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JP2016148074A - Cathode for hydrogen generation and manufacturing method therefor - Google Patents

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JP2016148074A JP2015024738A JP2015024738A JP2016148074A JP 2016148074 A JP2016148074 A JP 2016148074A JP 2015024738 A JP2015024738 A JP 2015024738A JP 2015024738 A JP2015024738 A JP 2015024738A JP 2016148074 A JP2016148074 A JP 2016148074A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cathode low in hydrogen overvoltage and hardly generating deterioration of a catalyst layer by reverse current generated during stopping an electrolyte tank.SOLUTION: There is provided a cathode for hydrogen generation consisting of a conducive substrate and a catalyst layer on the conducive substrate, where the catalyst layer contains a ruthenium element, a cerium element, an element of a transition metal which may take trivalence excluding ruthenium and cerium and an aluminum element.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、水又はアルカリ金属化合物水溶液の電解に使用される水素発生用陰極に関するものであり、特にイオン交換膜法食塩電解に好適に使用される水素発生用陰極およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a hydrogen generating cathode used for electrolysis of water or an aqueous alkali metal compound solution, and more particularly to a hydrogen generating cathode suitably used for ion exchange membrane salt electrolysis and a method for producing the same.

水素発生用陰極は、水又はアルカリ金属化合物(典型的にはアルカリ金属塩化物)の水溶液を電解して、水素、塩素、苛性ソーダなどを製造する用途に使用されている。電解工業において、エネルギー消費量の削減、具体的には電解電圧の低減が大きな課題である。近年、食塩水などのアルカリ金属塩化物水溶液の電解法としてはイオン交換膜法が主流であり、これまで様々な検討がなされてきた。実際に電解を行う場合、電解電圧は、理論的に求められる食塩の電気分解に必要な電圧に加え、陽極反応(塩素発生)の過電圧、陰極反応(水素発生)の過電圧、およびイオン交換膜の抵抗による電圧、アノードとカソードとの電極間距離による電圧がさらに必要である。これらの電圧のうち、電極反応による過電圧に注目すると、塩素発生用陽極としては所謂DSA(imensionally table node)と呼ばれる貴金属系の電極が開発され、塩素過電圧は50mV以下にまで大きく低減されている。 The cathode for hydrogen generation is used for the purpose of producing hydrogen, chlorine, caustic soda, etc. by electrolyzing an aqueous solution of water or an alkali metal compound (typically alkali metal chloride). In the electrolysis industry, reduction of energy consumption, specifically, reduction of electrolysis voltage is a major issue. In recent years, the ion exchange membrane method has been the mainstream as an electrolysis method for an aqueous solution of alkali metal chloride such as saline, and various studies have been made so far. In actual electrolysis, in addition to the voltage required for electrolysis of salt, which is theoretically required, the overvoltage of the anodic reaction (chlorine generation), the overvoltage of the cathodic reaction (hydrogen generation), and the ion exchange membrane A voltage due to resistance and a voltage due to the distance between the anode and the cathode are further required. Among these voltages, focusing on the overvoltage due to the electrode reaction, the chlorine evolution for anodic been developed noble metal electrode, called the so-called DSA (D imensionally S table A node ), chlorine overvoltage is greatly reduced to below 50mV ing.

一方、水素発生を伴う陰極に関しても、近年、省エネルギーの観点から、水素過電圧が低く、耐久性のある陰極が求められている。かつては、水素発生用陰極としては、軟鋼、ステンレス、およびニッケルが使用されていた。そして、これら陰極の表面を活性化して水素過電圧を低減することが検討され、これまでに多くの特許出願がされている。水素発生用陰極の表面を活性化するための触媒としては、ニッケル、酸化ニッケル、ニッケルとスズとの合金、活性炭と酸化物との組合せ、酸化ルテニウム、白金などが挙げられる。これらの触媒を含有する触媒層は、合金めっき、分散・複合めっき、熱分解、もしくは溶射、またはこれらの組み合わせにより形成される。   On the other hand, as for cathodes with hydrogen generation, in recent years, from the viewpoint of energy saving, there is a demand for cathodes with low hydrogen overvoltage and durability. In the past, mild steel, stainless steel, and nickel have been used as cathodes for hydrogen generation. Then, it has been studied to activate the surfaces of these cathodes to reduce hydrogen overvoltage, and many patent applications have been filed so far. Examples of the catalyst for activating the surface of the hydrogen generating cathode include nickel, nickel oxide, an alloy of nickel and tin, a combination of activated carbon and oxide, ruthenium oxide, platinum and the like. The catalyst layer containing these catalysts is formed by alloy plating, dispersion / composite plating, thermal decomposition, thermal spraying, or a combination thereof.

特許文献1では、導電性基材上に、ランタン系金属化合物と白金族化合物とからなる触媒層を形成することにより、低い過電圧を有する陰極を形成している。特許文献2では、硝酸ルテニウムとランタンのカルボン酸塩とを導電性基材上に塗布し、大気中で焼成して触媒層を形成することにより、高電流密度での運転においても長期間安定な触媒層を得ている。   In Patent Document 1, a cathode having a low overvoltage is formed by forming a catalyst layer made of a lanthanum metal compound and a platinum group compound on a conductive substrate. In Patent Document 2, ruthenium nitrate and a lanthanum carboxylate are coated on a conductive substrate and fired in the air to form a catalyst layer, which is stable for a long time even in operation at high current density. A catalyst layer is obtained.

一方、電解槽停止時には逆電流が発生すること、およびこの逆電流により触媒層が酸化劣化することが知られている。逆電流による触媒層の劣化防止のためには、電解槽停止時に防食電流を流すなどの方法がとられている。   On the other hand, it is known that a reverse current is generated when the electrolytic cell is stopped, and that the catalyst layer is oxidized and deteriorated by this reverse current. In order to prevent the deterioration of the catalyst layer due to the reverse current, a method of passing a corrosion-proof current when the electrolytic cell is stopped is taken.

特許文献3では、酸化ルテニウムとニッケルと水素吸蔵能力をもつ希土類金属とからなる被覆を有する電極触媒層を形成する技術が提案されている。この技術では、触媒層に水素吸蔵合金を導入することにより、電解槽停止時に発生する逆電流による酸化を防ぐ工夫がなされている。   Patent Document 3 proposes a technique for forming an electrode catalyst layer having a coating made of ruthenium oxide, nickel, and a rare earth metal having a hydrogen storage capability. In this technique, a hydrogen storage alloy is introduced into the catalyst layer to prevent oxidation due to a reverse current generated when the electrolytic cell is stopped.

白金は水素過電圧が低く、電気化学的に安定な材料であり、逆電流に対しても比較的安定であるため、従来から触媒層に白金を担持してなる水素過電圧の低い陰極が提案されている。しかしながら、白金の価格は非常に高く、使用に伴う電極コストの上昇が大きな問題である。また、逆電流による劣化が少なからず起こってしまう。   Platinum has a low hydrogen overvoltage, is an electrochemically stable material, and is relatively stable against reverse currents. Therefore, a cathode with a low hydrogen overvoltage that has been supported by platinum on a catalyst layer has been proposed. Yes. However, the price of platinum is very high, and an increase in electrode cost accompanying use is a major problem. Moreover, the deterioration due to the reverse current occurs not a little.

以上のように、電力消費量を削減する目的で多くの取り組みがなされ、様々な水素発生用陰極が提案されている。しかし、水素過電圧が低く、かつ電解槽停止時の逆電流に対して十分な耐性を有する水素発生用陰極は未だ得られていない。   As described above, many efforts have been made for the purpose of reducing power consumption, and various cathodes for hydrogen generation have been proposed. However, a hydrogen generating cathode having a low hydrogen overvoltage and sufficient resistance against a reverse current when the electrolytic cell is stopped has not been obtained yet.

特開2000−239882号公報JP 2000-239882 A 特開2008−133532号公報JP 2008-133532 A 特開平11−140680号公報JP-A-11-140680

本発明の課題は、水素過電圧が低く、かつ、電解槽停止時に発生する逆電流による触媒層の劣化が起こり難い陰極を提供することである。   An object of the present invention is to provide a cathode that has a low hydrogen overvoltage and is unlikely to deteriorate the catalyst layer due to a reverse current generated when the electrolytic cell is stopped.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を進めた。その結果、ルテニウム化合物およびセリウム化合物の組み合わせに、さらに特定の金属化合物を共存させた触媒層を有する陰極により、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The inventors of the present invention have made extensive studies on the above problems. As a result, the present inventors have found that the above problems can be solved by a cathode having a catalyst layer in which a specific metal compound coexists with a combination of a ruthenium compound and a cerium compound, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は以下のとおりである。
(1) 導電性基材と、該導電性基材上の触媒層と、からなる水素発生用陰極であって、
前記触媒層が、ルテニウム元素、セリウム元素、3価を取りうる遷移金属(ただし、ルテニウムおよびセリウムを除く)の元素、およびアルミニウム元素を含有することを特徴とする、前記水素発生用陰極。
(2) 前記3価を取りうる遷移金属が希土類金属である、(1)に記載の水素発生用陰極。
That is, the present invention is as follows.
(1) A hydrogen generating cathode comprising a conductive substrate and a catalyst layer on the conductive substrate,
The cathode for hydrogen generation, wherein the catalyst layer contains a ruthenium element, a cerium element, a transition metal element capable of taking trivalence (excluding ruthenium and cerium), and an aluminum element.
(2) The cathode for hydrogen generation according to (1), wherein the trivalent transition metal is a rare earth metal.

(3) 前記3価を取りうる遷移金属が、ランタン、プラセオジム、ネオジム、およびサマリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種類の金属である、(2)に記載の水素発生用陰極。
(4) 前記セリウム元素の含有量が、前記ルテニウム元素1モルに対して1/20〜1/2モルであり、
前記3価を取りうる遷移金属元素の含有量が、前記ルテニウム元素1モルに対して1/100〜1/2モルであり、そして
アルミニウム元素の含有量が、前記ルテニウム元素1モルに対して1/100〜1/2モルである、(1)〜(3)のいずれか一項に記載の水素発生用陰極。
(3) The hydrogen generating cathode according to (2), wherein the trivalent transition metal is at least one metal selected from the group consisting of lanthanum, praseodymium, neodymium, and samarium.
(4) The content of the cerium element is 1/20 to 1/2 mol with respect to 1 mol of the ruthenium element,
The content of the transition metal element capable of taking the trivalent is 1/100 to 1/2 mol with respect to 1 mol of the ruthenium element, and the content of the aluminum element is 1 with respect to 1 mol of the ruthenium element. The cathode for hydrogen generation as described in any one of (1)-(3) which is / 100-1 / 2 mol.

