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公開番号2025131496
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-09
出願番号2024201888
出願日2024-11-19
発明の名称水素発生触媒、水素発生触媒の活性化用組成物、水素発生装置および水素発生触媒の活性化方法
出願人国立大学法人千葉大学
代理人個人,個人,個人,個人
主分類C25B 11/081 20210101AFI20250902BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】水素発生触媒のHER活性を向上させる新たな手段を提供すること。
【解決手段】表面の少なくとも一部が3級窒素もしくは芳香環窒素を含有する複素環式芳香族化合物、その塩もしくは水和物またはそれらの加熱処理物で修飾または被覆されている、水素発生触媒を用いる(但し、前記触媒が白金であるか、前記触媒が白金担持カーボンであり酸化処理されていない場合には、上記複素環式芳香族化合物がカフェインである場合を除く)。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
表面の少なくとも一部が３級窒素もしくは芳香環窒素を含有する複素環式芳香族化合物、その塩もしくは水和物またはそれらの加熱処理物で修飾または被覆されている、水素発生触媒（但し、前記触媒が白金であるか、前記触媒が白金担持カーボンであり酸化処理されていない場合には、前記複素環式芳香族化合物がカフェインである場合を除く）。
続きを表示（約 2,100 文字）【請求項２】
前記複素環式芳香族化合物が、１以上の置換基で置換されていてもよい、１～４個の３級窒素もしくは芳香環窒素を有する１～４環式化合物であり、
前記複素環式芳香族化合物を構成する環が、５員環、６員環またはそれらの組み合わせである、請求項１に記載の水素発生触媒。
【請求項３】
前記置換基が、水酸基、カルバモイルオキシ基もしくはカルボキシル基で置換されていてもよいアルキル基、アミノ基、オキソ基またはイミノ基から選択される少なくとも一つのものである、請求項２に記載の水素発生触媒。
【請求項４】
前記複素環式芳香族化合物が、式（Ｉ）で表される化合物である、請求項１に記載の水素発生触媒。
JPEG
2025131496000013.jpg
58
155
（式中、
Ｒ
１
、Ｒ
２
、Ｒ
３
およびＲ
４
は、それぞれ独立して、水素原子、または水酸基、カルバモイルオキシ基もしくはカルボキシル基で置換されていてもよいアルキル基を表すか、存在せず、ここで、４位の炭素原子と５位の炭素原子の間の点線は結合手を表し、
Ｒ
２
は４位の炭素原子と一緒になって、水酸基で置換されていてもよいアルキル鎖を形成してもよく、ここで、４位の炭素原子と５位の炭素原子の間の点線は存在せず、
Ｘ
１
、Ｘ
２
およびＸ
３
は、それぞれ独立して、水素原子、アミノ基、酸素原子またはＮＨ
２
＋
基を表し、
ただし、Ｘ
１
またはＸ
２
が酸素原子またはＮＨ
２
＋
基を表す場合、Ｘ
１
またはＸ
２
とそれが結合する炭素原子と間の点線は結合手を表しかつＸ
１
またはＸ
２
が結合する炭素原子と窒素原子との間の点線は存在せず、
Ｘ
３
が酸素原子またはＮＨ
２
＋
基を表す場合、Ｘ
３
とそれが結合する炭素原子と間の点線は結合手を表しかつＸ
３
が結合する炭素原子と７位および８位の窒素原子との間の点線は存在せず、
Ｘ
１
、Ｘ
２
またはＸ
３
が結合する炭素原子と窒素原子との間の点線が結合手を表す場合、該窒素原子に結合するＲ
１
、Ｒ
２
、Ｒ
３
およびＲ
４
は存在せず、
前記触媒が白金であるか、前記触媒が白金担持カーボンであり酸化処理されていない場合には、式（Ｉ）で表される化合物がカフェインである場合を除く）
【請求項５】
Ｒ
１
、Ｒ
２
、Ｒ
３
およびＲ
４
は、それぞれ独立して、水素原子またはアルキル基を表すか、存在せず、
Ｘ
１
、Ｘ
２
およびＸ
３
は、それぞれ独立して、水素原子または酸素原子を表し、
Ｘ
１
、Ｘ
２
またはＸ
３
が酸素原子を表す場合、Ｘ
１
、Ｘ
２
またはＸ
３
が結合する炭素原子と間の点線は結合手を表しかつＸ
１
、Ｘ
２
またはＸ
３
が結合する炭素原子と窒素原子との間の点線は存在しない、請求項４に記載の水素発生触媒。
【請求項６】
式（Ｉ）で表される化合物が、カフェイン、テオフィリン、キサンチン、ヒポキサンチン、プリンおよびテオブロミンからなる群から選択される、請求項４または５に記載の水素発生触媒。
【請求項７】
式（Ｉ）で表される化合物が、ヒポキサンチンおよびプリンからなる群から選択される、請求項４または５に記載の水素発生触媒。
【請求項８】
前記複素環式芳香族化合物が、アミノ基で置換されていてもよい、１～３個の３級窒素もしくは芳香環窒素を有する１～４環式化合物であり、
前記複素環式芳香族化合物を構成する環が、５員環、６員環またはそれらの組み合わせである、請求項１に記載の水素発生触媒。
【請求項９】
前記複素環式芳香族化合物が、以下の化合物から選択されるものである、請求項８に記載の水素発生触媒。
