JP2006096653A - Carbon gel composite material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon-based composite material which carries a large carrying amount of a protein, a metal complex or a metal, and which is excellent in stability and activity of a carrying ingredient and is useful as a catalyst or the like. <P>SOLUTION: The carbon gel composite material has at least one carrying ingredient selected from the group consisting of carbon gel and the protein, the metal complex and the metal, wherein, if an X-ray diffraction peak is not found in a scanning region 2θ=0.5-10° (CuK<SB>α</SB>ray), and if the pore size value of the distribution peak top exists in the range of 1 nm or more and less than 10 nm in the pore size distribution as calculated by the adsorption and desorption isotherm while the pores consist of primary particles having the average particle diameter of 2-50 nm, 60% or more of the total pore volume is included in the pore size region of d±2 nm based on the pore size value (d), and if the pore size value of the distribution peak top exists in the range of 10 nm to 50 nm, 60% or more of the total pore volume is included in the pore size region of (0.75×D)-(1.25×D) nm based on the pore size value (D). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、カーボンゲルを担体とする複合材料に関する。   The present invention relates to a composite material using a carbon gel as a carrier.

従来、多孔体に関する様々な研究がなされており、その吸着性を利用して、触媒、電極材料等の担体への適用が検討されている。このような用途に使用されている多孔体としては様々なものが知られているが、代表的な多孔体の一つとして活性炭が挙げられる。   Conventionally, various studies on porous bodies have been made, and application to a carrier such as a catalyst or an electrode material has been studied using its adsorptivity. Various porous bodies are known for such applications, and activated carbon is one of typical porous bodies.

このような活性炭は、炭素原子により骨格が形成されている多孔体であり、高い比表面積を有しているが、この高い比表面積は従来、製造工程において賦活処理を行い、活性炭となる材料の表面に細孔を形成せしめることによって得られていた。この賦活処理としては、例えば、原料組成物を水蒸気、二酸化炭素等の雰囲気中で600〜1000℃に加熱するか、又は、原料組成物に塩化亜鉛、水酸化カリウム等を混合して不活性雰囲気下で加熱すること等が知られている。この賦活処理の過程において、活性炭となる材料の表面には多数の細孔が形成され、その結果比表面積の高い活性炭が得られるが、その細孔径は1nm以下のものが主であるため、比表面積の向上のみでは吸着性の向上に限界があり、未だ十分なものではなかった。   Such activated carbon is a porous body having a skeleton formed of carbon atoms, and has a high specific surface area. This high specific surface area has been conventionally activated in the production process, and is a material that becomes activated carbon. It was obtained by forming pores on the surface. As this activation treatment, for example, the raw material composition is heated to 600 to 1000 ° C. in an atmosphere of water vapor, carbon dioxide or the like, or the raw material composition is mixed with zinc chloride, potassium hydroxide or the like, and the inert atmosphere. Heating under is known. In the process of this activation treatment, a large number of pores are formed on the surface of the material to be activated carbon, and as a result, activated carbon having a high specific surface area is obtained, but the pore diameter is mainly 1 nm or less. Only the improvement of the surface area has a limit in improving the adsorptivity, and it has not been sufficient.

また、近年になっていわゆるメソ孔を有するメソポーラスカーボンが開発されており、A.Vinu et al.,“Adsorption of Cytochrome C on New Mesoporous Carbon Molecular Sieves”, J.Phys.Chem.B, 2003, Vol.107, p.8297〜8299(非特許文献1)には、メソポーラスカーボンモレキュラーシーブにチトクロームCを担持させることが開示されている。   In recent years, mesoporous carbons having so-called mesopores have been developed. A. Vinu et al., “Adsorption of Cytochrome C on New Mesoporous Carbon Molecular Sieves”, J. Phys. Chem. B, 2003, Vol. 107, p.8297-8299 (Non-Patent Document 1) discloses that cytochrome C is supported on a mesoporous carbon molecular sieve.

しかしながら、非特許文献1に記載のようなメソポーラスカーボンモレキュラーシーブを担体として用いた場合であっても、そこに担持される成分に対する安定性及び活性化の向上に限界があり、未だ十分なものではなかった。
A.Vinu et al.,“Adsorption of Cytochrome C on New Mesoporous Carbon Molecular Sieves”, J.Phys.Chem.B, 2003, Vol.107, p.8297〜8299
However, even when the mesoporous carbon molecular sieve as described in Non-Patent Document 1 is used as a carrier, there is a limit to the improvement in stability and activation with respect to the components carried there, and it is still insufficient. There wasn't.
A. Vinu et al., “Adsorption of Cytochrome C on New Mesoporous Carbon Molecular Sieves”, J. Phys. Chem. B, 2003, Vol. 107, p.8297-8299

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、タンパク質、金属錯体又は金属という成分を高い担持量で担持しておりかつ担持成分の安定性及び活性にも優れており、触媒等として有用な炭素系複合材料を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and supports a component such as a protein, a metal complex or a metal in a high loading amount and is excellent in stability and activity of the loading component. An object is to provide a carbon-based composite material useful as a catalyst or the like.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、平均粒径が2〜50nmの一次粒子からなり、細孔径の均一性が高く、細孔が周期的配列構造を有しておらず、相互に連結した3次元的ネットワーク構造を有しているカーボンゲルを担体として用いることにより前記目的が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention consisted of primary particles having an average particle diameter of 2 to 50 nm, high uniformity of the pore diameter, and the pores having a periodic arrangement structure. However, the present inventors have found that the object can be achieved by using carbon gels having a three-dimensional network structure connected to each other as a carrier, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は、
スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)においてX線回折ピークが認められず、平均粒径が2〜50nmの一次粒子からなり、吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、分布ピークトップの細孔径値が1nm以上10nm未満の範囲に存在する場合には該細孔径値(d)に対してd±2nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれており、また分布ピークトップの細孔径値が10nm以上50nm以下の範囲に存在する場合には該細孔径値(D)に対して(0.75×D)〜(1.25×D)nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれるカーボンゲルと、
前記カーボンゲルに担持されているタンパク質、金属錯体及び金属からなる群から選択される少なくとも一つの担持成分と、
を備えることを特徴とするカーボンゲル複合材料である。
That is, the present invention
In the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuK α- ray), no X-ray diffraction peak is observed, the average particle size is composed of primary particles of 2 to 50 nm, and the pore size distribution is calculated from the adsorption / desorption isotherm. When the pore diameter value at the distribution peak top is in the range of 1 nm or more and less than 10 nm, 60% or more of the total pore volume is included in the pore diameter region of d ± 2 nm with respect to the pore diameter value (d). In addition, when the pore size value of the distribution peak top is in the range of 10 nm or more and 50 nm or less, (0.75 × D) to (1.25 × D) nm with respect to the pore size value (D). A carbon gel containing 60% or more of the total pore volume in the pore diameter region of
At least one supporting component selected from the group consisting of protein, metal complex and metal supported on the carbon gel;
It is a carbon gel composite material characterized by including.

本発明のカーボンゲル複合材料においては、前記カーボンゲルの前記分布ピークトップの細孔径値が1〜20nmであることが好ましい。   In the carbon gel composite material of the present invention, the pore size value of the distribution peak top of the carbon gel is preferably 1 to 20 nm.

また、本発明においては、前記カーボンゲルの前記分布ピークトップの細孔径値が前記担持成分の平均分子径の1〜1.25倍であることがより好ましい。   In the present invention, the pore size value of the distribution peak top of the carbon gel is more preferably 1 to 1.25 times the average molecular diameter of the supported component.

さらに、前記カーボンゲルの比表面積が100m2/g以上であることが好ましく、また、前記カーボンゲルの全細孔容量が0.1〜50ml/gであることが好ましい。 Furthermore, the specific surface area of the carbon gel is preferably 100 m 2 / g or more, and the total pore volume of the carbon gel is preferably 0.1 to 50 ml / g.

また、本発明にかかる前記カーボンゲルに担持される前記タンパク質としては、酸化還元酵素及び電子伝達タンパク質からなる群から選択される少なくとも一つのタンパク質が好ましい。   In addition, the protein carried on the carbon gel according to the present invention is preferably at least one protein selected from the group consisting of oxidoreductases and electron transfer proteins.

さらに、本発明のカーボンゲル複合材料に用いられる前記カーボンゲルが、その少なくとも表面近傍が含窒素炭素からなるものであってもよい。この場合、前記含窒素炭素における窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)が0.01〜0.4であることが好ましい。   Furthermore, the carbon gel used for the carbon gel composite material of the present invention may be one in which at least the vicinity of the surface is made of nitrogen-containing carbon. In this case, it is preferable that the atomic ratio (N / C) of the nitrogen atom to the carbon atom in the nitrogen-containing carbon is 0.01 to 0.4.

本発明によれば、タンパク質、金属錯体又は金属という成分を高い担持量で担持しておりかつ担持成分の安定性及び活性にも優れており、触媒等として有用なカーボンゲル複合材料を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a carbon gel composite material that supports a component such as a protein, a metal complex, or a metal in a high loading amount and that is excellent in stability and activity of the loading component and is useful as a catalyst or the like. Is possible.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof, but the present invention is not limited to the following embodiments.

(カーボンゲル)
本発明において担体として用いる炭素系多孔体は、以下の(i)〜(iii)の条件を満たすカーボンゲルである。
(i)X線回折測定(XRD)において、スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)においてX線回折ピークが認められない。
(ii)平均粒径が2〜50nmの一次粒子からなる。
(iii)吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、分布ピークトップの細孔径値が1nm以上10nm未満の範囲に存在する場合には該細孔径値(d)に対してd±2nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれており、また分布ピークトップの細孔径値が10nm以上50nm以下の範囲に存在する場合には該細孔径値(D)に対して(0.75×D)〜(1.25×D)nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれる。
(Carbon gel)
The carbon-based porous material used as a carrier in the present invention is a carbon gel that satisfies the following conditions (i) to (iii).
(i) In X-ray diffraction measurement (XRD), no X-ray diffraction peak is observed in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuK α- ray).
(ii) It consists of primary particles having an average particle diameter of 2 to 50 nm.
(iii) In the pore diameter distribution calculated from the adsorption / desorption isotherm, when the pore diameter value at the top of the distribution peak is in the range of 1 nm or more and less than 10 nm, it is d ± 2 nm with respect to the pore diameter value (d). When the pore diameter region contains 60% or more of the total pore volume and the pore diameter value at the distribution peak top is in the range of 10 nm or more and 50 nm or less, the pore diameter value (D) is ( The pore diameter region of 0.75 × D) to (1.25 × D) nm contains 60% or more of the total pore volume.

ここで、X線回折ピークは、そのピーク角度に相当するd値の周期構造が試料中にあることを意味する。したがって、スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)において1本以上のピークが認められる炭素系多孔体は、細孔が0.9〜17.7nmの周期で規則的に配列している、いわゆるメソポーラスカーボン(MPC)である。担体がこのようなメソポーラスカーボンの場合、担持される酵素等の成分に対する安定性及び活性化の十分な向上が達成されない。 Here, the X-ray diffraction peak means that a periodic structure having a d value corresponding to the peak angle is present in the sample. Therefore, in the carbon-based porous body in which one or more peaks are recognized in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuK α- ray), the pores are regularly arranged with a period of 0.9 to 17.7 nm. This is so-called mesoporous carbon (MPC). When the carrier is such a mesoporous carbon, sufficient improvement in stability and activation with respect to components such as an enzyme to be carried is not achieved.

