≦０．２１５７、０．６５００≦ｂ≦０．６８９５、０．０９９８≦ｃ≦０．１３０８である；もしくは（ｂ４－２）０．３４５７≦ａ≦０．６３４８、０．１７３１≦ｂ≦０．３３１８、０．０３３４≦ｃ≦０．４８１２である。
【００１０】
本開示の一実施形態は、アルカリ性水溶液中に配置されたアノードおよびカソードを含む水素発生に用いる水電解装置であって、アノードが、化学式Ｆｅ
a
Ｎｉ
b
Ｍ
c
Ｎ
d
Ｏ
e
を有するアノード触媒材料を含む、水電解装置を提供する。前式中、ＭはＭｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａまたはこれらの組み合わせであり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、ａ＞０、ｂ＞０、ｃ＞０、ｄ≧０、かつｅ≧０であり、（ａ）ｄ＞０かつｅ＞０であって、（ａ１）ＭがＭｏであるとき、０．０１２１≦ａ≦０．０７５３、０．０３６６≦ｂ≦０．２２５７、０．０５４４≦ｃ≦０．２９１７、０．５０５９≦ｄ≦０．５９２５、０．０５２１≦ｅ≦０．１５３７であり；（ａ２）ＭがＷであるとき、０．０１３８≦ａ≦０．０８８７、０．０４１７≦ｂ≦０．２５６６、０．０３６５≦ｃ≦０．３７０８、０．５０３５≦ｄ≦０．５７８２、０．０４０３≦ｅ≦０．０７７８であり（ａ３）ＭがＳｎであるとき、０．０４５８≦ａ≦０．０８３６、０．１３０７≦ｂ≦０．２５１９、０．０４４０≦ｃ≦０．１９７９、０．５３３５≦ｄ≦０．５８５３、０．０３５≦ｅ≦０．０９２０であり；（ａ４）ＭがＳｉであるとき、０．０６９９≦ａ≦０．０９５１、０．２４８９≦ｂ≦０．２８２４、０．０１３６≦ｃ≦０．０７１２、０．５８２０≦ｄ≦０．５９８３、０．０１０６≦ｅ≦０．０２８０であり；（ａ５）ＭがＮｂであるとき、０．０５９０≦ａ≦０．１０５７、０．２０８９≦ｂ≦０．３２２７、０．００５２≦ｃ≦０．１２５７、０．４８０４≦ｄ≦０．５４５４、０．０３１４≦ｅ≦０．１０４６；（ａ６）ＭがＶであるとき、０．００８２≦ａ≦０．０８０９、０．０２７７≦ｂ≦０．２４８５、０．００９２≦ｃ≦０．１５２４、０．６１５０≦ｄ≦０．６８７８、０．０３６７≦ｅ≦０．１２５８であり；（ａ７）ＭがＣｒであるとき、０．００５７≦ａ≦０．０６６４、０．０１７１≦ｂ≦０．２０５５、０．０２１０≦ｃ≦０．１６９４、０．５６６５≦ｄ≦０．６９０４、０．０１６９≦ｅ≦０．２１１７であり；（ａ８）ＭがＴａであるとき、０．０７１０≦ａ≦０．０８３３、０．２０５３≦ｂ≦０．２４３２、０．０３１９≦ｃ≦０．０５５１、０．５６１４≦ｄ≦０．５７５７、０．０４１０≦ｅ≦０．０８８１である；または（ｂ）ｄ＝０、かつｅ＝０もしくはｅが０よりやや大きく、（ｂ１）ＭがＭｏであるとき、（ｂ１－１）０．０５４８≦ａ≦０．２１７３、０．１３６７≦ｂ≦０．６４６９、０．１３５８≦ｃ≦０．７８１５である；もしくは（ｂ１－２）０．４９７９≦ａ≦０．６３７６、０．２２８２≦ｂ≦０．３１８８、０．０４３６≦ｃ≦０．２７７２であり；（ｂ２）ＭがＷであるとき、（ｂ２－１）０．１０５７≦ａ≦０．２３５０、０．３２１１≦ｂ≦０．７０９２、０．０５５８≦ｃ≦０．５７３２である；もしくは（ｂ２－２）０．３２９５≦ａ≦０．６４８５、０．１５７３≦ｂ≦０．２９６６、０．０５４９≦ｃ≦０．５１３２であり；（ｂ３）ＭがＳｎであるとき、（ｂ３－１）０．１２９０≦ａ≦０．１８３２、０．４００２≦ｂ≦０．５９６２、０．２２０６≦ｃ≦０．４７０８である；あるいは０．１９９０≦ａ≦０．２４２０、０．６５６６≦ｂ≦０．７１９４、０．０３８６≦ｃ≦０．１４４４である；もしくは（ｂ３－２）０．５２２２≦ａ≦０．５６４７、０．２７０５≦ｂ≦０．２９２６、０．１４２７≦ｃ≦０．２０７３であり；（ｂ４）ＭがＳｉであるとき、（ｂ４－１）０．２０８０≦ａ≦０．２１５７、０．６５００≦ｂ≦０．６８９５、０．０９９８≦ｃ≦０．１３０８である；もしくは（ｂ４－２）０．３４５７≦ａ≦０．６３４８、０．１７３１≦ｂ≦０．３３１８、０．０３３４≦ｃ≦０．４８１２である。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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