(5) 前記ルテニウム元素が、酸化ルテニウムおよびルテニウム水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素であり、
前記セリウム元素が、酸化セリウムおよびセリウム水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素であり、
前記3価を取りうる遷移金属の元素のうちの少なくとも一部が、遷移金属酸化物および遷移金属水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素であり、そして
前記アルミニウム元素が、酸化アルミニウムおよびアルミニウム水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素である、(1)〜(4)のいずれか一項に記載の水素発生用陰極。
(6) 前記遷移金属元素のうちの少なくとも一部が前記酸化セリウムおよびセリウム水酸化物のうちの少なくとも1種にドープされている、(5)に記載の水素発生用陰極。
(5) The ruthenium element is an element that forms at least one compound of ruthenium oxide and ruthenium hydroxide,
The cerium element is an element forming at least one compound of cerium oxide and cerium hydroxide;
At least a part of the transition metal element capable of taking trivalence is an element forming at least one compound of transition metal oxide and transition metal hydroxide, and the aluminum element is oxidized The cathode for hydrogen generation according to any one of (1) to (4), which is an element that forms at least one compound of aluminum and aluminum hydroxide.
(6) The hydrogen generating cathode according to (5), wherein at least a part of the transition metal element is doped with at least one of the cerium oxide and cerium hydroxide.

(7) 前記導電性基材がニッケルからなり、
前記触媒層における前記セリウム元素のうちの少なくとも一部は酸化セリウムを形成する元素であり、
前記ルテニウム元素のうちの少なくとも一部は酸化ルテニウムを形成する元素であり、そして
前記触媒層を前記導電性基材とともにX線回折したときの、酸化セリウムに帰属される2θ=47.3°のピーク強度が、酸化ルテニウムに帰属される2θ=35.1°のピーク強度に対して、1/40以下である、(5)または(6)に記載の水素発生用陰極。
(8) 前記触媒層に含まれるルテニウム元素の含有量が1〜20g/mである、(1)〜(7)のいずれか一項に記載の水素発生用陰極。
(7) The conductive substrate is made of nickel,
At least a part of the cerium element in the catalyst layer is an element that forms cerium oxide,
At least a part of the ruthenium element is an element that forms ruthenium oxide, and 2θ = 47.3 ° attributed to cerium oxide when the catalyst layer is X-ray diffracted together with the conductive substrate. The cathode for hydrogen generation according to (5) or (6), wherein the peak intensity is 1/40 or less with respect to the peak intensity of 2θ = 35.1 ° attributed to ruthenium oxide.
(8) The cathode for hydrogen generation as described in any one of (1)-(7) whose content of the ruthenium element contained in the said catalyst layer is 1-20 g / m < 2 >.

(9) 導電性基材上に、
ルテニウム化合物、セリウム化合物、3価を取りうる遷移金属(ただし、ルテニウムおよびセリウムを除く)の化合物、およびアルミニウム化合物を含有する溶液を塗布した後に乾燥して塗膜を形成し、次いで前記塗膜中に含まれる前記化合物群を熱分解して触媒層を形成することを特徴とする、水素発生用陰極の製造方法。
(10) 前記3価を取りうる遷移金属化合物が希土類金属化合物である、(9)に記載の水素発生用陰極の製造方法。
(9) On the conductive substrate,
After applying a solution containing a ruthenium compound, a cerium compound, a trivalent transition metal compound (except ruthenium and cerium), and an aluminum compound, it is dried to form a coating film, and then in the coating film A method for producing a hydrogen generating cathode, wherein the catalyst group is formed by thermally decomposing the compound group contained in the catalyst.
(10) The method for producing a cathode for hydrogen generation according to (9), wherein the trivalent transition metal compound is a rare earth metal compound.

(11) 前記3価を取りうる遷移金属化合物が、ランタン化合物、プラセオジム化合物、ネオジム化合物、およびサマリウム化合物からなる群より選ばれた少なくとも1種である、(9)または(10)に記載の水素発生用陰極の製造方法。
(12) 前記溶液中、
前記セリウム化合物の含有量が、前記ルテニウム化合物中のルテニウム元素1モルに対するセリウム元素の割合として、1/20〜1/2モルであり、
前記3価を取りうる遷移金属化合物の含有量が、前記ルテニウム化合物中のルテニウム元素1モルに対する遷移金属元素の割合として、1/100〜1/2モルであり、そして
前記アルミニウム化合物の含有量が、前記ルテニウム化合物中のルテニウム元素1モルに対するアルミニウム元素の割合として、1/100〜1/2モルである、(9)〜(11)のいずれか一項に記載の水素発生用陰極の製造方法。
(11) The hydrogen according to (9) or (10), wherein the trivalent transition metal compound is at least one selected from the group consisting of a lanthanum compound, a praseodymium compound, a neodymium compound, and a samarium compound. A method for producing a cathode for generation.
(12) In the solution,
The content of the cerium compound is 1/20 to 1/2 mol as a ratio of the cerium element to 1 mol of the ruthenium element in the ruthenium compound,
The content of the transition metal compound capable of taking the trivalence is 1/100 to 1/2 mol as a ratio of the transition metal element to 1 mol of the ruthenium element in the ruthenium compound, and the content of the aluminum compound is The method for producing a cathode for hydrogen generation according to any one of (9) to (11), wherein the ratio of aluminum element to 1 mol of ruthenium element in the ruthenium compound is 1/100 to 1/2 mol. .

(13) 前記ルテニウム化合物が塩化物である、(9)〜(12)のいずれか一項に記載の水素発生用陰極の製造方法。
(14) 前記3価を取りうる遷移金属化合物が塩化物である、(9)〜(13)のいずれか一項に記載の水素発生用陰極の製造方法。
(13) The method for producing a cathode for hydrogen generation according to any one of (9) to (12), wherein the ruthenium compound is a chloride.
(14) The method for producing a cathode for hydrogen generation according to any one of (9) to (13), wherein the transition metal compound capable of taking trivalence is a chloride.

(15) 前記導電性基材上に前記溶液を塗布した後の乾燥を150℃未満の温度で行い、
上記熱分解を350℃以上600℃以下の温度で行う、(9)〜(14)のいずれか一項に記載の水素発生用陰極の製造方法。
(16) 上記熱分解の前に、150℃以上350℃未満の温度で1〜60分間の仮焼成を行う、(9)〜(15)のいずれか一項に記載の電解用陰極の製造方法。
(15) Drying after applying the solution on the conductive substrate is performed at a temperature of less than 150 ° C.,
The method for producing a hydrogen generating cathode according to any one of (9) to (14), wherein the thermal decomposition is performed at a temperature of 350 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
(16) The method for producing a cathode for electrolysis according to any one of (9) to (15), wherein temporary baking is performed at a temperature of 150 ° C. or higher and lower than 350 ° C. for 1 to 60 minutes before the thermal decomposition. .

本発明により、アルカリ金属化合物の水溶液の電気分解に使用できる水素発生用陰極であって、特にゼロギャップ電解槽に好適に使用でき、水素過電圧が低く、電解槽停止時に発生する逆電流に対する耐性が十分に高い水素発生用陰極が提供される。   According to the present invention, a cathode for hydrogen generation that can be used for electrolysis of an aqueous solution of an alkali metal compound, particularly suitable for a zero gap electrolytic cell, has a low hydrogen overvoltage, and is resistant to a reverse current generated when the electrolytic cell is stopped. A sufficiently high cathode for hydrogen generation is provided.

実施例および比較例で得られた水素発生用陰極の逆電流印加試験における陰極電位上昇挙動を示すグラフである。It is a graph which shows the cathode potential rise behavior in the reverse current application test of the cathode for hydrogen generation obtained by the Example and the comparative example. 比較例4で得られた水素発生用陰極に7日間通電した後の断面SEM画像(拡大倍率:10,000倍)である。It is a cross-sectional SEM image (magnification: 10,000 times) after supplying with electricity to the cathode for hydrogen generation obtained in comparative example 4 for 7 days.

本発明の水素発生用陰極は、導電性基材と、該導電性基材上の触媒層と、からなる。
<導電性基材>
本発明の水素発生用陰極における導電性基材としては、例えばニッケル、ニッケル合金、ステンレススチールなどを使用できる。しかし、ステンレススチールを高濃度のアルカリ水溶液中で用いた場合、鉄およびクロムが溶出すること、ならびにステンレススチールの電気伝導性がニッケルの1/10程度であることを考慮すると、導電性基材としてはニッケルが好ましい。
The cathode for hydrogen generation of the present invention comprises a conductive substrate and a catalyst layer on the conductive substrate.
<Conductive substrate>
As the conductive substrate in the hydrogen generating cathode of the present invention, for example, nickel, nickel alloy, stainless steel or the like can be used. However, when stainless steel is used in a high-concentration alkaline aqueous solution, considering that elution of iron and chromium and that the electrical conductivity of stainless steel is about 1/10 that of nickel, the conductive base material is Is preferably nickel.

導電性基材の形状は特に限定されず、目的によって適切な形状を選択することができる。例えば、多孔板、エキスパンド形状、ニッケル線を編んで作製したいわゆるウーブンメッシュなどが好適に用いられる。導電性基材の形状については、電解槽における陽極と陰極との距離によって好適な仕様がある。陽極と陰極とが有限な距離を有する場合には、多孔板またはエキスパンド形状が用いられ、イオン交換膜と電極とが接するいわゆるゼロギャップ電解槽の場合には、細い線を編んだウーブンメッシュなどが用いられる。   The shape of the conductive substrate is not particularly limited, and an appropriate shape can be selected depending on the purpose. For example, a so-called woven mesh produced by knitting a perforated plate, an expanded shape, or a nickel wire is preferably used. About the shape of an electroconductive base material, there exists a suitable specification with the distance of the anode and cathode in an electrolytic cell. When the anode and the cathode have a finite distance, a perforated plate or an expanded shape is used. In the case of a so-called zero gap electrolytic cell where the ion exchange membrane and the electrode are in contact with each other, a woven mesh knitted with a thin line is used. Used.