一方、本発明において用いられるカーボンゲルは、スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)においてX線回折ピークが認められないものであり、その細孔が周期的配列構造を有しておらず、相互に連結した3次元的ネットワーク構造を有しているものである。本発明においては、このようなカーボンゲルを酵素等の成分に対する担体として用いることにより、その理由は定かではないが、担持成分に対する安定性及び活性化が驚くべきことに向上する。 On the other hand, the carbon gel used in the present invention has no X-ray diffraction peak in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuK α ray), and the pores have a periodic arrangement structure. It has a three-dimensional network structure connected to each other. In the present invention, by using such a carbon gel as a carrier for components such as enzymes, the reason for this is not clear, but the stability and activation of the supported components are surprisingly improved.

なお、本発明においては、X線回折測定(XRD)においてバックグラウンドノイズ強度に対するピーク強度の比が3未満のものはX線回折ピークと認めない。すなわち、「スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)においてX線回折ピークが認められない」とは、スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)において、バックグラウンドノイズ強度に対するピーク強度の比が3以上のX線回折ピークは1本も観測されないことをいう。 In the present invention, an X-ray diffraction measurement (XRD) is not recognized as an X-ray diffraction peak when the ratio of the peak intensity to the background noise intensity is less than 3. That is, "scan region 2θ = 0.5~10 ° X-ray diffraction peak at (Cu K alpha line) is not observed" means, in the scan area 2θ = 0.5~10 ° (CuK α ray), background This means that no X-ray diffraction peak having a ratio of peak intensity to noise intensity of 3 or more is observed.

本発明にかかるカーボンゲルは、平均粒径が2〜50nmの一次粒子からなるものであり、より好ましくは平均粒径が4〜20nmの一次粒子からなるものである。カーボンゲルを構成する一次粒子の平均粒径が2nm未満では、細孔の大きさが担持成分の大きさよりも小さくなることが多くなり、吸着性が低下してしまい、他方、50nmを超えると、比表面積の低下を招き、吸着性が低下してしまう。   The carbon gel according to the present invention is composed of primary particles having an average particle diameter of 2 to 50 nm, and more preferably is composed of primary particles having an average particle diameter of 4 to 20 nm. When the average particle size of the primary particles constituting the carbon gel is less than 2 nm, the size of the pores is often smaller than the size of the supported component, and the adsorptivity is reduced. On the other hand, when the average particle size exceeds 50 nm, The specific surface area is reduced and the adsorptivity is reduced.

また、本発明にかかるカーボンゲルは、前記一次粒子からなる凝集体であり、吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、(iii−1)分布ピークトップの細孔径値が1nm以上10nm未満の範囲に存在する場合には該細孔径値(d)に対してd±2nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれており、また、(iii−2)分布ピークトップの細孔径値が10nm以上50nm以下の範囲に存在する場合には該細孔径値(D)に対して(0.75×D)〜(1.25×D)nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれるものである。細孔径の均一性がこれより悪いと、酵素等の担持に最適な細孔径以外の細孔の成分が多くなり、得られる効果が低減する。   Further, the carbon gel according to the present invention is an aggregate composed of the primary particles, and in the pore diameter distribution calculated from the adsorption / desorption isotherm, (iii-1) the pore diameter value of the distribution peak top is 1 nm or more and less than 10 nm. In the range of the pore diameter value (d), the pore diameter region of d ± 2 nm contains 60% or more of the total pore volume, and (iii-2) distribution peak top When the pore diameter value is in the range of 10 nm or more and 50 nm or less, the pore diameter value (D) is all fine in the pore diameter region of (0.75 × D) to (1.25 × D) nm. 60% or more of the pore volume is included. If the uniformity of the pore diameter is worse than this, the components of pores other than the optimum pore diameter for supporting enzymes and the like increase, and the obtained effect is reduced.

さらに、本発明にかかるカーボンゲルの前記分布ピークトップの細孔径値は1〜20nmであることが好ましい。カーボンゲルの前記細孔径値が1nm未満では、細孔の大きさが担持成分の大きさよりも小さくなることが多くなり、吸着性が低下してしまい、他方、50nmを超えると、比表面積の低下を招き、吸着性が低下してしまう。また、カーボンゲルの前記細孔径値が20nmを超えると、一部のタンパク質を担持する際に不都合が生じ易くなる傾向にある。   Furthermore, the pore size value of the distribution peak top of the carbon gel according to the present invention is preferably 1 to 20 nm. When the pore size value of the carbon gel is less than 1 nm, the pore size is often smaller than the size of the supported component, and the adsorptivity is reduced. On the other hand, when the pore size exceeds 50 nm, the specific surface area is reduced. And the adsorptivity decreases. Moreover, when the pore diameter value of the carbon gel exceeds 20 nm, there is a tendency that inconvenience is likely to occur when a part of the protein is supported.

なお、担持成分の担持量の低減を防止する観点から、本発明にかかるカーボンゲルの前記分布ピークトップの細孔径値は担持成分の平均分子径より大きいことが好ましく、担持成分の平均分子径の1〜1.25倍程度であることがより好ましい。   From the viewpoint of preventing a reduction in the amount of supported component, the pore size value of the distribution peak top of the carbon gel according to the present invention is preferably larger than the average molecular size of the supported component, More preferably, it is about 1 to 1.25 times.

また、本発明にかかるカーボンゲルの比表面積は、100m2/g以上であることが好ましく、500〜1000m2/gであることが更に好ましい。カーボンゲルの比表面積が100m2/g未満の場合には、担持成分との接触面積の低下及び担持成分を取り込む細孔の減少が生じ、吸着性が低いものとなってしまう傾向にある。 The specific surface area of such carbon gel to the present invention is preferably 100 m 2 / g or more, more preferably 500 to 1000 m 2 / g. When the specific surface area of the carbon gel is less than 100 m 2 / g, the contact area with the supporting component is reduced and the pores taking in the supporting component are reduced, so that the adsorptivity tends to be low.

更に、本発明にかかるカーボンゲルの全細孔容量は、上記比表面積及び前記分布ピークトップの細孔径値によっても変動するため特に制限されないが、0.1〜50ml/gであることが好ましく、0.2〜2.5ml/gであることがより好ましい。   Furthermore, the total pore volume of the carbon gel according to the present invention is not particularly limited because it varies depending on the specific surface area and the pore diameter value of the distribution peak top, but is preferably 0.1 to 50 ml / g, More preferably, it is 0.2-2.5 ml / g.

本発明にかかるカーボンゲルの比表面積及び細孔容量は、以下に述べる一般的な容量法測定により求めることができる。すなわち、カーボンゲルを容器に入れて液体窒素温度(−196℃)に冷却し、容器内に窒素ガスを導入して容量法によりその吸着量を求める。次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に変化させることで、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットして窒素吸脱着等温線を得る。この窒素吸脱着等温線を用い、SPE(Subtracting Pore Effect)法により比表面積及び細孔容量を算出することができる(K.Kaneko, C.Ishii, M.Ruike, H.Kuwabara, Carbon 30, 1075, 1986)。上記SPE法とは、αS−プロット法、t−プロット法等によってミクロ細孔解析を行い、ミクロ細孔の強いポテンシャル場の効果を取り除いて比表面積等を算出する方法であり、ミクロ細孔性多孔体の比表面積等の算出においてBET法よりも精度の高い方法である。また、細孔径分布及び分布ピークトップの細孔径値は、上記で得られた窒素吸脱着等温線からBJH解析により計算することで求めることができる(Barrett E.P., Joyner L.G., Halenda
P.H., Journal of American Chemical Society 73, 373, 1951)。
The specific surface area and pore volume of the carbon gel according to the present invention can be determined by the general volumetric measurement described below. That is, carbon gel is put in a container and cooled to a liquid nitrogen temperature (−196 ° C.), nitrogen gas is introduced into the container, and the adsorption amount is obtained by a volume method. Next, by gradually changing the pressure of the introduced nitrogen gas, the nitrogen gas adsorption amount with respect to each equilibrium pressure is plotted to obtain a nitrogen adsorption / desorption isotherm. Using this nitrogen adsorption / desorption isotherm, the specific surface area and pore volume can be calculated by the SPE (Subtracting Pore Effect) method (K.Kaneko, C.Ishii, M.Ruike, H.Kuwabara, Carbon 30, 1075). , 1986). The SPE method is a method of calculating the specific surface area by removing the effect of the strong potential field of the micropore by performing micropore analysis by α S -plot method, t-plot method, etc. This method is more accurate than the BET method in calculating the specific surface area of the porous porous body. In addition, the pore size distribution and the distribution peak top pore size value can be obtained by calculating by BJH analysis from the nitrogen adsorption / desorption isotherm obtained above (Barrett EP, Joyner LG, Halenda
PH, Journal of American Chemical Society 73, 373, 1951).

以上説明した本発明にかかるカーボンゲルを製造する方法は特に制限されず、従来公知の方法を用いて本発明にかかるカーボンゲルを適宜得ることが可能である。このようなカーボンゲルの製造方法としては、例えば、以下に説明する方法が挙げられる。   The method for producing the carbon gel according to the present invention described above is not particularly limited, and the carbon gel according to the present invention can be appropriately obtained using a conventionally known method. Examples of a method for producing such a carbon gel include the method described below.

すなわち、先ず、例えば、R.W.Pekala et al., J.Non-cryst.Solids, vol.145, p.90(1992)に記載の方法に準じて有機ゲルを合成する。すなわち、レゾルシノール等のフェノール類とホルムアルデヒド等のアルデヒド類をアルカリ触媒又は酸触媒の存在下で反応させ、熟成させてフェノール樹脂からなる有機ゲルを得る。次に、得られた有機ゲルを乾燥させた後、不活性雰囲気下で焼成して炭素化せしめることにより、本発明にかかるカーボンゲルを得ることが可能である。   That is, first, an organic gel is synthesized according to the method described in, for example, R.W.Pekala et al., J.Non-cryst.Solids, vol.145, p.90 (1992). That is, a phenol such as resorcinol and an aldehyde such as formaldehyde are reacted in the presence of an alkali catalyst or an acid catalyst and aged to obtain an organic gel composed of a phenol resin. Next, after drying the obtained organic gel, it is possible to obtain the carbon gel according to the present invention by baking it in an inert atmosphere and carbonizing it.

(含窒素カーボンゲル)
本発明において担体として用いるカーボンゲルは、上述の通り、基本的に炭素からなるものであるが、その少なくとも表面近傍が含窒素炭素からなる含窒素カーボンゲルであってもよい。本発明にかかるカーボンゲルの少なくとも表面近傍が含窒素炭素となっていると、担持成分の担持量がより向上し、それら担持成分の安定性及び活性がより優れたものとなる傾向にある。
(Nitrogen-containing carbon gel)
The carbon gel used as a carrier in the present invention is basically composed of carbon as described above, but may be a nitrogen-containing carbon gel in which at least the vicinity of the surface is composed of nitrogen-containing carbon. When at least the vicinity of the surface of the carbon gel according to the present invention is nitrogen-containing carbon, the supported amount of the supported component is further improved, and the stability and activity of these supported components tend to be more excellent.