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2025131496000014.jpg
71
120
【請求項１０】
前記水素発生触媒が、金属、金属担持担体またはその酸化処理物を含んでなる、請求項１または２に記載の水素発生触媒。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生触媒、水素発生触媒の活性化用組成物、水素発生装置および水素発生触媒の活性化方法に関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
水素は燃料電池等の燃料に用いられ、エネルギーを取り出す過程で二酸化炭素を排出しない。そのため水素は、カーボンニュートラル実現に向け、新しいエネルギーキャリアとして注目されている。水素製造において環境負荷が小さく二酸化炭素を排出しない方法として、再生可能エネルギーを用いた水の電気分解（電解ともいう）がある。
【０００３】
現在主に利用されている水電解は固体高分子形水電解法であり、カチオン交換膜が用いられる酸性条件下では電流密度が大きく、水素発生反応（ＨＥＲ）活性が高いことが挙げられる。しかしながら、酸性条件下では電極として白金（Ｐｔ）等の貴金属が多量に必要となり、Ｐｔは希少かつ高価であるため、電極の高コスト化がデメリットとなる。そこで近年、アニオン交換膜を用いた水電解法が注目されている（非特許文献１）。アニオン交換膜を用いた固体高分子水電解では、カソードで水素発生反応（ＨＥＲ：２Ｈ
２
Ｏ＋２ｅ
－
→Ｈ
２
＋ＯＨ
－
）、アノードでは酸素発生反応（ＯＥＲ：２ＯＨ
－
→１／２Ｏ
２
＋Ｈ
２
Ｏ＋２ｅ
－
）が進行する。
【０００４】
アニオン交換膜を用いることにより、アルカリ条件下での反応となるため、カチオン交換膜を用いた場合に比べ腐食性が小さいため電極にＰｔなどの貴金属だけでなく、マンガンやコバルトなどの卑貴金属を用いられるため電極の低白金化や低コスト化が挙げられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
ＲｏｂｙＳｏｎｉｅｔａｌ．，ＡＣＳＡｐｐｌｉｅｄＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓ４（２０２１）１０５３－１０５８
【発明の概要】
【０００６】
しかしながら、アルカリ条件下でのＨＥＲ活性は酸性条件下に比べ低活性で電流密度が小さい。したがって、水電解における水素発生触媒のＨＥＲ活性を向上することが求められているといえる。
【０００７】
本発明者らは、今般、鋭意研究した結果、プリン塩基化合物等をはじめとする特定の含窒素構造体を用いて水素発生触媒を修飾すると、アルカリ条件下であっても水素発生触媒のＨＥＲ活性を向上させることができることを見出した。本発明は、かかる知見に基づくものである。
【０００８】
したがって、本発明は、水素発生触媒のＨＥＲ活性を向上するための技術的手段を提供する。
【０００９】
本発明の一実施態様によれば、表面の少なくとも一部が３級窒素もしくは芳香環窒素を含有する複素環式芳香族化合物、その塩もしくは水和物またはそれらの加熱処理物で修飾または被覆されている、水素発生触媒（但し、前記触媒が白金であるか、前記触媒が白金担持カーボンであり酸化処理されていない場合には、前記複素環式芳香族化合物がカフェインである場合を除く）が提供される。
【００１０】
また、本発明の好ましい実施態様によれば、上記複素環式芳香族化合物は、式（Ｉ）で表される化合物である。
JPEG
2025131496000002.jpg
59
144
（式中、
Ｒ
１
、Ｒ
２
、Ｒ
３
およびＲ
４
は、それぞれ独立して、水素原子、または水酸基、カルバモイルオキシ基もしくはカルボキシル基で置換されていてもよいアルキル基を表すか、存在せず、ここで、４位の炭素原子と５位の炭素原子の間の点線は結合手を表し、
Ｒ
２
は４位の炭素原子と一緒になって、水酸基で置換されていてもよいアルキル鎖を形成してもよく、ここで、４位の炭素原子と５位の炭素原子の間の点線は存在せず、
Ｘ
１
、Ｘ
２
およびＸ
３
は、それぞれ独立して、水素原子、アミノ基、酸素原子またはＮＨ
２
＋
基を表し、
ただし、Ｘ
１
またはＸ
２
が酸素原子またはＮＨ
２
＋
基を表す場合、Ｘ
１
またはＸ
２
とそれが結合する炭素原子と間の点線は結合手を表しかつＸ
１
またはＸ
２
が結合する炭素原子と窒素原子との間の点線は存在せず、
Ｘ
３
が酸素原子またはＮＨ
２
＋
基を表す場合、Ｘ
３
とそれが結合する炭素原子と間の点線は結合手を表しかつＸ
３
が結合する炭素原子と７位および８位の窒素原子との間の点線は存在せず、
Ｘ
１
、Ｘ
２
またはＸ
３
が結合する炭素原子と窒素原子との間の点線が結合手を表す場合、該窒素原子に結合するＲ
１
、Ｒ
２
、Ｒ
３
およびＲ
４
は存在せず、
前記触媒が白金であるか、前記触媒がカーボン担体に担持されており酸化処理されていない場合、式（Ｉ）で表される化合物がカフェインであることを除く）
（【００１１】以降は省略されています）

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