本発明においては、導電性基材を酸化雰囲気中で焼鈍することによって加工時の残留応力を緩和することが好ましい。また、導電性基材の表面には、該表面に被覆される触媒層との密着性を向上させるために、スチールグリッド、アルミナ粉などを用いて凹凸を形成し、その後の酸処理によって表面積を増加させることが好ましい。
基材としては、ニッケルの細線を編んだウーブンメッシュが好ましい。ニッケル細線の線径としては、0.05〜0.3mmが好ましく、0.1〜0.2mmがより好ましい。また、メッシュ数としては、10〜60メッシュが好ましく、20〜50メッシュであることがより好ましく、さらに好ましくは25〜45メッシュである。
In the present invention, it is preferable to relieve the residual stress during processing by annealing the conductive substrate in an oxidizing atmosphere. Further, in order to improve the adhesion with the catalyst layer coated on the surface of the conductive substrate, irregularities are formed using a steel grid, alumina powder, etc., and the surface area is increased by subsequent acid treatment. It is preferable to increase.
The substrate is preferably a woven mesh knitted with fine nickel wires. The wire diameter of the nickel fine wire is preferably 0.05 to 0.3 mm, and more preferably 0.1 to 0.2 mm. Moreover, as a mesh number, 10-60 mesh is preferable, It is more preferable that it is 20-50 mesh, More preferably, it is 25-45 mesh.

<触媒層>
本発明の水素発生用陰極における触媒層は、ルテニウム元素、セリウム元素、3価を取りうる遷移金属(ただし、ルテニウムおよびセリウムを除く)の元素、およびアルミニウム元素を含有する。
<Catalyst layer>
The catalyst layer in the cathode for hydrogen generation of the present invention contains a ruthenium element, a cerium element, a trivalent transition metal element (except for ruthenium and cerium), and an aluminum element.

(ルテニウム元素)
上記触媒層に含有されるルテニウム元素は、水素発生電解における触媒として機能する成分である。このルテニウム元素は、酸化ルテニウム、ルテニウム水酸化物、および金属ルテニウムのうちの少なくとも1種の化合物または金属を形成する元素であることが好ましく、酸化ルテニウムおよびルテニウム水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素であることがより好ましく、酸化ルテニウムを形成する元素であることが特に好ましい。つまり、本発明の水素発生用陰極における触媒層は、酸化ルテニウムを含有することが特に好ましい。
上記触媒層に含まれるルテニウム元素の含有量は、多ければ多い方が低い過電圧を維持できる時間が長くなる傾向にあり、好ましい。しかしながら、ルテニウム元素は高価であるため、適正なコストメリットを得る観点から、その使用量を抑制する必要もある。これらのことに鑑み、触媒層に含まれるルテニウム元素の含有量は、1〜20g/mであることが好ましく、5〜20g/mであることがより好ましく、さらに好ましくは5〜15g/mである。
(Ruthenium element)
The ruthenium element contained in the catalyst layer is a component that functions as a catalyst in hydrogen generation electrolysis. The ruthenium element is preferably an element that forms at least one compound or metal of ruthenium oxide, ruthenium hydroxide, and metal ruthenium, and at least one of ruthenium oxide and ruthenium hydroxide. The element that forms a compound is more preferable, and the element that forms ruthenium oxide is particularly preferable. That is, the catalyst layer in the cathode for hydrogen generation of the present invention particularly preferably contains ruthenium oxide.
The larger the content of ruthenium element contained in the catalyst layer, the longer the time during which a low overvoltage can be maintained, which is preferable. However, since ruthenium element is expensive, it is necessary to suppress the amount of use from the viewpoint of obtaining appropriate cost merit. In view of these facts, the content of ruthenium element contained in the catalyst layer is preferably from 1 to 20 g / m 2, more preferably from 5 to 20 g / m 2, more preferably 5 to 15 g / a m 2.

(セリウム元素)
上記触媒層に含有されるセリウム元素は、酸化セリウム、セリウム水酸化物、および金属セリウムのうちの少なくとも1種の化合物または金属を形成する元素であることが好ましく、酸化セリウムおよびセリウム水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素であることがより好ましく、酸化セリウムを形成する元素であることが特に好ましい。つまり、本発明の水素発生用陰極における触媒層は、酸化セリウムを含有することが特に好ましい。
(Cerium element)
The cerium element contained in the catalyst layer is preferably an element that forms at least one compound or metal of cerium oxide, cerium hydroxide, and metal cerium, and includes cerium oxide and cerium hydroxide. Of these, an element that forms at least one compound is more preferable, and an element that forms cerium oxide is particularly preferable. That is, the catalyst layer in the cathode for hydrogen generation of the present invention particularly preferably contains cerium oxide.

酸化セリウムは、陰極電解液(例えば水酸化ナトリウム水溶液)中で水素発生電解を実施すると、3価の水酸化セリウムへ還元されるとともに、針状結晶へと形態が変化する。そしてこのことにより、触媒として機能するルテニウム化合物が基材から脱落することを抑制するとともに、触媒層がより空隙の多い構造へと変化して表面積を増加させる効果がある。   When hydrogen generation electrolysis is carried out in a cathode electrolyte (for example, an aqueous sodium hydroxide solution), cerium oxide is reduced to trivalent cerium hydroxide and changes into a needle crystal. As a result, the ruthenium compound functioning as a catalyst is prevented from falling off the base material, and the catalyst layer has an effect of changing to a structure with more voids and increasing the surface area.

セリウム元素の量が、ルテニウム元素1モルに対して1/20モル以上だと、触媒層中にルテニウム化合物を保持することが容易であり、物理的脱落が生じ難い。一方、この値が1/2モル以下だと、後述するとおり塗布液の熱分解によって形成される触媒層において、触媒活性を持たないセリウム化合物が触媒活性を有するルテニウム化合物の表面を完全に覆わないため、低過電圧の陰極が得られる。
触媒層におけるセリウム元素の含有量は、より好ましくは、ルテニウム元素1モルに対して1/8〜1/4の範囲である。
When the amount of the cerium element is 1/20 mol or more with respect to 1 mol of the ruthenium element, it is easy to hold the ruthenium compound in the catalyst layer, and physical dropout hardly occurs. On the other hand, when this value is ½ mol or less, the cerium compound having no catalytic activity does not completely cover the surface of the ruthenium compound having catalytic activity in the catalyst layer formed by thermal decomposition of the coating solution as described later. Therefore, a low overvoltage cathode can be obtained.
The content of the cerium element in the catalyst layer is more preferably in the range of 1/8 to 1/4 with respect to 1 mol of ruthenium element.

上述したとおり、本発明の水素発生用陰極における触媒層は、酸化ルテニウムおよび酸化セリウムの双方を含有することが好ましい。この場合、該触媒層を前記導電性基材とともにX線回折したときの、酸化セリウムに帰属される2θ=47.3°のピーク強度が、酸化ルテニウムに帰属される2θ=35.1°のピーク強度に対して、1/40以下であることが好ましい。酸化セリウムおよび酸化ルテニウムの強度比が1/40より大きいと、非晶質の酸化セリウムが少なく、酸化セリウムが還元され難いため、本発明の効果が充分得られない場合がある。上記の強度比は、1/50以下であることがより好ましく、1/60以下であることがさらに好ましく、1/65以下であることが特に好ましい。この強度比は、小さければ小さいほど、非晶質のセリウムが多く存在することに帰する点で、好ましい。   As described above, the catalyst layer in the hydrogen generating cathode of the present invention preferably contains both ruthenium oxide and cerium oxide. In this case, when the catalyst layer is X-ray diffracted together with the conductive substrate, the peak intensity of 2θ = 47.3 ° attributed to cerium oxide is 2θ = 35.1 ° attributed to ruthenium oxide. It is preferable that it is 1/40 or less with respect to peak intensity. When the strength ratio of cerium oxide and ruthenium oxide is larger than 1/40, there are few amorphous cerium oxides, and cerium oxide is difficult to be reduced, so that the effects of the present invention may not be sufficiently obtained. The intensity ratio is more preferably 1/50 or less, further preferably 1/60 or less, and particularly preferably 1/65 or less. The smaller the intensity ratio is, the more preferable it is due to the presence of more amorphous cerium.

(遷移金属元素)
本発明の水素発生用陰極における触媒層は、さらに、3価を取りうる遷移金属元素を含有する。この遷移金属元素からは、ルテニウム元素およびセリウム元素は除かれる。この、3価を取りうる遷移金属(ただし、ルテニウムおよびセリウムを除く)を、本明細書において、以下、単に「遷移金属」と呼ぶことがある。
上記遷移金属元素は、セリウムを除く希土類金属の元素から選択されることが好ましく、
ランタン、プラセオジム、ネオジム、およびサマリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種類の金属の元素であることがより好ましい。
上記遷移金属の元素は、そのうちの少なくとも一部が、遷移金属酸化物、遷移金属水酸化物、および金属状の遷移金属のうちの少なくとも1種の化合物または金属を形成する元素であることが好ましく、遷移金属酸化物および遷移金属水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素であることがより好ましい。
(Transition metal element)
The catalyst layer in the cathode for hydrogen generation of the present invention further contains a transition metal element capable of taking trivalence. From this transition metal element, ruthenium element and cerium element are excluded. In the present specification, the transition metal capable of taking trivalence (except ruthenium and cerium) may be simply referred to as “transition metal” hereinafter.
The transition metal element is preferably selected from rare earth metal elements excluding cerium,
More preferably, it is at least one metal element selected from the group consisting of lanthanum, praseodymium, neodymium, and samarium.
It is preferable that at least a part of the transition metal element is an element that forms at least one compound or metal of a transition metal oxide, a transition metal hydroxide, and a metallic transition metal. More preferably, it is an element that forms at least one compound of a transition metal oxide and a transition metal hydroxide.

セリウム化合物(好ましくは酸化セリウムおよびセリウム水酸化物のうちの少なくとも1種、特に好ましくは酸化セリウム)を含有する触媒層中に、遷移金属元素を添加すると、セリウム化合物中に3価の遷移金属元素がドープされる。セリウム化合物が例えば酸化セリウムである場合、この遷移金属元素のドープによって、該酸化セリウムの導電性が向上してより還元され易くなるとともに、針状結晶化が促進される。この結果、触媒層の空隙形成が促進され、表面積が大きくなる。従って、遷移金属元素のうちの少なくとも一部は、上記セリウム化合物にドープされていることが好ましい。ドープ量は、セリウム化合物に含まれるセリウム原子を基準として、好ましくは1〜20モル%であり、より好ましくは3〜15モル%である。   When a transition metal element is added to a catalyst layer containing a cerium compound (preferably at least one of cerium oxide and cerium hydroxide, particularly preferably cerium oxide), a trivalent transition metal element is added to the cerium compound. Is doped. When the cerium compound is, for example, cerium oxide, the doping of the transition metal element improves the conductivity of the cerium oxide and facilitates reduction, and promotes acicular crystallization. As a result, formation of voids in the catalyst layer is promoted and the surface area is increased. Therefore, it is preferable that at least a part of the transition metal element is doped in the cerium compound. The dope amount is preferably 1 to 20 mol%, more preferably 3 to 15 mol%, based on the cerium atom contained in the cerium compound.