このような含窒素炭素における窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)の上限値は0.4であることが好ましく、0.3であることがより好ましい。一方、その下限値は0.01であることが好ましく、0.05であることがより好ましい。窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)が0.01未満の場合には、窒素原子が減少し、担持成分と相互作用することが可能な吸着サイトとしての機能が低下するため、窒素原子による吸着性の向上が得られなくなる傾向にある。他方、窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)が0.4を超える場合には、炭素骨格の強度が低下し、細孔構造を維持することが困難となるため、比表面積の低下を招き、吸着性が低下してしまう傾向にある。なお、このような含窒素炭素における窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)は、CHN元素分析又はXPSによって求めることができる。   The upper limit of the atomic ratio (N / C) of nitrogen atoms to carbon atoms in such nitrogen-containing carbon is preferably 0.4, and more preferably 0.3. On the other hand, the lower limit is preferably 0.01, and more preferably 0.05. When the atomic ratio of nitrogen atom to carbon atom (N / C) is less than 0.01, the nitrogen atom is decreased, and the function as an adsorption site capable of interacting with the supported component is decreased. There is a tendency that improvement in adsorptivity by nitrogen atoms cannot be obtained. On the other hand, when the atomic ratio (N / C) of nitrogen atoms to carbon atoms exceeds 0.4, the strength of the carbon skeleton is lowered and it is difficult to maintain the pore structure. It tends to decrease and the adsorptivity tends to decrease. In addition, the atomic ratio (N / C) of a nitrogen atom and a carbon atom in such nitrogen-containing carbon can be obtained by CHN elemental analysis or XPS.

このように含窒素炭素を含むカーボンゲルを製造する方法は特に制限されず、従来公知の方法を用いて適宜得ることが可能である。このような含窒素カーボンゲルの製造方法としては、例えば、以下に説明する(i)一酸化窒素を用いてカーボンゲルを構成する炭素骨格に窒素原子を導入する方法や、(ii)熱CVD法によりカーボンゲル表面に含窒素炭素を析出させる方法が挙げられる。   Thus, the method in particular of manufacturing the carbon gel containing nitrogen-containing carbon is not restrict | limited, It can obtain suitably using a conventionally well-known method. Examples of such a method for producing a nitrogen-containing carbon gel include (i) a method of introducing nitrogen atoms into the carbon skeleton constituting the carbon gel using nitrogen monoxide, which will be described below, and (ii) a thermal CVD method. A method of depositing nitrogen-containing carbon on the surface of the carbon gel is mentioned.

先ず、(i)一酸化窒素(NO)を用いてカーボンゲルを構成する炭素骨格に窒素原子を導入する方法について説明する。   First, (i) a method of introducing nitrogen atoms into the carbon skeleton constituting the carbon gel using nitric oxide (NO) will be described.

このようにカーボンゲルを構成する炭素骨格への窒素原子の導入は、例えば、P.Chambrion et al., Energy & Fuels vol.11, p.681-685(1997)に記載の方法に準じて実施することが可能である。すなわち、石英反応管中にカーボンゲルを設置し、ヘリウム気流下で950℃程度に加熱する。その後、ヘリウムで希釈されたNO(濃度1000ppm程度)を反応管へ導入し、600〜900℃程度の反応温度で反応せしめる。この反応に要する反応時間に特に制限されないが、反応時間を延長すれば炭素骨格中に取り込まれる窒素の量は向上する。   The introduction of nitrogen atoms into the carbon skeleton constituting the carbon gel is carried out according to the method described in P.Chambrion et al., Energy & Fuels vol.11, p.681-685 (1997), for example. Is possible. That is, a carbon gel is placed in a quartz reaction tube and heated to about 950 ° C. under a helium stream. Thereafter, NO diluted with helium (concentration of about 1000 ppm) is introduced into the reaction tube, and reacted at a reaction temperature of about 600 to 900 ° C. The reaction time required for this reaction is not particularly limited, but if the reaction time is extended, the amount of nitrogen taken into the carbon skeleton is improved.

次に、(ii)熱CVD法によりカーボンゲル表面に含窒素炭素を析出させる方法について説明する。   Next, (ii) a method for depositing nitrogen-containing carbon on the surface of the carbon gel by a thermal CVD method will be described.

この方法は、カーボンゲルの細孔内に含窒素有機化合物を導入し、その含窒素有機化合物を熱分解せしめることによってカーボンゲル表面に含窒素炭素を析出せしめる方法である。すなわち、先ず、反応管中にカーボンゲルを設置し、窒素又はアルゴン等の不活性ガスを反応管内に導入しながら所定の温度まで加熱する。次に、加熱状態を維持したまま、気体状態の含窒素有機化合物を反応管内に導入することによって、カーボンゲルの細孔内に含窒素有機化合物を導入せしめながら、所定時間のCVD反応を行う。これによって、カーボンゲルの細孔内に炭素原子及び窒素原子により骨格が形成されている含窒素炭素を析出せしめることができる。上記熱CVD法による析出工程は、反応雰囲気が酸化雰囲気である場合には炭素の燃焼が起こるため、通常、窒素又はアルゴン等の不活性雰囲気で行われる。   In this method, a nitrogen-containing organic compound is introduced into the pores of the carbon gel, and the nitrogen-containing organic compound is thermally decomposed to precipitate nitrogen-containing carbon on the surface of the carbon gel. That is, first, a carbon gel is placed in a reaction tube and heated to a predetermined temperature while introducing an inert gas such as nitrogen or argon into the reaction tube. Next, while maintaining the heated state, a nitrogen-containing organic compound in a gaseous state is introduced into the reaction tube, and a CVD reaction is performed for a predetermined time while introducing the nitrogen-containing organic compound into the pores of the carbon gel. Thus, nitrogen-containing carbon having a skeleton formed of carbon atoms and nitrogen atoms can be deposited in the pores of the carbon gel. The deposition step by the thermal CVD method is usually performed in an inert atmosphere such as nitrogen or argon because carbon combustion occurs when the reaction atmosphere is an oxidizing atmosphere.

ここで用いられる含窒素有機化合物としては、窒素原子を含む有機化合物であれば特に制限はなく、例えば、含窒素複素環式化合物、アミン類、イミン類、ニトリル類等が挙げられる。上記含窒素複素環式化合物としては、含窒素複素単環化合物及び含窒素縮合複素環化合物が挙げられ、含窒素複素単環化合物としては、5員環化合物であるピロール及びその誘導体、ピラゾールやイミダゾール等のジアゾール類及びその誘導体、トリアゾール類及びその誘導体、並びに、6員環化合物であるピリジン及びその誘導体、ピリダジンやピリミジンやピラジン等のジアジン類及びその誘導体、トリアジン類及び、メラミンやシアヌル酸等のトリアジン類誘導体等が挙げられる。また、含窒素縮合複素環化合物としては、キノリン、フェナントロリン、プリン等が挙げられる。   The nitrogen-containing organic compound used here is not particularly limited as long as it is an organic compound containing a nitrogen atom, and examples thereof include nitrogen-containing heterocyclic compounds, amines, imines, and nitriles. Examples of the nitrogen-containing heterocyclic compound include a nitrogen-containing heterocyclic monocyclic compound and a nitrogen-containing condensed heterocyclic compound. Examples of the nitrogen-containing heterocyclic monocyclic compound include pyrrole and its derivatives, pyrazole and imidazole which are 5-membered ring compounds. Such as diazoles and derivatives thereof, triazoles and derivatives thereof, and pyridine and derivatives thereof as 6-membered ring compounds, diazines and derivatives thereof such as pyridazine, pyrimidine and pyrazine, triazines and melamine and cyanuric acid And triazine derivatives. Examples of the nitrogen-containing condensed heterocyclic compound include quinoline, phenanthroline, and purine.

上記アミン類としては、第1級〜第3級アミン、ジアミン類、トリアミン類、ポリアミン類及びアミノ化合物等が挙げられる。第1級〜第3級アミンとしては、メチルアミン、エチルアミン、ジメチルアミン及びトリメチルアミン等の脂肪族アミン、並びに、アニリン等の芳香族アミン及びその誘導体等が挙げられ、ジアミン類としては、エチレンジアミン等が挙げられ、アミノ化合物としては、エタノールアミン等のアミノアルコール等が挙げられる。また、上記イミン類としては、ピロリジン及びエチレンイミン等が挙げられる。さらに、上記ニトリル類としては、アセトニトリル等の脂肪族ニトリル及びベンゾニトリル等の芳香族ニトリル等が挙げられる。また、その他の含窒素有機化合物としては、ナイロン等のポリアミド類、ガラクトサミン等のアミノ糖、ポリアクリロニトリル等の含窒素高分子化合物、アミノ酸及びポリイミド類等が挙げられる。   Examples of the amines include primary to tertiary amines, diamines, triamines, polyamines, and amino compounds. Examples of primary to tertiary amines include aliphatic amines such as methylamine, ethylamine, dimethylamine and trimethylamine, and aromatic amines such as aniline and derivatives thereof. Examples of diamines include ethylenediamine. Examples of the amino compound include amino alcohols such as ethanolamine. Examples of the imines include pyrrolidine and ethyleneimine. Furthermore, examples of the nitriles include aliphatic nitriles such as acetonitrile and aromatic nitriles such as benzonitrile. Other nitrogen-containing organic compounds include polyamides such as nylon, amino sugars such as galactosamine, nitrogen-containing polymer compounds such as polyacrylonitrile, amino acids and polyimides.

上記熱CVD法による析出工程において、含窒素有機化合物が常温で液体状態である場合には、バブラ、マスフローポンプ等を用い、蒸気蒸発によって含窒素有機化合物を気体状態として反応管内に導入することができる。また、このときに窒素又はアルゴン等をキャリヤガスとして用いて気体状態の含窒素有機化合物の導入を行うことが好ましい。更に、一度反応管内を流通させた気体が、反応管の出口側から逆流しないように、反応管出口側に流動パラフィン等を入れたバブラを設置する等して逆流を防ぐことが好ましい。   In the deposition step by the thermal CVD method, when the nitrogen-containing organic compound is in a liquid state at room temperature, the nitrogen-containing organic compound can be introduced into the reaction tube as a gas state by vapor evaporation using a bubbler, a mass flow pump, or the like. it can. At this time, it is preferable to introduce a nitrogen-containing organic compound in a gaseous state using nitrogen or argon as a carrier gas. Furthermore, it is preferable to prevent backflow by installing a bubbler containing liquid paraffin or the like on the reaction tube outlet side so that the gas once circulated in the reaction tube does not flow back from the reaction tube outlet side.