触媒層中の遷移金属元素の含有量が、ルテニウム1モルに対して、1/100以上だと、電解による酸化セリウムの還元速度が大きくなり、1/2モル以下だと、後述するとおり塗布液の熱分解によって形成される触媒層において、遷移金属化合物がルテニウム化合物の表面を完全に覆うことがなく、低い過電圧の陰極が得られる。触媒層中の遷移金属元素の含有量は、ルテニウム元素1モルに対して、1/50〜1/5であることがより好ましい。   When the content of the transition metal element in the catalyst layer is 1/100 or more with respect to 1 mol of ruthenium, the reduction rate of cerium oxide by electrolysis increases, and when it is 1/2 mol or less, as described later, the coating solution In the catalyst layer formed by thermal decomposition, the transition metal compound does not completely cover the surface of the ruthenium compound, and a low overvoltage cathode can be obtained. The content of the transition metal element in the catalyst layer is more preferably 1/50 to 1/5 with respect to 1 mole of the ruthenium element.

(アルミニウム元素)
本発明の水素発生用陰極における触媒層は、さらに、アルミニウム元素を含有する。
触媒層にアルミニウム元素を添加すると、陰極電解液(例えば水酸化ナトリウム水溶液)によってアルミニウム化合物が溶出し、触媒層の表面積が増加する。
このアルミニウム元素は、酸化アルミニウム、アルミニウム水酸化物、および金属アルミニウムのうちの少なくとも1種の化合物または金属を形成する元素であることが好ましく、酸化アルミニウムおよびアルミニウム水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素であることがより好ましく、酸化アルミニウムを形成する元素であることが特に好ましい。つまり、本発明の水素発生用陰極における触媒層は、酸化アルミニウムを含有することが特に好ましい。
(Aluminum element)
The catalyst layer in the cathode for hydrogen generation of the present invention further contains an aluminum element.
When an aluminum element is added to the catalyst layer, the aluminum compound is eluted by the cathode electrolyte (for example, sodium hydroxide aqueous solution), and the surface area of the catalyst layer is increased.
The aluminum element is preferably an element that forms at least one compound or metal of aluminum oxide, aluminum hydroxide, and metal aluminum, and at least one of aluminum oxide and aluminum hydroxide. The element that forms a compound is more preferable, and the element that forms aluminum oxide is particularly preferable. That is, the catalyst layer in the cathode for hydrogen generation of the present invention particularly preferably contains aluminum oxide.

触媒層中のアルミニウム元素の含有量が、ルテニウム元素1モルに対して、1/100以上だと、表面積増加の効果が得られ、1/2モル以下だと、アルミニウム化合物が溶出した後の触媒層の物理強度が保たれるため、触媒成分が脱落し難い。より好ましいアルミニウム元素の含有量は、ルテニウム元素1モルに対して、1/20〜1/2の範囲であり、さらに好ましくは、1/15〜1/4の範囲である。   When the content of the aluminum element in the catalyst layer is 1/100 or more with respect to 1 mol of the ruthenium element, an effect of increasing the surface area is obtained. When the content of the aluminum element is 1/2 mol or less, the catalyst after the aluminum compound is eluted Since the physical strength of the layer is maintained, the catalyst component is difficult to fall off. The content of aluminum element is more preferably in the range of 1/20 to 1/2, and still more preferably in the range of 1/15 to 1/4 with respect to 1 mole of ruthenium element.

(触媒層の厚さなど)
触媒層の厚さは、厚ければ厚いほど、低い過電圧を維持できる期間が長くなる。しかしながら、触媒層が過度に厚いと、陰極の物理強度が低下する場合がある。これらの双方を考慮すると、触媒層の厚さとしては、1〜10μmであることが好ましく、2〜5μmであることがより好ましい。
触媒層の単位面積当たりの重さも、重いほど、低い過電圧を維持できる期間が長くなるが、経済性の観点も考慮すると、1〜20g/mであることが好ましく、3〜15g/mであることがより好ましい。
(Catalyst layer thickness, etc.)
The thicker the catalyst layer, the longer the period during which a low overvoltage can be maintained. However, if the catalyst layer is excessively thick, the physical strength of the cathode may decrease. Considering both of these, the thickness of the catalyst layer is preferably 1 to 10 μm, and more preferably 2 to 5 μm.
Even weight per unit area of the catalyst layer, heavier, but the period to maintain a low overvoltage is long, considering also the viewpoint of economy, is preferably 1~20g / m 2, 3~15g / m 2 It is more preferable that

(陰極劣化抑制のメカニズム)
本発明の水素発生用陰極は、その触媒層の表面積を大きくすることによって、陰極の劣化が抑制されている。この効果が発現するメカニズムについて、次に説明する。
電解槽停止後、逆電流が流れると、陰極上で酸化反応が進行しながら電位が上昇する。陰極上では、種々の物質の様々な酸化反応が、酸化還元電位が卑である順に進行する。具体的には、先ず−1.0V(vs.Ag|AgCl)付近で、陰極に吸着している水素の酸化反応(1)が進行する。次に、−0.9V(vs.Ag|AgCl)付近で、Ni金属(Ni基材表面)の酸化反応(2)が進行する。次に、−0.1V(vs.Ag|AgCl)付近で、触媒層における触媒活性成分であるRuの酸化溶出反応(3)が進行し、Ru触媒層の劣化が起こる。
(Mechanism for suppressing cathode deterioration)
In the hydrogen generating cathode of the present invention, the deterioration of the cathode is suppressed by increasing the surface area of the catalyst layer. The mechanism by which this effect appears will now be described.
When a reverse current flows after the electrolytic cell is stopped, the potential rises while the oxidation reaction proceeds on the cathode. On the cathode, various oxidation reactions of various substances proceed in the order of the redox potential. Specifically, first, oxidation reaction (1) of hydrogen adsorbed on the cathode proceeds in the vicinity of −1.0 V (vs. Ag | AgCl). Next, the oxidation reaction (2) of Ni metal (Ni substrate surface) proceeds in the vicinity of −0.9 V (vs. Ag | AgCl). Next, in the vicinity of −0.1 V (vs. Ag | AgCl), the oxidation elution reaction (3) of Ru, which is a catalytically active component in the catalyst layer, proceeds, and the Ru catalyst layer deteriorates.

このように、触媒層における触媒活性成分であるRuの酸化溶出反応(3)は、逆電流が流れたとき直ちに始まるのではなく、酸化還元電位がより卑な物質の酸化反応が終了した後に始まる。すなわち、触媒層のRuよりも卑な酸化還元電位を持つ水素、ニッケルなどのその他の酸化反応で消費される電気量を大きくすることにより、触媒層のRuの酸化溶出反応(3)を抑制することができる。
ここで、触媒層の表面積を大きくすることにより、これらその他の酸化反応に使用される逆電流電気量も大きくなるから、Ruの酸化溶出(3)を抑制することができるものと推察される。
As described above, the oxidation elution reaction (3) of Ru, which is a catalytically active component in the catalyst layer, does not start immediately when a reverse current flows, but starts after the oxidation reaction of a substance having a lower redox potential is completed. . That is, the oxidation elution reaction (3) of Ru in the catalyst layer is suppressed by increasing the amount of electricity consumed in other oxidation reactions such as hydrogen and nickel having a lower redox potential than Ru in the catalyst layer. be able to.
Here, by increasing the surface area of the catalyst layer, the amount of reverse current electricity used for these other oxidation reactions also increases, so it is speculated that the oxidation elution (3) of Ru can be suppressed.

触媒層の比表面積は、電気二重層容量の測定結果から推定することができる。
電気二重層容量が0.01C/V・cmであれば、該触媒層は十分な比表面積を有していると考えることができる。触媒層の電気二重層容量は、0.05C/V・cm以上であることがより好ましく、さらに好ましくは0.08C/V・cm以上である。上限としては、現実的な値として、0.35C/V・cm以下が好ましい。
上記電気二重層容量は、以下のようにして測定することができる。
触媒層を有する陰極を、90℃の32wt%NaOH水溶液中に浸漬し、−0.75〜−0.55V(vs.Ag|AgCl)の間を、掃引速度を10、30、50、80、100、および150mV/sと変量して掃引し、−0.65V(vs.Ag|AgCl)における電流値を読み取る。そして、横軸に掃引速度、縦軸に−0.65V(vs.Ag|AgCl)の電流値をプロットして得られた直線の傾きを、電気二重層容量として評価する。
The specific surface area of the catalyst layer can be estimated from the measurement result of the electric double layer capacity.
If the electric double layer capacity is 0.01 C / V · cm 2 , the catalyst layer can be considered to have a sufficient specific surface area. Electric double layer capacity of the catalyst layer is more preferably 0.05C / V · cm 2 or more, further preferably 0.08C / V · cm 2 or more. The upper limit is preferably 0.35 C / V · cm 2 or less as a practical value.
The electric double layer capacity can be measured as follows.
The cathode having the catalyst layer was immersed in a 32 wt% NaOH aqueous solution at 90 ° C., and the sweep rate was 10, 30, 50, 80, between −0.75 and −0.55 V (vs. Ag | AgCl). Sweeps were varied as 100 and 150 mV / s, and the current value at −0.65 V (vs. Ag | AgCl) was read. Then, the slope of the straight line obtained by plotting the sweep speed on the horizontal axis and the current value of −0.65 V (vs. Ag | AgCl) on the vertical axis is evaluated as the electric double layer capacity.