上記含窒素有機化合物が常温で固体状態である場合には、加熱蒸発(昇華)器を反応管入口側に設置し、加熱によって含窒素有機化合物を気体状態として反応管へ導入することができる。また、このときの蒸発器の温度は、含窒素有機化合物が熱分解しない温度に調整する必要がある。   When the nitrogen-containing organic compound is in a solid state at room temperature, a heating evaporator (sublimation) can be installed on the inlet side of the reaction tube, and the nitrogen-containing organic compound can be introduced into the reaction tube as a gas state by heating. Moreover, the temperature of the evaporator at this time needs to be adjusted to a temperature at which the nitrogen-containing organic compound is not thermally decomposed.

また、上記含窒素有機化合物が重合性を有する場合には、予めカーボンゲルの細孔内において重合を行っておき、その後、反応管中、不活性雰囲気下で熱分解するという方法をとることもできる。   Further, when the nitrogen-containing organic compound has polymerizability, it may be preliminarily polymerized in the pores of the carbon gel and then thermally decomposed in an inert atmosphere in a reaction tube. it can.

更に、上記含窒素有機化合物が加熱によって気化しないものである場合には、溶液吸着法や蒸発乾固法等によって、カーボンゲルの細孔内に予め含窒素有機系化合物を導入し、これを不活性雰囲気下で熱分解することによって、カーボンゲルの細孔内に炭素原子及び窒素原子により骨格が形成されている含窒素炭素を析出せしめることができる。   Further, when the nitrogen-containing organic compound is not vaporized by heating, a nitrogen-containing organic compound is previously introduced into the pores of the carbon gel by a solution adsorption method, an evaporation to dryness method, etc. By pyrolysis under an active atmosphere, nitrogen-containing carbon having a skeleton formed of carbon atoms and nitrogen atoms can be precipitated in the pores of the carbon gel.

上記熱CVD法による析出工程における反応温度は、含窒素有機化合物が熱分解及び炭素化する温度であれば特に制限されないが、300〜1000℃であることが好ましく、500〜700℃の範囲であることがより好ましい。反応温度が300℃未満の場合には、含窒素有機化合物の熱分解が起こりにくくなるため、含窒素炭素の析出速度が遅くなってしまい、反応時間及びエネルギー消費が大きくなる傾向がある。また、反応温度が1000℃を超える場合には、炭素骨格中に窒素が残留し難いため、N/C原子比が低下する傾向にある。   The reaction temperature in the precipitation step by the thermal CVD method is not particularly limited as long as the nitrogen-containing organic compound is thermally decomposed and carbonized, but is preferably 300 to 1000 ° C, and is in the range of 500 to 700 ° C. It is more preferable. When the reaction temperature is less than 300 ° C., thermal decomposition of the nitrogen-containing organic compound is difficult to occur, so that the deposition rate of nitrogen-containing carbon is slowed, and the reaction time and energy consumption tend to increase. Moreover, when reaction temperature exceeds 1000 degreeC, since nitrogen does not remain easily in carbon skeleton, it exists in the tendency for N / C atomic ratio to fall.

このような析出工程において、カーボンゲルの細孔内に析出させる含窒素炭素の析出量は、特に制限されないが、カーボンゲル1g当りの比表面積をYmとした場合、(0.0001×Y)g以上であることが好ましい。含窒素炭素の析出量が(0.0001×Y)g未満の場合には、析出量が少ないため、窒素原子による吸着性の向上が得られなくなる傾向にある。 In such a deposition process, when precipitation amount of a nitrogen-containing carbon to deposit in the pores of the carbon gel is not particularly limited, where the specific surface area per carbon gel 1g and Ym 2, (0.0001 × Y) It is preferable that it is more than g. When the amount of nitrogen-containing carbon deposited is less than (0.0001 × Y) g, the amount of deposited is small, so that the adsorptive improvement by nitrogen atoms tends to be not obtained.

また、上記析出量は、CVD反応時間と相関関係があり、CVD反応時間を調整することによって析出量を制御することが可能となる。更に、上記析出量は、CVD反応温度、カーボンゲルの種類、含窒素有機化合物の種類、及び含窒素有機化合物を導入する際の流量等によっても変化するが、それぞれの場合でCVD反応時間を適宜調整することによって析出量を制御することが可能となる。   Further, the amount of precipitation has a correlation with the CVD reaction time, and the amount of precipitation can be controlled by adjusting the CVD reaction time. Further, the amount of precipitation varies depending on the CVD reaction temperature, the type of carbon gel, the type of nitrogen-containing organic compound, the flow rate when introducing the nitrogen-containing organic compound, etc. It is possible to control the amount of precipitation by adjusting.

(カーボンゲル複合材料)
本発明のカーボンゲル複合材料は、前述のカーボンゲル(前記含窒素カーボンゲルを含む)を担体とし、そこにタンパク質、金属錯体及び金属からなる群から選択される少なくとも一つの成分(担持成分)が担持されてなるものである。
(Carbon gel composite material)
The carbon gel composite material of the present invention uses the above-described carbon gel (including the nitrogen-containing carbon gel) as a carrier, and at least one component (support component) selected from the group consisting of a protein, a metal complex, and a metal. It is carried.

先ず、タンパク質が担持されている本発明のカーボンゲル複合材料について説明する。ここで用いられるタンパク質としては、特に制限されず、各種の電子伝達タンパク質、各種の酸化還元酵素、各種の転移酵素、蛋白質分解酵素等の加水分解酵素(サチライシン、リパーゼ等)、カルボキシ(carboxylyase)やアルデヒド(aldehydelyase)等の脱離酵素、各種異性化酵素、リガーゼ等が挙げられる。中でも、電子の効率的授受が可能となるという観点から、電子伝達タンパク質及び酸化還元酵素からなる群から選択される少なくとも一つのタンパク質が好ましい。このような電子伝達タンパク質としては、チトクロームC、フェレドキシン等が挙げられる。また、酸化還元酵素としては、(i)電子伝達タンパク質を電子受容体又は電子供与体にする酸化還元酵素として、フェレドキシンNADPレダクターゼ、チトクロームCオキシダーゼ等、(ii)電子伝達分子(補酵素類、メチルビオロゲン類、ABTS等)を電子受容体あるいは電子供与体にする酸化還元酵素として、ラッカーゼ、ジアホラーゼ、リポキシアミドデヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ(他の糖を基質にするオキシダーゼを含む)、グルコースデヒドロゲナーゼ(他に糖を基質にするデヒドロゲナーゼを含む)、(iii)その他の酸化還元酵素としてマンガンペルオキシダーゼ、等が挙げられる。   First, the carbon gel composite material of the present invention carrying a protein will be described. The protein used herein is not particularly limited, and various electron transfer proteins, various oxidoreductases, various transferases, hydrolytic enzymes such as proteolytic enzymes (such as subtilisin and lipase), carboxy (carboxylyase), Examples include elimination enzymes such as aldehydes, various isomerases, ligases, and the like. Among these, at least one protein selected from the group consisting of an electron transfer protein and an oxidoreductase is preferable from the viewpoint of enabling efficient exchange of electrons. Examples of such electron transfer proteins include cytochrome C and ferredoxin. Examples of the oxidoreductase include (i) an oxidoreductase that uses an electron transfer protein as an electron acceptor or an electron donor, ferredoxin NADP reductase, cytochrome C oxidase, and the like (ii) an electron transfer molecule (coenzymes, methyl As oxidoreductases that use viologens, ABTS, etc.) as electron acceptors or electron donors, laccase, diaphorase, lipoxyamide dehydrogenase, alcohol dehydrogenase, glucose oxidase (including oxidases that use other sugars as substrates), glucose dehydrogenase (In addition, dehydrogenase containing sugar as a substrate is included), (iii) Other examples of oxidoreductases include manganese peroxidase.

本発明のカーボンゲル複合材料においてカーボンゲルに担持されているタンパク質の量は特に制限されないが、得られるカーボンゲル複合材料においてタンパク質が十分な活性を示すようになるという観点から、酵素活性が示されれば特に制限はないが、カーボンゲル100重量部に対してタンパク質の担持量が0.01〜80重量部程度であることが好ましい。   The amount of the protein supported on the carbon gel in the carbon gel composite material of the present invention is not particularly limited, but the enzyme activity is shown from the viewpoint that the protein becomes sufficiently active in the obtained carbon gel composite material. The amount of protein supported is preferably about 0.01 to 80 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon gel.

また、カーボンゲルにタンパク質を担持せしめて本発明のカーボンゲル複合材料を得る方法も特に制限されず、昇華法、含浸法等の方法が用いることが可能であるが、以下の含浸法がより好適である。すなわち、先ず、タンパク質を沈殿が生じない濃度(好ましくは0.1mg/ml〜1000mg/ml)となるように水又は緩衝液に溶解させる。そして、その溶液が凍結することなく、またタンパク質が変性することのない温度(好ましくは0℃〜50℃)でカーボンゲルを懸濁させて、少なくとも5分以上、好ましくは30分以上タンパク質とカーボンゲルとを接触させることによりカーボンゲルの細孔内にタンパク質が固定化されて本発明のカーボンゲル複合材料が得られる。   Further, the method for obtaining the carbon gel composite material of the present invention by loading the protein on the carbon gel is not particularly limited, and methods such as a sublimation method and an impregnation method can be used, but the following impregnation method is more preferable. It is. That is, first, the protein is dissolved in water or a buffer so as to have a concentration at which precipitation does not occur (preferably 0.1 mg / ml to 1000 mg / ml). The carbon gel is suspended at a temperature (preferably 0 ° C. to 50 ° C.) at which the solution does not freeze and the protein is not denatured, and the protein and carbon are at least 5 minutes or more, preferably 30 minutes or more. By contacting the gel, the protein is immobilized in the pores of the carbon gel, and the carbon gel composite material of the present invention is obtained.

上記溶液にカーボンゲルを懸濁させる際の濃度は特に制限されないが、0.1〜1000mg/ml程度とすることが好ましい。また、上記担持工程の後に、更に、遠心分離等を行ってカーボンゲル複合材料を溶液と分離して取り出す工程を有していてもよく、また、乾燥等を行って液体成分を除去した状態のカーボンゲル複合材料を得る工程を有していてもよい。   The concentration at which the carbon gel is suspended in the solution is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 1000 mg / ml. In addition, after the supporting step, there may be a step of further separating the carbon gel composite material from the solution by performing a centrifugal separation or the like, and a state in which the liquid component is removed by drying or the like. You may have the process of obtaining a carbon gel composite material.

次に、金属錯体が担持されている本発明のカーボンゲル複合材料について説明する。ここで用いられる金属錯体としては、特に制限されず、Pt、Pd、Ru、Os、Ir、Rh、Au、Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Cu、Ti、Zn及びVからなる群から選択される少なくとも一つの金属を中心金属としかつ有機配位子を有する金属錯体が好ましいものとして挙げられる。このような有機配位子も特に制限されないが、ポルフィリン、フタロシアニン、サレン、ビピリジル等が挙げられる。   Next, the carbon gel composite material of the present invention carrying a metal complex will be described. The metal complex used here is not particularly limited, and is selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, Os, Ir, Rh, Au, Fe, Ni, Cr, Mn, Co, Cu, Ti, Zn, and V. A metal complex having at least one metal as a central metal and having an organic ligand is preferable. Such an organic ligand is not particularly limited, and examples thereof include porphyrin, phthalocyanine, salen, bipyridyl and the like.

本発明のカーボンゲル複合材料においてカーボンゲルに担持されている金属錯体の量は特に制限されないが、得られるカーボンゲル複合材料において金属錯体が十分な活性を示すようになるという観点から、カーボンゲル100重量部に対して金属錯体の担持量が0.1〜40重量部程度であることが好ましい。   The amount of the metal complex supported on the carbon gel in the carbon gel composite material of the present invention is not particularly limited. From the viewpoint that the metal complex becomes sufficiently active in the obtained carbon gel composite material, the carbon gel 100 It is preferable that the supported amount of the metal complex is about 0.1 to 40 parts by weight with respect to parts by weight.

また、カーボンゲルに金属錯体を担持せしめて本発明のカーボンゲル複合材料を得る方法も特に制限されないが、例えば以下の方法が好適に採用される。すなわち、先ず、前記金属錯体を溶媒に溶解及び/又は分散させた溶液を調製する。次に、その溶液にカーボンゲルを懸濁させ、溶液中の金属錯体をカーボンゲルに担持せしめて本発明のカーボンゲル複合材料が得られる。   Further, the method for obtaining the carbon gel composite material of the present invention by loading the metal complex on the carbon gel is not particularly limited, but for example, the following method is suitably employed. That is, first, a solution in which the metal complex is dissolved and / or dispersed in a solvent is prepared. Next, the carbon gel is suspended in the solution, and the metal complex in the solution is supported on the carbon gel to obtain the carbon gel composite material of the present invention.

ここで用いられる溶媒は、金属錯体を溶解及び/又は分散させることが可能なものであればよく、特に制限されないが、例えば、プロピオニトリル等のニトリル系溶媒;ジクロロメタン、クロロホルム等の塩素系溶媒;メタノール、エタノール、1−ブタノール等のアルコール系溶媒;アセトン、2−ブタノン等のアルキルケトン系溶媒;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族系炭化水素系溶媒;テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系溶媒;酢酸エチル等のエステル系溶媒が挙げられる。   The solvent used here is not particularly limited as long as it can dissolve and / or disperse the metal complex. For example, nitrile solvents such as propionitrile; chlorinated solvents such as dichloromethane and chloroform Alcohol solvents such as methanol, ethanol and 1-butanol; alkyl ketone solvents such as acetone and 2-butanone; aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene and xylene; ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane; Examples include ester solvents such as ethyl acetate.

上記溶液における金属錯体の濃度は特に制限されないが、0.1〜30mM程度とすることが好ましい。また、上記溶液にカーボンゲルを溶解及び/又は分散させる際の濃度は特に制限されないが、0.1〜35mg/ml程度とすることが好ましい。   The concentration of the metal complex in the solution is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 30 mM. Further, the concentration at which the carbon gel is dissolved and / or dispersed in the solution is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 35 mg / ml.

金属錯体をカーボンゲルに担持させる際の吸着方法や条件等は特に制限はなく、例えば、溶液中にカーボンゲルを投入し、10〜100℃程度で所定時間撹拌することによって金属錯体をカーボンゲルに担持させることができる。また、上記担持工程の後に、更に、遠心分離等を行ってカーボンゲル複合材料を溶液と分離して取り出す工程を有していてもよく、また、乾燥等を行って液体成分を除去した状態のカーボンゲル複合材料を得る工程を有していてもよい。   There are no particular restrictions on the adsorption method and conditions when the metal complex is supported on the carbon gel. For example, the carbon complex is put into the solution and stirred at a temperature of about 10 to 100 ° C. for a predetermined time. It can be supported. In addition, after the supporting step, there may be a step of further separating the carbon gel composite material from the solution by performing a centrifugal separation or the like, and a state in which the liquid component is removed by drying or the like. You may have the process of obtaining a carbon gel composite material.

次に、金属が担持されている本発明のカーボンゲル複合材料について説明する。ここで用いられる金属としては、特に制限されず、各種の貴金属や卑金属が用いられ、このような金属がカーボンゲルに担持される際の状態としては、金属微粒子の状態であっても、金属イオンの状態であってもよい。   Next, the carbon gel composite material of the present invention carrying a metal will be described. The metal used here is not particularly limited, and various kinds of precious metals and base metals are used. The state when such a metal is supported on the carbon gel is a metal ion even in the state of metal fine particles. It may be in the state.

先ず、前記金属が金属微粒子の状態で担持されているカーボンゲル複合材料について説明する。この場合に用いられる金属としては、微粒子を形成するものであればよく、特に制限されないが、Pt、Pd、Ru、Os、Ir、Rh、Au、Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Cu、Ti、Zn及びVからなる群から選択される少なくとも一つの金属が好ましく、中でも触媒活性等の観点からPt、Pd、Ru、Os、Ir、Rh及びAuからなる群から選択される少なくとも一つの貴金属が好ましい。   First, a carbon gel composite material in which the metal is supported in the form of fine metal particles will be described. The metal used in this case is not particularly limited as long as it forms fine particles, but Pt, Pd, Ru, Os, Ir, Rh, Au, Fe, Ni, Cr, Mn, Co, Cu, At least one metal selected from the group consisting of Ti, Zn and V is preferable, and at least one noble metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, Os, Ir, Rh and Au from the viewpoint of catalytic activity and the like. Is preferred.

本発明のカーボンゲル複合材料における金属微粒子の平均粒径も特に制限されないが、10nm以下であることが好ましく、1〜5nmであるとより好ましい。また、本発明のカーボンゲル複合材料においてカーボンゲルに担持されている金属微粒子の量は特に制限されないが、得られるカーボンゲル複合材料において金属微粒子が十分な活性を示すようになるという観点から、カーボンゲル100重量部に対して金属微粒子の担持量が0.1〜70重量部程度であることが好ましい。   The average particle size of the metal fine particles in the carbon gel composite material of the present invention is not particularly limited, but is preferably 10 nm or less, and more preferably 1 to 5 nm. Further, the amount of the metal fine particles supported on the carbon gel in the carbon gel composite material of the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint that the metal fine particles show sufficient activity in the obtained carbon gel composite material. It is preferable that the supported amount of metal fine particles is about 0.1 to 70 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the gel.

また、カーボンゲルに金属微粒子を担持せしめて本発明のカーボンゲル複合材料を得る方法も特に制限されないが、例えば以下の方法が好適に採用される。すなわち、先ず、前記金属微粒子を構成する金属(好ましくは金属塩)の溶液を調製する。次に、カーボンゲル及び前記金属溶液を含有する懸濁液を調製し、十分に攪拌混合した後、還元剤を加え、カーボンゲル表面上に金属を還元析出せしめることにより金属微粒子が担持された本発明のカーボンゲル複合材料が得られる。   In addition, the method for obtaining the carbon gel composite material of the present invention by supporting metal fine particles on the carbon gel is not particularly limited, but for example, the following method is preferably employed. That is, first, a solution of a metal (preferably a metal salt) constituting the metal fine particles is prepared. Next, a suspension containing the carbon gel and the metal solution is prepared, mixed thoroughly, and then added with a reducing agent to reduce and deposit metal on the surface of the carbon gel, thereby supporting the metal fine particles. The inventive carbon gel composite material is obtained.

ここで用いられる溶媒としては、前記金属(好ましくは金属塩)を溶解するものであればよく、特に制限されないが、水を用いることが好ましい。また、前記還元剤も特に制限されず、過酸化水素、水素化ホウ素ナトリウム等の水素化合物、次亜リン酸化合物等のリン化合物、硫化ナトリウム等のイオウ化合物、水和ヒドラジン等のヒドラジン誘導体等、従来公知の還元剤を適宜選択して使用することができる。   The solvent used here is not particularly limited as long as it dissolves the metal (preferably metal salt), but water is preferably used. Also, the reducing agent is not particularly limited, hydrogen compounds such as hydrogen peroxide and sodium borohydride, phosphorus compounds such as hypophosphorous acid compounds, sulfur compounds such as sodium sulfide, hydrazine derivatives such as hydrated hydrazine, etc. A conventionally known reducing agent can be appropriately selected and used.

上記懸濁液における金属の濃度は特に制限されないが、0.01〜100mM程度とすることが好ましい。また、上記懸濁液におけるカーボンゲルの濃度も特に制限されないが、0.01〜50mg/ml程度とすることが好ましい。   The concentration of the metal in the suspension is not particularly limited, but is preferably about 0.01 to 100 mM. The concentration of the carbon gel in the suspension is not particularly limited, but is preferably about 0.01 to 50 mg / ml.

前記懸濁液中の金属をカーボンゲルに担持せしめる際の吸着方法や条件等に特に制限はなく、例えば、前記懸濁液を20〜100℃程度で所定時間撹拌することによって金属をカーボンゲルに担持させることができる。また、上記担持工程の後に、更に、遠心分離等を行ってカーボンゲル複合材料を溶液と分離して取り出す工程を有していてもよく、また、乾燥等を行って液体成分を除去した状態のカーボンゲル複合材料を得る工程を有していてもよい。さらに、カーボンゲル複合材料に担持された金属を還元せしめる方法及び条件等も特に制限はなく、例えば、カーボンゲル複合材料を水素気流中で150〜300℃程度で所定時間還元せしめる方法が好適に採用される。   There is no particular limitation on the adsorption method and conditions when the metal in the suspension is supported on the carbon gel. For example, the metal is made into the carbon gel by stirring the suspension at about 20 to 100 ° C for a predetermined time. It can be supported. In addition, after the supporting step, there may be a step of further separating the carbon gel composite material from the solution by performing a centrifugal separation or the like, and a state in which the liquid component is removed by drying or the like. You may have the process of obtaining a carbon gel composite material. Furthermore, there is no particular limitation on the method and conditions for reducing the metal supported on the carbon gel composite material. For example, a method of reducing the carbon gel composite material in a hydrogen stream at about 150 to 300 ° C. for a predetermined time is suitably employed. Is done.

次に、前記金属が金属イオンの状態で担持されているカーボンゲル複合材料について説明する。この場合に用いられる金属イオンとしては、炭素骨格中の窒素原子と配位結合を形成することが可能な金属イオンであればよく、Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Cu、Ti、Zn及びVからなる群から選択される少なくとも一つの金属が好ましい。   Next, a carbon gel composite material in which the metal is supported in the form of metal ions will be described. The metal ion used in this case may be any metal ion capable of forming a coordination bond with the nitrogen atom in the carbon skeleton, and Fe, Ni, Cr, Mn, Co, Cu, Ti, Zn, and At least one metal selected from the group consisting of V is preferred.

本発明のカーボンゲル複合材料においてカーボンゲルに担持されている金属イオンの量は特に制限されないが、得られるカーボンゲル複合材料において金属イオンが十分な活性を示すようになるという観点から、カーボンゲル100重量部に対して金属イオンの担持量が0.1〜50重量部程度であることが好ましい。   The amount of the metal ion supported on the carbon gel in the carbon gel composite material of the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint that the metal ion becomes sufficiently active in the obtained carbon gel composite material, the carbon gel 100 It is preferable that the supported amount of metal ions is about 0.1 to 50 parts by weight with respect to parts by weight.