本発明においては、ルテニウム元素およびセリウム元素に加えて遷移金属元素およびアルミニウム元素を触媒層に添加することにより、該触媒層の表面積が増加する。そのため、逆電流が流れた時に陰極電位の上昇を抑制することが可能になったのである。
遷移金属元素およびアルミニウム元素のうちのどちらか一方のみを大量に添加することによっても、触媒層の表面積の増加を図ることができる。しかし、この場合には、触媒層中に層状の剥離が発生し、通常使用時の耐久性に問題が出る。
本発明所定の組み合わせの元素を、好ましくは上記に記載の含有量の範囲で添加することにより、水素過電圧が低く、逆電流耐性が高く、そして通常使用時の耐久性が高い陰極とすることができるのである。
In the present invention, the surface area of the catalyst layer is increased by adding a transition metal element and an aluminum element to the catalyst layer in addition to the ruthenium element and the cerium element. For this reason, it is possible to suppress an increase in cathode potential when a reverse current flows.
The surface area of the catalyst layer can also be increased by adding a large amount of only one of the transition metal element and the aluminum element. However, in this case, layered peeling occurs in the catalyst layer, which causes a problem in durability during normal use.
By adding the elements of the predetermined combination of the present invention preferably in the range of the contents described above, a cathode having low hydrogen overvoltage, high reverse current resistance, and high durability during normal use can be obtained. It can be done.

<水素発生用陰極の製造方法>
本発明の水素発生用陰極は、例えば、
導電性基材上に、
ルテニウム化合物、セリウム化合物、遷移金属化合物、およびアルミニウム化合物を含有する溶液(塗布液)を塗布した後に乾燥して塗膜を形成し、次いで前記塗膜中に含まれる前記化合物群を熱分解して触媒層を形成することによって、製造することができる。上記遷移金属化合物は、3価を取りうる遷移金属化合物から選択され、ただし、ルテニウムおよびセリウムは除かれる。
<Method for producing cathode for hydrogen generation>
The hydrogen generating cathode of the present invention is, for example,
On the conductive substrate
After applying a solution (coating solution) containing a ruthenium compound, a cerium compound, a transition metal compound, and an aluminum compound, it is dried to form a coating film, and then the compound group contained in the coating film is pyrolyzed. It can manufacture by forming a catalyst layer. The transition metal compound is selected from trivalent transition metal compounds, except for ruthenium and cerium.

(塗布液)
上記塗布液は、ルテニウム化合物、セリウム化合物、遷移金属化合物、およびアルミニウム化合物を含有する液体状の組成物である。
(Coating solution)
The coating liquid is a liquid composition containing a ruthenium compound, a cerium compound, a transition metal compound, and an aluminum compound.

塗布液の成分として用いるルテニウム化合物は、塩化物、硫酸塩、硝酸塩、およびカルボン酸塩のうちのいずれの形態でも構わない。しかし、熱分解のし易さ、原料塩の入手のし易さなどから、塩化物が好適に用いられる。
塗布液中のルテニウム化合物の濃度は、特に限定されないが、触媒層を形成するときの1回当たりの塗布厚みとの兼ね合いで、ルテニウム元素換算の濃度として、10〜200g/Lの範囲が好ましく、50〜120g/Lの範囲がより好ましい。
The ruthenium compound used as a component of the coating solution may be in any form of chloride, sulfate, nitrate, and carboxylate. However, chlorides are preferably used because of the ease of thermal decomposition and the availability of raw material salts.
The concentration of the ruthenium compound in the coating solution is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 to 200 g / L as the concentration in terms of ruthenium element in consideration of the coating thickness per time when forming the catalyst layer, A range of 50 to 120 g / L is more preferable.

セリウム化合物、遷移金属化合物、およびアルミニウム化合物は、それぞれ、いずれの形態でも構わないが、硝酸塩、硫酸塩、塩化物などの金属塩が好ましく、さらに熱分解のし易さ、原料塩の入手のし易さなどから、塩化物が好適に用いられる。   The cerium compound, transition metal compound, and aluminum compound may be in any form, but metal salts such as nitrates, sulfates, and chlorides are preferred, and further, thermal decomposition is facilitated, and raw material salts are readily available. From the standpoint of ease, chloride is preferably used.

本発明の水素発生用陰極における触媒層中の金属元素の割合は、好ましくは、使用した塗布液中の金属元素の割合を反映したものとなる。従って、該塗布液に含有される各金属化合物の含有量は、形成される触媒層が効果を十分に発現することを可能にするとの観点から、それぞれ、以下のとおりである。
セリウム化合物:ルテニウム化合物中のルテニウム元素1モルに対するセリウム元素の割合として、好ましくは1/20〜1/2モル、より好ましくは1/8〜1/4モル
遷移金属化合物:ルテニウム化合物中のルテニウム元素1モルに対する遷移金属元素の割合として、好ましくは1/100〜1/2モル、より好ましくは1/50〜1/10モル
アルミニウム化合物:ルテニウム化合物中のルテニウム元素1モルに対するアルミニウム元素の割合として、好ましくは1/100〜1/2モル、より好ましくは1/15〜1/4モル
The ratio of the metal element in the catalyst layer in the cathode for hydrogen generation of the present invention preferably reflects the ratio of the metal element in the coating solution used. Therefore, the content of each metal compound contained in the coating solution is as follows from the viewpoint of enabling the formed catalyst layer to sufficiently exhibit the effect.
Cerium compound: The ratio of cerium element to 1 mol of ruthenium element in ruthenium compound is preferably 1/20 to 1/2 mol, more preferably 1/8 to 1/4 mol Transition metal compound: ruthenium element in ruthenium compound As a ratio of transition metal element to 1 mol, preferably 1/100 to 1/2 mol, more preferably 1/50 to 1/10 mol Aluminum compound: As a ratio of aluminum element to 1 mol of ruthenium element in ruthenium compound, Preferably 1/100 to 1/2 mole, more preferably 1/15 to 1/4 mole

上記の塗布液は、上記のような各金属化合物および後述の溶媒を必須の成分として含有するが、これら以外に、任意的にその他の成分を含有していてもよい。
ここで使用されるその他の成分としては、例えばpH調整剤、界面活性剤、粘度調整剤、キレート剤などを挙げることができる。
これらその他の成分は、その機能を発揮し、かつ本発明の効果を損なわない範囲で、上記塗布液に含有されることができる。
The above coating liquid contains the metal compounds as described above and the solvent described below as essential components, but may optionally contain other components.
Examples of other components used here include a pH adjuster, a surfactant, a viscosity adjuster, and a chelating agent.
These other components can be contained in the coating solution as long as they exhibit their functions and do not impair the effects of the present invention.

上記の塗布液は、上記のような各金属化合物、および必要に応じて任意的に使用されるその他の成分が、適当な溶媒中に溶解された溶液として調製されることが好ましい。
ここで使用される溶媒としては、例えば水、有機溶媒(例えばアルコール等)などを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することが好ましい。特に好ましくは水である。
The coating solution is preferably prepared as a solution in which each metal compound as described above and other components optionally used as necessary are dissolved in a suitable solvent.
As a solvent used here, water, an organic solvent (for example, alcohol etc.) etc. can be mentioned, for example, It is preferable to use 1 or more types selected from these. Particularly preferred is water.

上記の塗布液を導電性基材上に塗布する方法としては、基材を塗布液に浸漬するディップ法、塗布液を刷毛で塗る方法、スポンジ状のロールに塗布液を含浸させて塗布するロール法、塗布液と基材とを反対荷電に帯電させてスプレーなどを用いて噴霧を行う静電塗布法などが好適に用いられる。その中でも、生産性、および電極表面へ塗布液が均一に塗布できるとの観点から、ロール法または静電塗布法が好適に用いられる。   As a method of applying the above-mentioned coating solution on the conductive substrate, a dipping method in which the substrate is immersed in the coating solution, a method of coating the coating solution with a brush, a roll that is coated by impregnating the coating solution with a sponge-like roll For example, an electrostatic coating method in which the coating liquid and the substrate are charged to opposite charges and sprayed using a spray or the like is preferably used. Among them, the roll method or the electrostatic coating method is suitably used from the viewpoint of productivity and that the coating liquid can be uniformly applied to the electrode surface.

基材に塗布液を塗布した後、適当な温度で乾燥して塗膜を形成する。
このときの塗布後の乾燥温度は、150℃未満とすることが好ましく、30〜100℃程度の温度がより好ましい。乾燥時間としては、1〜60分が好ましく、より好ましくは5〜30分、さらに好ましくは5〜15分である。
After coating the coating solution on the substrate, it is dried at an appropriate temperature to form a coating film.
The drying temperature after coating at this time is preferably less than 150 ° C, and more preferably about 30 to 100 ° C. As drying time, 1 to 60 minutes are preferable, More preferably, it is 5 to 30 minutes, More preferably, it is 5 to 15 minutes.

次いで、上記のようにして形成された塗膜を加熱して、熱分解を行う。
熱分解とは、塗膜中の金属化合物を加熱してその分解を促進する反応のことである。ここでは、金属塩を加熱して、金属とガス状物質とに分解する反応のことをいう。例えば、金属塩が塩化物であれば、金属と、塩化水素および/または塩素ガスとに分解し、
金属塩が硝酸化合物であれば、金属と、NOxガスおよび/または窒素とに分解し、
金属塩が硫酸化合物であれば、金属と、SOxガスおよび/または硫黄とに分解する。上記分解によって生成した金属は、多くの場合、環境中の酸素と結び付いて酸化物を形成し易い傾向にある。
Next, the coating film formed as described above is heated and thermally decomposed.
Thermal decomposition is a reaction that heats a metal compound in a coating film to accelerate its decomposition. Here, it refers to a reaction in which a metal salt is heated to decompose into a metal and a gaseous substance. For example, if the metal salt is a chloride, it decomposes into a metal and hydrogen chloride and / or chlorine gas,
If the metal salt is a nitrate compound, it decomposes into a metal and NOx gas and / or nitrogen,
If the metal salt is a sulfuric acid compound, it decomposes into a metal and SOx gas and / or sulfur. In many cases, the metal produced by the above decomposition tends to form an oxide in combination with oxygen in the environment.

金属化合物の混合物を含む塗膜の熱分解を促進するためには、熱分解温度として、350℃以上600℃以下の温度範囲を採用することが好ましく、450〜550℃の温度範囲がより好ましい。350℃より低い温度では、金属化合物の熱分解の速度が遅く、一方で600℃を超えるとニッケル基材の軟化が急速に進む。金属化合物の熱分解促進とニッケル基材の強度保持とを両立させる観点から、500〜550℃の温度範囲が最も好ましい。熱分解の時間としては、熱分解を充分行うためには長い方が好ましい。しかしながら、電極の生産性の点も考慮して、熱分解時間は、好ましくは5〜60分、さらに好ましくは10〜30分の範囲である。   In order to accelerate the thermal decomposition of the coating film containing the mixture of metal compounds, it is preferable to employ a temperature range of 350 ° C. or higher and 600 ° C. or lower as the thermal decomposition temperature, and a temperature range of 450 to 550 ° C. is more preferable. When the temperature is lower than 350 ° C., the rate of thermal decomposition of the metal compound is slow, while when the temperature exceeds 600 ° C., the nickel base is rapidly softened. A temperature range of 500 to 550 ° C. is most preferable from the viewpoint of achieving both thermal decomposition acceleration of the metal compound and maintaining the strength of the nickel base material. As the thermal decomposition time, a longer time is preferable for sufficient thermal decomposition. However, considering the productivity of the electrode, the thermal decomposition time is preferably in the range of 5 to 60 minutes, more preferably in the range of 10 to 30 minutes.