また、カーボンゲルに金属イオンを担持せしめて本発明のカーボンゲル複合材料を得る方法も特に制限されないが、例えば以下の方法が好適に採用される。すなわち、先ず、前記金属(好ましくは金属塩)を溶媒に溶解させた溶液を調製する。次に、その溶液にカーボンゲルを懸濁させ、溶液中の金属イオンをカーボンゲルに担持せしめて本発明のカーボンゲル複合材料が得られる。   Further, the method for obtaining the carbon gel composite material of the present invention by loading metal ions on the carbon gel is not particularly limited, but for example, the following method is preferably employed. That is, first, a solution in which the metal (preferably a metal salt) is dissolved in a solvent is prepared. Next, the carbon gel is suspended in the solution, and the metal ions in the solution are supported on the carbon gel to obtain the carbon gel composite material of the present invention.

ここで用いられる溶媒は、金属(好ましくは金属塩)を溶解させることが可能なものであればよく、特に制限されないが、例えば、酢酸、水、エチレングリコール、DMSO、DMF等が挙げられる。   The solvent used here is not particularly limited as long as it can dissolve a metal (preferably a metal salt), and examples thereof include acetic acid, water, ethylene glycol, DMSO, and DMF.

上記溶液における金属の濃度は特に制限されないが、0.01〜100mM程度とすることが好ましい。また、上記溶液にカーボンゲルを分散させる際の濃度は特に制限されないが、0.01〜100mg/ml程度とすることが好ましい。   The concentration of the metal in the solution is not particularly limited, but is preferably about 0.01 to 100 mM. Moreover, the concentration when the carbon gel is dispersed in the solution is not particularly limited, but is preferably about 0.01 to 100 mg / ml.

金属イオンをカーボンゲルに担持させる際の吸着方法や条件等は特に制限はなく、例えば、溶液中にカーボンゲルを投入し、好ましくは減圧下で25〜200℃程度で所定時間撹拌することによって金属イオンをカーボンゲルに担持させることができる。また、上記担持工程の後に、遠心分離等を行ってカーボンゲル複合材料を溶液と分離して取り出す工程を有していてもよく、また、乾燥等を行って液体成分を除去した状態のカーボンゲル複合材料を得る工程を有していてもよく、更に、カーボンゲル複合材料を不活性雰囲気(例えばAr)中で400〜1000℃程度で所定時間熱処理せしめる工程を有していてもよい。   There is no particular limitation on the adsorption method and conditions when the metal ions are supported on the carbon gel. For example, the metal gel is charged into the solution and preferably stirred at a temperature of about 25 to 200 ° C. for a predetermined time under reduced pressure. Ions can be supported on the carbon gel. In addition, after the supporting step, there may be a step of performing centrifugation or the like to separate the carbon gel composite material from the solution and taking it out, and the carbon gel in a state where the liquid component is removed by drying or the like You may have the process of obtaining a composite material, and also may have the process of heat-processing a carbon gel composite material at about 400-1000 degreeC for about predetermined time in inert atmosphere (for example, Ar).

本発明のカーボンゲル複合材料の使用方法は特に制限されず、例えば、触媒担体等の様々な用途においてその一般的な使用方法で適用することが可能である。   The method of using the carbon gel composite material of the present invention is not particularly limited, and for example, it can be applied by a general method of use in various applications such as a catalyst carrier.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(合成例1〜4)
先ず、R.W.Pekala et al., J.Non-cryst.Solids, vol.145, p.90(1992)に記載の方法に準じて有機ゲルを合成した。すなわち、レゾルシノール5.5g(和光純薬)及び炭酸ナトリウム26.5mg(和光純薬)を蒸留水16.9gに溶解し、その後37%ホルムアルデヒド水溶液8.1g(和光純薬)を加え、攪拌混合した。混合溶液は薄黄色透明となった。なお、上記各成分のモル比は以下の通りである。
レゾルシノール:炭酸ナトリウム:ホルムアルデヒド=200:1:400。
(Synthesis Examples 1-4)
First, an organic gel was synthesized according to the method described in RWPekala et al., J. Non-cryst. Solids, vol. 145, p. 90 (1992). Specifically, 5.5 g of Resorcinol (Wako Pure Chemical Industries) and 26.5 mg of sodium carbonate (Wako Pure Chemical Industries) were dissolved in 16.9 g of distilled water, and then 8.1 g of 37% formaldehyde aqueous solution (Wako Pure Chemical Industries) was added and mixed by stirring. did. The mixed solution became light yellow and transparent. In addition, the molar ratio of each said component is as follows.
Resorcinol: sodium carbonate: formaldehyde = 200: 1: 400.

続いて、上記で調製した混合溶液を更に水で希釈することにより、細孔径を制御しつつ有機ゲルを得た。すなわち、上記で調製した混合溶液と共に、それを更に水で3〜12倍(体積比)に希釈した溶液を調製し(合成例1:希釈なし、合成例2:希釈倍率3倍、合成例3:希釈倍率6倍、合成例4:希釈倍率12倍)、これらの溶液をバイアル瓶に入れて密栓し、室温で24時間、50℃で24時間、更に90℃で72時間静置することで、水和された有機ゲルを得た。   Subsequently, an organic gel was obtained while controlling the pore diameter by further diluting the mixed solution prepared above with water. That is, together with the mixed solution prepared above, a solution obtained by further diluting it with water 3 to 12 times (volume ratio) was prepared (Synthesis Example 1: No dilution, Synthesis Example 2: Dilution factor 3 times, Synthesis Example 3). : 6 times dilution ratio, Synthesis Example 4: 12 times dilution ratio), these solutions were put in a vial and sealed, and allowed to stand at room temperature for 24 hours, at 50 ° C. for 24 hours, and at 90 ° C. for 72 hours. A hydrated organic gel was obtained.

次に、上記で得られた有機ゲルを、以下のようにして乾燥せしめた。すなわち、先ず、有機ゲル中の水分を除去するために交換溶媒であるアセトン(和光純薬)中に、水和された有機ゲルを浸漬した。有機ゲル中の水分がアセトン中に拡散することで、有機ゲル中の水分は完全にアセトンに置換された。この際、置換溶媒であるアセトンを数度にわたり、新品と交換することにより、さらに水分の置換率が向上した。続いて、浸漬溶媒をn−ペンタン(和光純薬)に変更し、上記と同様にして有機ゲル中のアセトンがn−ペンタンに完全に入れ替わるまで、溶媒交換−浸漬の処理を繰り返した。そして、n−ペンタンに溶媒置換された有機ゲルを風乾することで、乾燥有機ゲルを得た。   Next, the organic gel obtained above was dried as follows. That is, first, a hydrated organic gel was immersed in acetone (Wako Pure Chemicals) as an exchange solvent in order to remove moisture in the organic gel. The water in the organic gel diffused into acetone, so that the water in the organic gel was completely replaced with acetone. At this time, the substitution rate of water was further improved by exchanging acetone as a substitution solvent several times with a new one. Subsequently, the immersion solvent was changed to n-pentane (Wako Pure Chemical Industries), and the solvent exchange-immersion process was repeated until the acetone in the organic gel was completely replaced with n-pentane in the same manner as described above. And the dried organic gel was obtained by air-drying the organic gel solvent-substituted by n-pentane.

次いで、上記で得られた乾燥有機ゲルを以下のようにして炭素化せしめてカーボンゲルを得た。すなわち、乾燥有機ゲルを、窒素気流下(流量300ml/min)、1000℃で加熱することで、有機ゲルを炭素化せしめた。なお、その際の加熱時間は6時間とした。   Next, the dried organic gel obtained above was carbonized as follows to obtain a carbon gel. That is, the organic gel was carbonized by heating the dried organic gel at 1000 ° C. under a nitrogen stream (flow rate 300 ml / min). The heating time at that time was 6 hours.

(比較合成例1)
以下のようにして、1次元細孔型メソポーラスカーボン(MPC)を合成した。すなわち、先ず、トリブロックコポリマー(Pluonic P123)4gを30mlの水に加え、3時間撹拌して均一溶液を得た。これに120mlの2M HCl水溶液を加え、更に2時間撹拌した。この溶液に9gのオルト珪酸テトラエチルを加え、313Kにて24時間撹拌した。撹伴終了後、373Kにて48時間静置することにより、固形分が析出した。
(Comparative Synthesis Example 1)
One-dimensional fine pore mesoporous carbon (MPC) was synthesized as follows. That is, first, 4 g of a triblock copolymer (Pluonic P123) was added to 30 ml of water and stirred for 3 hours to obtain a uniform solution. 120 ml of 2M HCl aqueous solution was added thereto, and the mixture was further stirred for 2 hours. 9 g of tetraethyl orthosilicate was added to this solution and stirred at 313 K for 24 hours. After the stirring was completed, the solid content was precipitated by allowing to stand at 373 K for 48 hours.

次に、生成した固形分をろ過し、さらにイオン交換水で充分に洗浄した後に、空気中で373Kにて乾燥を行なった。さらに、得られた乾燥試料を空気中で823Kで焼成することによって有機物(P123)を分解除去し、細孔鋳型となるシリカメソ多孔体(SBA−15)を得た。   Next, the produced solid content was filtered, further washed thoroughly with ion exchange water, and then dried in air at 373K. Further, the organic material (P123) was decomposed and removed by firing the obtained dried sample in air at 823 K, to obtain a silica mesoporous material (SBA-15) serving as a pore template.

次いで、上記で得られたシリカメソ多孔体(SBA−15)1gに、5gの水に溶解したスクロース1.25gと硫酸0.14gを加えて混合し、373Kで6時間、更に433Kで6時間加熱した。硫酸の脱水作用により、スクロースの一部が炭化され、茶褐色の粉末が得られた。この反応物に、更に5gの水に溶解したスクロース0.3gと硫酸0.03gを加えて混合し、先の操作と同様に373Kで6時間、更に433Kで6時間加熱した。得られた粉末を窒素気流下、1173Kで加熱することにより、細孔内に存在するスクロースを完全に炭素化せしめた。   Next, 1.25 g of sucrose dissolved in 5 g of water and 0.14 g of sulfuric acid were added to 1 g of the silica mesoporous material (SBA-15) obtained above and mixed, and heated at 373 K for 6 hours and further at 433 K for 6 hours. did. Due to the dehydration action of sulfuric acid, a part of sucrose was carbonized and a brown powder was obtained. To this reaction product, 0.3 g of sucrose dissolved in 5 g of water and 0.03 g of sulfuric acid were added and mixed, and heated at 373 K for 6 hours and further at 433 K for 6 hours as in the previous operation. The obtained powder was heated at 1173 K under a nitrogen stream to completely carbonize sucrose present in the pores.

このようにして得られたシリカメソ多孔体炭素複合体を、室温下、5wt%のフッ酸で処理することにより、シリカ成分のみを溶解せしめ、1次元細孔型メソポーラスカーボン(MPC)を得た。   The silica mesoporous carbon composite thus obtained was treated with 5 wt% hydrofluoric acid at room temperature to dissolve only the silica component to obtain one-dimensional pore mesoporous carbon (MPC).

<X線回折測定(XRD)>
合成例1〜4で得られたカーボンゲル及び比較合成例1で得られたメソポーラスカーボンについてX線回折を測定したところ、合成例1〜4で得られたカーボンゲルにおいてはスキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)におけるX線回折ピークは確認されなかった。このことから、合成例1〜4で得られたカーボンゲルにおいては細孔が周期的配列構造を有しておらず、細孔が相互連結した構造になっており、3次元的なネットワーク構造を有していることが確認された。
<X-ray diffraction measurement (XRD)>
When X-ray diffraction was measured for the carbon gels obtained in Synthesis Examples 1 to 4 and the mesoporous carbon obtained in Comparative Synthesis Example 1, the scan regions 2θ = 0. An X-ray diffraction peak at 5 to 10 ° (CuK α- ray) was not confirmed. Therefore, in the carbon gels obtained in Synthesis Examples 1 to 4, the pores do not have a periodic arrangement structure, but the pores are interconnected, and a three-dimensional network structure is obtained. It was confirmed to have.

これに対し、比較合成例1で得られたメソポーラスカーボンにおいては、2θ=0.96°に主ピーク、さらに1.68°、1.94°に弱いピークが観察された。これらのピークは2次元ヘキサゴナル構造(p6mm)に由来するピークであり、それぞれ(100)、(110)、(200)回折によるものである。それぞれのピークのd値は9.1、5.2、4.6nmとなる。またこれらのX線回折ピークは、鋳型であるSBA−15にも観察されたことから、比較合成例1で得られたメソポーラスカーボンにおいてはSBA−15の細孔構造が反映されていることが確認された。2次元ヘキサゴナル構造はシリンダー細孔の配列から形成されていることが知られており、このことから、SBA−15の細孔構造を反映した比較合成例1で得られたメソポーラスカーボンは1次元細孔を有していることが確認された。   On the other hand, in the mesoporous carbon obtained in Comparative Synthesis Example 1, a main peak was observed at 2θ = 0.96 °, and weak peaks were observed at 1.68 ° and 1.94 °. These peaks are derived from a two-dimensional hexagonal structure (p6 mm), and are due to (100), (110), and (200) diffraction, respectively. The d value of each peak is 9.1, 5.2, 4.6 nm. In addition, since these X-ray diffraction peaks were also observed in SBA-15 as a template, it was confirmed that the mesoporous carbon obtained in Comparative Synthesis Example 1 reflects the pore structure of SBA-15. It was done. It is known that the two-dimensional hexagonal structure is formed from an array of cylinder pores. Therefore, the mesoporous carbon obtained in Comparative Synthesis Example 1 reflecting the pore structure of SBA-15 is one-dimensional fine. It was confirmed to have holes.

<細孔径分布等の測定>
合成例1〜4で得られたカーボンゲルについて窒素吸脱着測定を行い、得られた窒素吸脱着等温線に基づいてカーボンゲルの細孔径分布を求めた。得られた結果は図1に示す通りであり、合成例1〜4で得られたカーボンゲルの細孔径は2〜15nmの範囲に存在しており、またその分布形状から、いずれのカーボンゲルも分布ピークトップの細孔径値に対し、分布ピークトップの細孔径値が1nm以上10nm未満の範囲においては該細孔径値(d)に対してd±2nmの範囲に、また分布ピークトップの細孔径値が10nm以上50nm以下の範囲においては該細孔径値(D)に対して(0.75×D)〜(1.25×D)nmの範囲に全細孔容量の60%以上が含まれる細孔均一性の高いものであることが確認された。また、合成例1〜4で得られたカーボンゲルの分布ピークトップの細孔径値及び一次粒子の平均粒径は表1に示す通りであった。
<Measurement of pore size distribution, etc.>
The carbon gel obtained in Synthesis Examples 1 to 4 was subjected to nitrogen adsorption / desorption measurement, and the pore size distribution of the carbon gel was determined based on the obtained nitrogen adsorption / desorption isotherm. The obtained results are as shown in FIG. 1, and the pore diameters of the carbon gels obtained in Synthesis Examples 1 to 4 exist in the range of 2 to 15 nm. When the pore size value of the distribution peak top is in the range of 1 nm or more and less than 10 nm with respect to the pore size value of the distribution peak top, the pore size value of the distribution peak top is in the range of d ± 2 nm with respect to the pore diameter value (d). When the value is in the range of 10 nm to 50 nm, 60% or more of the total pore volume is included in the range of (0.75 × D) to (1.25 × D) nm with respect to the pore diameter value (D). It was confirmed that the pores were highly uniform. Moreover, the pore diameter value of the distribution peak top and the average particle diameter of the primary particles of the carbon gels obtained in Synthesis Examples 1 to 4 were as shown in Table 1.

また、比較合成例1で得られたメソポーラスカーボンについても同様に細孔径分布を求めたところ、合成例2で得られたカーボンゲルと同様の形状であり、またその分布ピークトップの細孔径値は7.5nmであった。   Further, when the pore size distribution was similarly obtained for the mesoporous carbon obtained in Comparative Synthesis Example 1, it was the same shape as the carbon gel obtained in Synthesis Example 2, and the pore size value at the distribution peak top was It was 7.5 nm.

Figure 2006096653
Figure 2006096653

(実施例1及び比較例1〜2)
酵素として白色腐朽菌由来のマンガンペルオキシダーゼ(MnP、分子径6.8nm)を蒸留水に溶解し、酵素濃度が1mg/mlの酵素溶液を調製した。次に、多孔体として実施例1においては合成例2で得られたカーボンゲル、比較例1においては比較合成例1で得られたメソポーラスカーボン(MPC)を用い、各多孔体200mgに酵素溶液10mlをそれぞれ加え、4℃で緩やかに一晩混和して酵素を多孔体に固定化せしめた。このようにして酵素を固定した多孔体を遠心分離により酵素溶液から分離・回収し、5mlの蒸留水(洗浄液)で3回洗浄を繰り返した。
(Example 1 and Comparative Examples 1-2)
Manganese peroxidase (MnP, molecular diameter 6.8 nm) derived from white rot fungi as an enzyme was dissolved in distilled water to prepare an enzyme solution having an enzyme concentration of 1 mg / ml. Next, the carbon gel obtained in Synthesis Example 2 was used as the porous body in Example 1, and the mesoporous carbon (MPC) obtained in Comparative Synthesis Example 1 was used in Comparative Example 1. Each was added gently at 4 ° C. overnight to immobilize the enzyme in the porous body. Thus, the porous body which fixed the enzyme was isolate | separated and collect | recovered from the enzyme solution by centrifugation, and washing | cleaning was repeated 3 times with 5 ml distilled water (washing liquid).

<酵素の固定化量及び漏出量の測定>
固定化前後の酵素溶液中の酵素量を280nmの吸光度により求め、その結果に基づいて得られた多孔体に固定化された酵素の量を算出した。また、上記の洗浄液中に漏出した酵素量も同様に測定した。得られた結果を表2に示す。
<Measurement of enzyme immobilization amount and leakage amount>
The amount of enzyme in the enzyme solution before and after immobilization was determined from the absorbance at 280 nm, and the amount of enzyme immobilized on the porous body obtained based on the result was calculated. Further, the amount of enzyme leaked into the cleaning solution was also measured in the same manner. The obtained results are shown in Table 2.

表2に示した結果から明らかな通り、合成例2で得られたカーボンゲル及び比較合成例1で得られたメソポーラスカーボンのいずれにも十分量の酵素(MnP)が固定化され、漏出量も同程度であった。   As is clear from the results shown in Table 2, a sufficient amount of enzyme (MnP) was immobilized on both the carbon gel obtained in Synthesis Example 2 and the mesoporous carbon obtained in Comparative Synthesis Example 1, and the leakage amount was It was about the same.

Figure 2006096653
Figure 2006096653

<固定化された酵素の熱安定性試験>
多孔体に固定化された酵素(MnP)(実施例1、比較例1)、並びに酵素溶液(比較例2)の熱安定性を以下のようにして評価した。すなわち、先ず、10mgの酵素を固定化した多孔体を0.5mlの50mMコハク酸緩衝液(pH=4.5)に懸濁せしめ、60℃で所定時間(30分又は60分)熱処理した後、氷中で十分冷却し、遠心分離により多孔体を回収した(実施例1、比較例1)。
<Thermal stability test of immobilized enzyme>
The thermal stability of the enzyme (MnP) immobilized on the porous body (Example 1, Comparative Example 1) and the enzyme solution (Comparative Example 2) was evaluated as follows. That is, first, after suspending 10 mg of the enzyme-immobilized porous body in 0.5 ml of 50 mM succinate buffer (pH = 4.5), heat treatment was performed at 60 ° C. for a predetermined time (30 minutes or 60 minutes). Then, it was sufficiently cooled in ice, and the porous body was recovered by centrifugation (Example 1, Comparative Example 1).

また、同様にMnPを1mg/mlの濃度で50mMコハク酸緩衝液(pH=4.5)に溶解した酵素溶液を準備し、この酵素溶液を60℃で熱処理した後、氷中で十分冷却した(比較例2)。   Similarly, an enzyme solution prepared by dissolving MnP in a 50 mM succinate buffer (pH = 4.5) at a concentration of 1 mg / ml was prepared, and the enzyme solution was heat-treated at 60 ° C. and then sufficiently cooled in ice. (Comparative example 2).

次に、これらの多孔体及び酵素溶液それぞれに、基質溶液(0.5mM MnSO、2mM シュウ酸ナトリウム、0.1mM H、25mM コハク酸緩衝液(pH=4.5))を1ml添加し、37℃で15分間撹拌した後、冷却し、上清の270nmの吸光度を測定することにより残存活性を求めた。なお、60℃での熱処理を施さなかった場合についても同様に測定し、熱処理前の活性に対する相対活性として残存活性を求めた。得られた結果を表3に示す。 Next, 1 ml of a substrate solution (0.5 mM MnSO 4 , 2 mM sodium oxalate, 0.1 mM H 2 O 2 , 25 mM succinate buffer (pH = 4.5)) is added to each of the porous body and the enzyme solution. The mixture was added and stirred at 37 ° C. for 15 minutes, then cooled, and the residual activity was determined by measuring the absorbance of the supernatant at 270 nm. In addition, it measured similarly also about the case where the heat processing at 60 degreeC was not performed, and calculated | required the residual activity as a relative activity with respect to the activity before heat processing. The obtained results are shown in Table 3.

表3に示した結果から明らかな通り、多孔体に固定化しなかった比較例2で得られた酵素溶液においては30分の熱処理により酵素は殆ど失活していたのに対し、合成例2で得られたカーボンゲル及び比較合成例1で得られたメソポーラスカーボンのいずれに固定化した場合も酵素の熱安定性は十分に高かった。   As is apparent from the results shown in Table 3, in the enzyme solution obtained in Comparative Example 2 that was not immobilized on the porous body, the enzyme was almost inactivated by heat treatment for 30 minutes, whereas in Synthesis Example 2, When immobilized on any of the obtained carbon gel and the mesoporous carbon obtained in Comparative Synthesis Example 1, the thermal stability of the enzyme was sufficiently high.