乾燥して塗膜を形成した後、熱分解の前に、各金属化合物の結晶水がなくなる温度である150℃以上350℃未満の温度範囲において、仮焼成を実施してもよい。仮焼成を実施することにより、熱分解工程において、水分および結晶水の急激な蒸発が抑制されるから、触媒層が緻密な構造を取り易くなる。また、この仮焼成により、熱分解工程における酸化ルテニウムの結晶核形成および結晶成長が進み易くなるから、緻密な触媒層を形成させることができる。仮焼成の温度範囲は、好ましくは200℃以上350℃未満、より好ましくは250℃以上320℃以下である。仮焼成の時間としては、1〜60分が好ましく、より好ましくは1〜30分、さらに好ましくは1〜15分である。   After drying and forming a coating film, before the thermal decomposition, calcination may be carried out in a temperature range of 150 ° C. or more and less than 350 ° C., which is a temperature at which water of crystallization of each metal compound disappears. By carrying out calcination, rapid evaporation of moisture and crystal water is suppressed in the thermal decomposition step, so that the catalyst layer can easily have a dense structure. In addition, since the preliminary calcination facilitates the formation of crystal nuclei and crystal growth of ruthenium oxide in the thermal decomposition step, a dense catalyst layer can be formed. The temperature range of pre-baking is preferably 200 ° C. or higher and lower than 350 ° C., more preferably 250 ° C. or higher and 320 ° C. or lower. The pre-baking time is preferably 1 to 60 minutes, more preferably 1 to 30 minutes, and still more preferably 1 to 15 minutes.

上記の塗布、乾燥、および熱分解を含む触媒層形成のサイクルは、1回のみ行ってもよいし、これを複数回繰り返して行ってもよい。塗布・乾燥・熱分解のサイクルを必要に応じて繰り返すことにより、厚膜の触媒層が得られる。   The cycle of forming the catalyst layer including the application, drying, and thermal decomposition may be performed only once, or may be repeated a plurality of times. By repeating the coating / drying / pyrolysis cycle as necessary, a thick catalyst layer can be obtained.

厚膜の触媒層を形成させるためには、1回当たりの塗布量を増やすか、あるいは塗布液中のルテニウム化合物濃度を高くすればよい。しかしながら、1回当たりの塗布量が多いと塗布時にムラが生じるおそれがあり、被覆層が均一に形成され難い。そのため、塗布・乾燥・熱分解のサイクルを複数回行うことが好ましい。仮焼成を含む場合には、塗布・乾燥・仮焼成・熱分解のサイクルを複数回行うことが好ましい。好ましくは、形成される触媒層中のルテニウム元素の含有量を、1サイクル当たり0.1〜2g/mにして、上記サイクルを繰り返すことである。1サイクル当たりで形成される触媒層中のルテニウム元素含有量は、より好ましくは0.3〜1.8g/m、さらに好ましくは、0.5〜1.5g/mにする。 In order to form a thick catalyst layer, the coating amount per time may be increased, or the ruthenium compound concentration in the coating solution may be increased. However, if the coating amount per time is large, unevenness may occur at the time of coating, and it is difficult to form the coating layer uniformly. Therefore, it is preferable to perform the coating / drying / pyrolysis cycle multiple times. When pre-baking is included, it is preferable to perform a plurality of cycles of coating, drying, pre-baking, and thermal decomposition. Preferably, the content of the ruthenium element in the formed catalyst layer is 0.1 to 2 g / m 2 per cycle, and the above cycle is repeated. The ruthenium element content in the catalyst layer formed per cycle is more preferably 0.3 to 1.8 g / m 2 , further preferably 0.5 to 1.5 g / m 2 .

所定の厚みの触媒層を形成した後に、該触媒層の熱分解を完全に行って触媒層の安定化を図るために、さらに長時間焼成を行うことが望ましい。この場合の焼成条件としては、温度範囲が、好ましくは500〜650℃、より好ましくは500〜550℃である。触媒層の熱分解を行う時間が短いと、該触媒層の熱分解が充分に進まず、長すぎると該触媒層のセリウムの酸化が過度に進んで遷移金属を添加することの効果が発現され難いため、いずれも好ましくない。従ってこの焼成の時間としては、30分〜8時間程度が好ましく、より好ましくは1時間〜3時間の範囲である。   After the formation of the catalyst layer having a predetermined thickness, it is desirable to perform firing for a longer period of time in order to completely decompose the catalyst layer and stabilize the catalyst layer. As firing conditions in this case, the temperature range is preferably 500 to 650 ° C, more preferably 500 to 550 ° C. If the time for thermal decomposition of the catalyst layer is short, the thermal decomposition of the catalyst layer does not proceed sufficiently, and if it is too long, the oxidation of cerium in the catalyst layer proceeds excessively and the effect of adding a transition metal is manifested. Neither is desirable because it is difficult. Therefore, the firing time is preferably about 30 minutes to 8 hours, more preferably 1 hour to 3 hours.

本実施形態を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
以下の実施例および比較例における各種測定は、それぞれ、以下の方法によって行った。
(酸化ルテニウムおよび酸化セリウムの結晶構造解析)
酸化ルテニウムおよび酸化セリウムの結晶構造解析は、X線回折装置(UltraX18、リガク社製)を用い、以下の条件によって行った。
X線源:CuKα線(λ=1.54184Å)
加速電圧:50kV
加速電流:200mA
走査軸:2θ/θ
ステップ間隔:0.02°
スキャンスピード:2.0°/min
測定範囲:2θ=20〜60°
The present embodiment will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
Various measurements in the following examples and comparative examples were performed by the following methods, respectively.
(Crystal structure analysis of ruthenium oxide and cerium oxide)
Crystal structure analysis of ruthenium oxide and cerium oxide was performed using an X-ray diffractometer (UltraX18, manufactured by Rigaku Corporation) under the following conditions.
X-ray source: CuKα ray (λ = 1.54184Å)
Acceleration voltage: 50 kV
Acceleration current: 200 mA
Scanning axis: 2θ / θ
Step interval: 0.02 °
Scan speed: 2.0 ° / min
Measurement range: 2θ = 20-60 °

(酸化ルテニウムおよび酸化セリウムのピーク強度比測定)
上記の条件で得られたX線チャートにおいて、酸化ルテニウムに帰属される35.1°のピークと酸化セリウムに帰属される47.3°のピークとの強度を比較した。酸化ルテニウムの回折線位置はJCPDSカード番号431027を、酸化セリウムの回折線位置はJCPDSカード番号340394を、それぞれ参照して決定した。両者のピーク強度比は、以下の計算式によって算出した。
(計算式)
ピーク強度比=47.3°付近のピーク強度(count)/35.1°付近のピーク強度(count)
(Measurement of peak intensity ratio of ruthenium oxide and cerium oxide)
In the X-ray chart obtained under the above conditions, the intensities of the 35.1 ° peak attributed to ruthenium oxide and the 47.3 ° peak attributed to cerium oxide were compared. The ruthenium oxide diffraction line position was determined with reference to JCPDS card number 431027, and the cerium oxide diffraction line position was determined with reference to JCPDS card number 340394. The peak intensity ratio between the two was calculated by the following formula.
(a formula)
Peak intensity ratio = peak intensity (count) around 47.3 ° / peak intensity (count) around 35.1 °

(ルテニウム元素の含有量)
試験陰極に含まれるルテニウム元素の含有量は以下のように算出した。
塗布前後での陰極の重量増加を測定し、その重量増加の内訳が塗布液の組成と同一であると仮定し、さらに金属元素は酸化物を形成するとして算出した。だたし、有機物が含有される場合には、その有機物は焼成過程でCO、HOなどに熱分解すると仮定し、陰極の重量増加に寄与しないものとした。
(Ruthenium element content)
The content of ruthenium element contained in the test cathode was calculated as follows.
The increase in the weight of the cathode before and after coating was measured, and it was assumed that the breakdown of the weight increase was the same as the composition of the coating solution, and that the metal element formed an oxide. However, in the case where an organic substance is contained, it is assumed that the organic substance is thermally decomposed into CO 2 , H 2 O and the like in the baking process and does not contribute to the increase in the weight of the cathode.

(逆電流印加試験)
逆電流に対する耐性の評価は下記の手順で行った。
30mm×30mmに切り出した試験陰極を、電解セルにニッケル製のネジで固定した。対極には白金板を使用し、32wt%水酸化ナトリウム水溶液中、80℃において、電解電流密度1kA/mで20分間、2kA/mおよび3kA/mで各3分間、ならびに4kA/mで30分間、試験陰極が水素を発生させるよう順次に正電解を行った。その後、参照極にAg/AgClを用いて陰極電位を測定しながら、逆電流の電流密度0.05kA/mで逆電解を行い、陰極電位がルテニウム溶解電位(−0.1V vs.Ag/AgCl)に到達するまでの時間を測定し、この値を逆電流耐久時間とした。
図1に試験陰極の逆電流印加試験中の電位上昇挙動を示した。図1の横軸は、比較例1の陰極がルテニウム溶解電位に到達するまでの時間を1.0とする相対値である。表1の逆電流耐久時間は、各試験陰極がルテニウム溶解電位に到達するまでの時間(相対値)である。
(Reverse current application test)
Evaluation of resistance to reverse current was performed according to the following procedure.
The test cathode cut out to 30 mm × 30 mm was fixed to the electrolytic cell with a nickel screw. The counter electrode was a platinum plate, in 32 wt% sodium hydroxide aqueous solution, at 80 ° C., the electrolysis current density 1 kA / m 2 at 20 min, 3 min each at 2 kA / m 2 and 3 kA / m 2, and 4 kA / m Then , positive electrolysis was performed sequentially for 2 minutes so that the test cathode generated hydrogen. Thereafter, reverse electrolysis was performed at a current density of reverse current of 0.05 kA / m 2 while measuring the cathode potential using Ag / AgCl as the reference electrode, and the cathode potential was the ruthenium dissolution potential (−0.1 V vs. Ag / Ag / The time required to reach (AgCl) was measured, and this value was defined as the reverse current durability time.
FIG. 1 shows the potential rise behavior during the reverse current application test of the test cathode. The horizontal axis of FIG. 1 is a relative value with 1.0 as the time until the cathode of Comparative Example 1 reaches the ruthenium dissolution potential. The reverse current durability time in Table 1 is the time (relative value) until each test cathode reaches the ruthenium dissolution potential.

(断面SEM観察)
通電後の触媒層の断面観察を下記の手順で行った。
試験陰極を48mm×58mmのサイズに切り出し、小型電解セルにニッケルビスで固定するために2箇所の穴を開けた。これを、ニッケル製エキスパンド基材の上に固定した。陽極としては、チタン基材上に酸化ルテニウム、酸化イリジウムおよび酸化チタンが形成された、いわゆるDSAを用いた。EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)製のゴムガスケットによってイオン交換膜をはさんで陽極セルと陰極セルとを隔てた状態で食塩電解を行った。イオン交換膜としては「Aciplex」(登録商標)F6801(旭化成ケミカルズ株式会社製)を使用した。陽極とイオン交換膜とは密着させ、陰極とイオン交換膜との間は2mmあけた。陽極室の塩化ナトリウム濃度205g/L、陰極室の水酸化ナトリウム濃度32wt%となるように、陽陰極タンク内の溶液濃度を調整した。また、電解セル内の温度が90℃になるように、陽陰極タンク内の温度を調節した。電解電流密度を4kA/mの一定値として、1週間電解を行った。
(Cross section SEM observation)
The cross section of the catalyst layer after energization was observed according to the following procedure.
The test cathode was cut out to a size of 48 mm × 58 mm, and two holes were made to fix it to the small electrolytic cell with nickel screws. This was fixed on a nickel expanded substrate. As the anode, so-called DSA in which ruthenium oxide, iridium oxide and titanium oxide were formed on a titanium base material was used. Salt electrolysis was performed in a state where the anode cell and the cathode cell were separated by an ion exchange membrane sandwiched by a rubber gasket made of EPDM (ethylene propylene diene rubber). As the ion exchange membrane, “Aciplex” (registered trademark) F6801 (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation) was used. The anode and the ion exchange membrane were brought into close contact, and a gap of 2 mm was provided between the cathode and the ion exchange membrane. The solution concentration in the cathode tank was adjusted so that the sodium chloride concentration in the anode chamber was 205 g / L and the sodium hydroxide concentration in the cathode chamber was 32 wt%. In addition, the temperature in the cathode tank was adjusted so that the temperature in the electrolytic cell was 90 ° C. Electrolysis was carried out for one week with an electrolytic current density of a constant value of 4 kA / m 2 .

上記のように通電した後の試験陰極の一部を切り出し、エポキシ樹脂に包埋した後、クロスセクションポリッシャ(日立社製)を用い、6kVにて加速したArイオンビームによる断面加工処理を行うことにより、触媒層断面の観察用試料を作製した。これをSEM試料台へマウントした後、FE−SEM「S−4700」(日立社製)を用いて、加速電圧5kVで反射電子像の観察を実施した。   Cut out a part of the test cathode after energization as described above, embed it in an epoxy resin, and then perform cross-section processing with an Ar ion beam accelerated at 6 kV using a cross section polisher (manufactured by Hitachi). Thus, a sample for observing the cross section of the catalyst layer was prepared. After mounting this on the SEM sample stage, the backscattered electron image was observed at an acceleration voltage of 5 kV using FE-SEM “S-4700” (manufactured by Hitachi).

[実施例1〜6および比較例2〜4]
導電性基材として、直径0.15mmのニッケル細線を40メッシュの目開きで編んだウーブンメッシュを用いた。これを、JIS R6001(1998)規格の320番のアルミナ粒子を用いてブラストし、次に6Nの塩酸にて室温で5分間酸処理した後、水洗し、乾燥した。
[Examples 1 to 6 and Comparative Examples 2 to 4]
As the conductive substrate, a woven mesh obtained by knitting a fine nickel wire having a diameter of 0.15 mm with an opening of 40 mesh was used. This was blasted with JIS R6001 (1998) standard No. 320 alumina particles, then acid-treated with 6N hydrochloric acid at room temperature for 5 minutes, washed with water and dried.

次に、塩化ルテニウム水溶液(田中貴金属製、ルテニウム元素濃度100g/L)に対して、各金属元素の含有量が表1に記載の組成になるように、希土類塩化物およびアルミニウム化合物(塩化アルミニウム)を加え、塗布液を調製した。   Next, a rare earth chloride and an aluminum compound (aluminum chloride) so that the content of each metal element has the composition shown in Table 1 with respect to an aqueous ruthenium chloride solution (made by Tanaka Kikinzoku, ruthenium element concentration 100 g / L). Was added to prepare a coating solution.

上記塗布液をバットに入れ、その上部に、EPDM製の塗布ロールを塗布液と常に接するように設置して、該塗布ロールに該塗布液を浸み込ませた。その上部に、該塗布ロールと常に接するようにEPDM製のロールを設置し、さらに、上側のEPDM製塗布ロールの上に、PVC製ロールを設置した。上記の導電性基材を、上記上側のEPDM製塗布ロールとPVC製ロールとの間に通過させて、基材上に塗布液を塗布した(ロール法)。必要に応じて、塗布液が乾燥する前に手早く、塗布後の導電性基材を2つのEPDM製スポンジロールの間に通過させて、該導電性基材のメッシュの交点に溜まる塗布液を吸い取って除いた。その後、50℃において10分間乾燥させて塗布膜を形成した。
さらに、マッフル炉(KM−600、アドヴァンテック社製)を用いて大気中、300℃において10分間仮焼成をした後、500℃において10分間の加熱焼成を行って、該塗布膜を熱分解させた。このロール塗布、乾燥、および熱分解のサイクルを11回繰り返した後、最後に500℃において1時間焼成を行うことにより、試験陰極を得た。
The coating solution was placed in a bat, and an EPDM coating roll was placed on the bat so that the coating solution was always in contact with the coating solution, and the coating solution was immersed in the coating roll. On top of that, an EPDM roll was placed so as to be always in contact with the coating roll, and a PVC roll was placed on the upper EPDM coating roll. The conductive substrate was passed between the upper EPDM coating roll and the PVC roll, and a coating solution was applied onto the substrate (roll method). If necessary, quickly pass the conductive substrate after coating between two EPDM sponge rolls before the coating solution dries, and suck the coating solution that accumulates at the intersection of the mesh of the conductive substrate. Removed. Thereafter, it was dried at 50 ° C. for 10 minutes to form a coating film.
Further, using a muffle furnace (KM-600, manufactured by Advantech Co., Ltd.), pre-baking is performed at 300 ° C. for 10 minutes in the atmosphere, and then baking is performed at 500 ° C. for 10 minutes to thermally decompose the coating film. It was. After repeating this roll coating, drying, and thermal decomposition cycle 11 times, the test cathode was finally obtained by firing at 500 ° C. for 1 hour.

上記の試験陰極について、上述の方法により、X線回折および逆電流耐久時間の測定を実施した。実施例1〜6の結果を表1に、比較例2〜4の結果を表2に、それぞれ示す。また、逆電流印加試験中の陰極の電位挙動を図1に示す。
さらに、比較例4については、上述の方法によって通電後の触媒層断面のSEM観察を行った。当該観察によって得られたSEM像を図2に示す。
About said test cathode, the measurement of X-ray diffraction and reverse current durability time was implemented by the above-mentioned method. The results of Examples 1 to 6 are shown in Table 1, and the results of Comparative Examples 2 to 4 are shown in Table 2, respectively. Moreover, the potential behavior of the cathode during the reverse current application test is shown in FIG.
Furthermore, about the comparative example 4, SEM observation of the catalyst layer cross section after electricity supply was performed by the above-mentioned method. The SEM image obtained by the observation is shown in FIG.

[比較例1、5、および6]
これらの比較例における導電性基材としては、実施例1〜6および比較例2〜4におけるのと同じウーブンメッシュを、同じ方法で処理した後に用いた。
[Comparative Examples 1, 5, and 6]
As the conductive substrate in these comparative examples, the same woven mesh as in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 2 to 4 was used after being treated in the same manner.

上記の導電性基材を用いて、
比較例1においては、特許文献国際公開第2003/078694号第13ページ、7行目以降に記載された実施例6の方法により、
比較例5においては、特許文献特開2006−299395号公報の段落0034以降に記載された実施例1の方法により、そして
比較例6においては、特許文献特開2009−215580号公報の段落0039以降に記載された実施例7の方法により、
それぞれ試験陰極を作製した。
Using the above conductive substrate,
In Comparative Example 1, by the method of Example 6 described in Patent Document International Publication No. 2003/076694, page 13, line 7 and thereafter,
In Comparative Example 5, the method of Example 1 described in Paragraph 0034 and subsequent paragraphs of Japanese Patent Laid-Open No. 2006-299395 is used, and in Comparative Example 6, Paragraph 0039 and thereafter of Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2009-215580. According to the method of Example 7 described in
Test cathodes were respectively prepared.

上記の各試験陰極について、上述の方法により、X線回折および逆電流耐久時間の測定を実施した。表2にX線回折および逆電流耐久時間の結果を示す。また、図1に逆電流印加試験中の陰極の電位挙動を示す。   About each said test cathode, the measurement of the X-ray diffraction and reverse current durability time was implemented by the above-mentioned method. Table 2 shows the results of X-ray diffraction and reverse current durability time. FIG. 1 shows the potential behavior of the cathode during the reverse current application test.

上記の表1および表2、ならびに図1および2から、以下のことが理解される。
実施例1〜6では、逆電解を行ったときに、陰極電位が触媒成分であるルテニウムの溶解電位である−0.1V vs.Ag/AgClに到達するまでの時間(逆電流耐久時間)が、比較例1に比較して3.1〜6.7倍大きかった。すなわち、逆電流発生中に陰極電位が上昇し難く、逆電流耐性が向上している。このことは、図1からも明らかである。
From Tables 1 and 2 above and FIGS. 1 and 2, the following is understood.
In Examples 1 to 6, when reverse electrolysis was performed, the time until the cathode potential reached −0.1 V vs. Ag / AgCl, which is the dissolution potential of ruthenium, which is a catalyst component (reverse current durability time), Compared to Comparative Example 1, it was 3.1 to 6.7 times larger. That is, it is difficult for the cathode potential to rise during reverse current generation, and reverse current resistance is improved. This is also clear from FIG.

比較例2、3および6では、逆電流耐久時間が比較例1に対してそれぞれ2.3〜2.8倍大きい。しかしながら、これらの値はいずれも実施例1〜6より小さい値である。このことから、実施例と同量のルテニウム元素を含有していたとしても、本発明所定の構成を有さない触媒層では、十分な効果が得られないことが理解される。   In Comparative Examples 2, 3 and 6, the reverse current endurance time is 2.3 to 2.8 times longer than that of Comparative Example 1, respectively. However, these values are all smaller than those of Examples 1-6. From this, it is understood that even if the same amount of ruthenium element as in the example is contained, a sufficient effect cannot be obtained in the catalyst layer having the predetermined configuration of the present invention.

比較例4では、逆電流耐久時間が比較例1に対して5.7倍となり、ランタンの大量添加によって大きな逆電流耐性が得られることが示された。しかし、この比較例4の陰極は、図2に示すように被覆層内における層状の剥離の発生が見られる。すなわち、比較例4の陰極は、被覆強度が低く、電解中に触媒層の脱落が進行するため、実用に供しうるものではない。
比較例5では、逆電流耐久時間が比較例1に対して0.8倍であり、逆電流耐性が不十分である。
In Comparative Example 4, the reverse current endurance time was 5.7 times that of Comparative Example 1, indicating that a large reverse current resistance can be obtained by adding a large amount of lanthanum. However, in the cathode of Comparative Example 4, layered peeling occurs in the coating layer as shown in FIG. That is, the cathode of Comparative Example 4 is not practical because it has low coating strength and the catalyst layer falls off during electrolysis.
In Comparative Example 5, the reverse current endurance time is 0.8 times that of Comparative Example 1, and the reverse current resistance is insufficient.

Claims (16)

導電性基材と、該導電性基材上の触媒層と、からなる水素発生用陰極であって、
前記触媒層が、ルテニウム元素、セリウム元素、3価を取りうる遷移金属(ただし、ルテニウムおよびセリウムを除く)の元素、およびアルミニウム元素を含有することを特徴とする、前記水素発生用陰極。
A cathode for hydrogen generation comprising a conductive substrate and a catalyst layer on the conductive substrate,
The cathode for hydrogen generation, wherein the catalyst layer contains a ruthenium element, a cerium element, a transition metal element capable of taking trivalence (excluding ruthenium and cerium), and an aluminum element.
前記3価を取りうる遷移金属が希土類金属である、請求項1に記載の水素発生用陰極。   2. The cathode for hydrogen generation according to claim 1, wherein the trivalent transition metal is a rare earth metal. 前記3価を取りうる遷移金属が、ランタン、プラセオジム、ネオジム、およびサマリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種類の金属である、請求項2に記載の水素発生用陰極。   The hydrogen generating cathode according to claim 2, wherein the trivalent transition metal is at least one metal selected from the group consisting of lanthanum, praseodymium, neodymium, and samarium. 前記セリウム元素の含有量が、前記ルテニウム元素1モルに対して1/20〜1/2モルであり、
前記3価を取りうる遷移金属元素の含有量が、前記ルテニウム元素1モルに対して1/100〜1/2モルであり、そして
アルミニウム元素の含有量が、前記ルテニウム元素1モルに対して1/100〜1/2モルである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の水素発生用陰極。
The content of the cerium element is 1/20 to 1/2 mol with respect to 1 mol of the ruthenium element,
The content of the transition metal element capable of taking the trivalent is 1/100 to 1/2 mol with respect to 1 mol of the ruthenium element, and the content of the aluminum element is 1 with respect to 1 mol of the ruthenium element. The cathode for hydrogen generation as described in any one of Claims 1-3 which is / 100-1 / 2 mol.
前記ルテニウム元素が、酸化ルテニウムおよびルテニウム水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素であり、
前記セリウム元素が、酸化セリウムおよびセリウム水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素であり、前記3価を取りうる遷移金属の元素のうちの少なくとも一部が、遷移金属酸化物および遷移金属水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素であり、そして
前記アルミニウム元素が、酸化アルミニウムおよびアルミニウム水酸化物のうちの少なくとも1種の化合物を形成する元素である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の水素発生用陰極。
The ruthenium element is an element that forms at least one compound of ruthenium oxide and ruthenium hydroxide;
The cerium element is an element forming at least one compound of cerium oxide and cerium hydroxide, and at least a part of the transition metal element capable of taking trivalent is a transition metal oxide and The element forming at least one compound of transition metal hydroxides, and the aluminum element is an element forming at least one compound of aluminum oxide and aluminum hydroxide. The cathode for hydrogen generation as described in any one of 1-4.
前記遷移金属元素のうちの少なくとも一部が前記酸化セリウムおよびセリウム水酸化物のうちの少なくとも1種にドープされている、請求項5に記載の水素発生用陰極。   The cathode for hydrogen generation according to claim 5, wherein at least a part of the transition metal element is doped with at least one of the cerium oxide and cerium hydroxide. 前記導電性基材がニッケルからなり、
前記触媒層における前記セリウム元素のうちの少なくとも一部は酸化セリウムを形成する元素であり、
前記ルテニウム元素のうちの少なくとも一部は酸化ルテニウムを形成する元素であり、そして
前記触媒層を前記導電性基材とともにX線回折したときの、酸化セリウムに帰属される2θ=47.3°のピーク強度が、酸化ルテニウムに帰属される2θ=35.1°のピーク強度に対して、1/40以下である、請求項5または6に記載の水素発生用陰極。
The conductive substrate is made of nickel;
At least a part of the cerium element in the catalyst layer is an element that forms cerium oxide,
At least a part of the ruthenium element is an element that forms ruthenium oxide, and 2θ = 47.3 ° attributed to cerium oxide when the catalyst layer is X-ray diffracted together with the conductive substrate. The cathode for hydrogen generation according to claim 5 or 6, wherein the peak intensity is 1/40 or less with respect to the peak intensity of 2θ = 35.1 ° attributed to ruthenium oxide.
前記触媒層に含まれるルテニウム元素の含有量が1〜20g/mである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の水素発生用陰極。 The cathode for hydrogen generation as described in any one of Claims 1-7 whose content of the ruthenium element contained in the said catalyst layer is 1-20 g / m < 2 >. 導電性基材上に、
ルテニウム化合物、セリウム化合物、3価を取りうる遷移金属(ただし、ルテニウムおよびセリウムを除く)の化合物、およびアルミニウム化合物を含有する溶液を塗布した後に乾燥して塗膜を形成し、次いで前記塗膜中に含まれる前記化合物群を熱分解して触媒層を形成することを特徴とする、水素発生用陰極の製造方法。
On the conductive substrate
After applying a solution containing a ruthenium compound, a cerium compound, a trivalent transition metal compound (except ruthenium and cerium), and an aluminum compound, it is dried to form a coating film, and then in the coating film A method for producing a hydrogen generating cathode, wherein the catalyst group is formed by thermally decomposing the compound group contained in the catalyst.
前記3価を取りうる遷移金属化合物が希土類金属化合物である、請求項9に記載の水素発生用陰極の製造方法。   The method for producing a cathode for hydrogen generation according to claim 9, wherein the transition metal compound capable of taking trivalence is a rare earth metal compound. 前記3価を取りうる遷移金属化合物が、ランタン化合物、プラセオジム化合物、ネオジム化合物、およびサマリウム化合物からなる群より選ばれた少なくとも1種である、請求項9または10に記載の水素発生用陰極の製造方法。   The production of a cathode for hydrogen generation according to claim 9 or 10, wherein the trivalent transition metal compound is at least one selected from the group consisting of a lanthanum compound, a praseodymium compound, a neodymium compound, and a samarium compound. Method. 前記溶液中、
前記セリウム化合物の含有量が、前記ルテニウム化合物中のルテニウム元素1モルに対するセリウム元素の割合として、1/20〜1/2モルであり、
前記3価を取りうる遷移金属化合物の含有量が、前記ルテニウム化合物中のルテニウム元素1モルに対する遷移金属元素の割合として、1/100〜1/2モルであり、そして
前記アルミニウム化合物の含有量が、前記ルテニウム化合物中のルテニウム元素1モルに対するアルミニウム元素の割合として、1/100〜1/2モルである、請求項9〜11のいずれか一項に記載の水素発生用陰極の製造方法。
In the solution,
The content of the cerium compound is 1/20 to 1/2 mol as a ratio of the cerium element to 1 mol of the ruthenium element in the ruthenium compound,
The content of the transition metal compound capable of taking the trivalence is 1/100 to 1/2 mol as a ratio of the transition metal element to 1 mol of the ruthenium element in the ruthenium compound, and the content of the aluminum compound is The method for producing a cathode for hydrogen generation according to any one of claims 9 to 11, wherein the ratio of aluminum element to 1 mol of ruthenium element in the ruthenium compound is 1/100 to 1/2 mol.
前記ルテニウム化合物が塩化物である、請求項9〜12のいずれか一項に記載の水素発生用陰極の製造方法。   The manufacturing method of the cathode for hydrogen generation as described in any one of Claims 9-12 whose said ruthenium compound is a chloride. 前記3価を取りうる遷移金属化合物が塩化物である、請求項9〜13のいずれか一項に記載の水素発生用陰極の製造方法。   The method for producing a cathode for hydrogen generation according to any one of claims 9 to 13, wherein the transition metal compound capable of taking trivalence is a chloride. 前記導電性基材上に前記溶液を塗布した後の乾燥を150℃未満の温度で行い、
上記熱分解を350℃以上600℃以下の温度で行う、請求項9〜14のいずれか一項に記載の水素発生用陰極の製造方法。
Drying after applying the solution on the conductive substrate at a temperature of less than 150 ° C .;
The manufacturing method of the cathode for hydrogen generation as described in any one of Claims 9-14 which performs the said thermal decomposition at the temperature of 350 to 600 degreeC.
上記熱分解の前に、150℃以上350℃未満の温度で1〜60分間の仮焼成を行う、請求項9〜15のいずれか一項に記載の電解用陰極の製造方法。   The method for producing a cathode for electrolysis according to any one of claims 9 to 15, wherein pre-baking is performed at a temperature of 150 ° C or higher and lower than 350 ° C for 1 to 60 minutes before the thermal decomposition.
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