Figure 2006096653
Figure 2006096653

<固定化された酵素の比活性試験>
多孔体として実施例1においては合成例2で得られたカーボンゲル、比較例1においては比較合成例1で得られたメソポーラスカーボン(MPC)を用い、前記と同様にして50mgの酵素(MnP)を100mgの多孔体に固定化した試料を得た。次に、酵素を固定化した多孔体をガラスカラム(5mmφ)に充填し、基質溶液(0.5mM MnSO、2mM シュウ酸ナトリウム、0.1mM H、25mM コハク酸緩衝液(pH=4.5))を様々な流速で流下し、37℃で連続的に反応を行った。みかけの反応活性は1分間にカラムから流出された反応液中に含まれる反応生成物の量を270nmの吸光度で測定することにより評価した。得られた結果を図2に示す。
<Specific activity test of immobilized enzyme>
As the porous material, the carbon gel obtained in Synthesis Example 2 was used in Example 1, and the mesoporous carbon (MPC) obtained in Comparative Synthesis Example 1 was used in Comparative Example 1, and 50 mg of enzyme (MnP) was used in the same manner as described above. A sample was obtained by immobilizing to a 100 mg porous body. Next, the porous body on which the enzyme is immobilized is packed in a glass column (5 mmφ), and a substrate solution (0.5 mM MnSO 4 , 2 mM sodium oxalate, 0.1 mM H 2 O 2 , 25 mM succinate buffer (pH = 4.5)) was allowed to flow down at various flow rates, and the reaction was continuously performed at 37 ° C. The apparent reaction activity was evaluated by measuring the amount of the reaction product contained in the reaction solution flowing out from the column per minute by measuring the absorbance at 270 nm. The obtained results are shown in FIG.

図2に示した結果から明らかな通り、低流速域ではメソポーラスカーボンを用いた場合(比較例1)もカーボンゲルを用いた場合(実施例1)とほぼ同様の反応活性を示したが、基質の流下速度が上がるにしたがってメソポーラスカーボンを用いた場合(比較例1)は反応生成物量が徐々に減少した。一方、カーボンゲルを用いた場合(実施例1)は、この流速領域においても初期の活性が概ね維持され、活性に優れていることが確認された。   As is clear from the results shown in FIG. 2, in the low flow rate region, when mesoporous carbon was used (Comparative Example 1), the reaction activity was almost the same as when carbon gel was used (Example 1). In the case of using mesoporous carbon (Comparative Example 1) as the flow rate of the water increased, the amount of reaction product gradually decreased. On the other hand, when carbon gel was used (Example 1), it was confirmed that the initial activity was generally maintained even in this flow rate region and the activity was excellent.

なお、多孔体に固定化した酵素においては、酵素自体の活性に加えて、基質や反応物の細孔内での拡散が見かけの反応活性に大きく影響する。今回の試験では低流速域における活性がほぼ同様であったことから、固定化された酵素自体の活性はほぼ同等と考えられる。しかしながら、基質等の拡散が反応律速となる高流速域で見かけの活性に違いが見られたことから、メソポーラスカーボンにおいて形成される1次元細孔に比べ、カーボンゲルにおいて形成される3次元細孔の方が、高効率で基質や反応物の拡散が起こるため、カーボンゲルを用いた場合(実施例1)の方が高流速域における反応性が高かったと考えられる。   In addition, in the enzyme immobilized on the porous body, in addition to the activity of the enzyme itself, the diffusion of the substrate and the reactant in the pore greatly affects the apparent reaction activity. Since the activity in the low flow rate region was almost the same in this test, the activity of the immobilized enzyme itself is considered to be almost the same. However, since there was a difference in the apparent activity in the high flow rate region where the diffusion of the substrate and the like becomes the reaction rate limiting, the three-dimensional pores formed in the carbon gel compared to the one-dimensional pores formed in the mesoporous carbon. Since the diffusion of the substrate and the reactant occurs with higher efficiency, it is considered that the reactivity in the high flow rate region was higher when the carbon gel was used (Example 1).

(実施例2)
ヘキサヒドロキシ白金酸1.5gを水溶液に分散し、6%亜硫酸(HSO)水溶液を100ml投入して1時間攪拌した。その後、得られた分散液を120℃に加温したオイルバスに浸漬して残留亜硫酸を除去し、冷却してPt薬液(Pt濃度:4g/L)とした。
(Example 2)
Hexahydroxyplatinic acid (1.5 g) was dispersed in an aqueous solution, and 100 ml of a 6% aqueous sulfurous acid (H 2 SO 3 ) solution was added thereto and stirred for 1 hour. Thereafter, the obtained dispersion was immersed in an oil bath heated to 120 ° C. to remove residual sulfurous acid, and cooled to obtain a Pt chemical solution (Pt concentration: 4 g / L).

次に、合成例4で得られたカーボンゲル(比表面積:760m/g、細孔径分布:図3に示す、分布ピークトップの細孔径値:11.5nm)を3g秤量し、上記Pt薬液187mlを投入し、20%H水溶液を加えて120℃に加温したオイルバスに浸漬し、カーボンゲルにPtを担持せしめた。このようにしてPtを担持したカーボンゲルを、ろ過・乾燥・粉砕工程を経て水素気流中150〜500℃(好ましくは200〜400℃)で1〜3時間還元せしめ、Ptがカーボンゲルに担持されているPt/カーボンゲル触媒(A)を得た。 Next, 3 g of the carbon gel (specific surface area: 760 m 2 / g, pore size distribution: distribution peak top pore size value: 11.5 nm shown in FIG. 3) obtained in Synthesis Example 4 was weighed, and the above Pt chemical solution 187 ml was added, 20% H 2 O 2 aqueous solution was added and immersed in an oil bath heated to 120 ° C., and Pt was supported on the carbon gel. The carbon gel supporting Pt in this way is reduced in a hydrogen stream at 150 to 500 ° C. (preferably 200 to 400 ° C.) for 1 to 3 hours through filtration, drying and pulverization processes, and Pt is supported on the carbon gel. Pt / carbon gel catalyst (A) was obtained.

次いで、上記で得られたPt/カーボンゲル触媒(A)を秤量し、ポリマー含量5wt.%のNafion溶液(アルドリッチ社製、溶媒:エタノールと水との混合溶媒)と、触媒中のカーボンゲル重量とNafion溶液中のポリマー固形分の重量とが等しくなるように混合し、混練して触媒インク(A)を調製した。この触媒インク(A)を、テフロンシート(登録商標)上にPt量が0.3mg/cmとなるように塗布し、乾燥して触媒シート(A)を得た。そして、この触媒シート(A)をNafion112膜(デュポン社製、膜厚:約50μm)の片面に熱圧着した後、テフロンシートを剥離して、Nafion膜表面にカソード触媒層(cathode catalyst layer)を転写形成せしめた。 Subsequently, the Pt / carbon gel catalyst (A) obtained above was weighed, and the polymer content was 5 wt. % Nafion solution (manufactured by Aldrich, solvent: mixed solvent of ethanol and water), the carbon gel weight in the catalyst and the polymer solid weight in the Nafion solution are mixed and kneaded to obtain a catalyst. Ink (A) was prepared. This catalyst ink (A) was applied onto a Teflon sheet (registered trademark) so that the amount of Pt was 0.3 mg / cm 2 and dried to obtain a catalyst sheet (A). The catalyst sheet (A) is thermocompression bonded to one side of a Nafion 112 membrane (made by DuPont, film thickness: about 50 μm), the Teflon sheet is peeled off, and a cathode catalyst layer (cathode catalyst layer) is formed on the surface of the Nafion membrane. A transfer was formed.

一方、前記カーボンゲルの代わりにカーボンブラック(ライオン社製、Ketjen Black、比表面積:800m/g、細孔径分布:図3に示す)を用いたこと以外は前記Pt/カーボンゲル触媒(A)を得た方法と同様にして、Pt/カーボンブラック触媒(B)を調製した。次いで、前記Pt/カーボンゲル触媒(A)の代わりにこのPt/カーボンブラック触媒(B)を用いたことと、Pt量が0.1mg/cmとなるようにしたこと以外は前記触媒シート(A)を得た方法と同様にして、触媒シート(B)を得た。そして、上記Nafion112膜のカソード触媒層を転写した面とは反対の面に、前記カソード触媒層を得た方法と同様にして触媒シート(B)を転写し、アノード触媒層(anode catalyst layer)を形成せしめた。 On the other hand, the Pt / carbon gel catalyst (A) except that carbon black (manufactured by Lion, Ketjen Black, specific surface area: 800 m 2 / g, pore size distribution: shown in FIG. 3) was used instead of the carbon gel. A Pt / carbon black catalyst (B) was prepared in the same manner as in the method obtained. Next, the catalyst sheet (P) except that the Pt / carbon black catalyst (B) was used in place of the Pt / carbon gel catalyst (A) and that the Pt amount was 0.1 mg / cm 2. A catalyst sheet (B) was obtained in the same manner as in the method obtained from A). Then, the catalyst sheet (B) is transferred onto the surface of the Nafion 112 film opposite to the surface onto which the cathode catalyst layer has been transferred in the same manner as in the method for obtaining the cathode catalyst layer, and the anode catalyst layer is then transferred to the anode catalyst layer. Formed.

このようにして作製した電解質膜/電極接合体(Membrane-Electrode-Assembly、以下「MEA」という)を用いて、小型燃料電池(電極面積13cm)を作製した。 Using the electrolyte membrane / electrode assembly (Membrane-Electrode-Assembly, hereinafter referred to as “MEA”) produced in this manner, a small fuel cell (electrode area 13 cm 2 ) was produced.

(実施例3)
カーボンゲルとして、比表面積が640m/g、分布ピークトップの細孔径値が30nm、一次粒子の平均粒径が8.5nmのものを用いたこと以外は実施例2と同様にしてMEAを作製し、そのMEAを用いて小型燃料電池を作製した。なお、このカーボンゲルにおいてはスキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)におけるX線回折ピークは確認されなかった。
(Example 3)
An MEA was prepared in the same manner as in Example 2 except that a carbon gel having a specific surface area of 640 m 2 / g, a distribution peak top pore size value of 30 nm, and an average primary particle size of 8.5 nm was used. And the small fuel cell was produced using the MEA. In this carbon gel, an X-ray diffraction peak in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuK α ray) was not confirmed.

(比較例3)
前記カーボンゲルの代わりに、比較合成例1で得られたメソポーラスカーボン(比表面積:780m/g)を用いたこと以外は実施例2と同様にしてMEAを作製し、そのMEAを用いて小型燃料電池を作製した。
(Comparative Example 3)
An MEA was produced in the same manner as in Example 2 except that the mesoporous carbon (specific surface area: 780 m 2 / g) obtained in Comparative Synthesis Example 1 was used instead of the carbon gel, and the MEA was used to make a small size. A fuel cell was fabricated.

(比較例4)
カソード側の触媒として、前記Pt/カーボンゲル触媒(A)の代わりにPt/カーボンブラック触媒(B)を用いたこと以外は実施例2と同様にしてMEAを作製し、そのMEAを用いて小型燃料電池を作製した。
(Comparative Example 4)
An MEA was prepared in the same manner as in Example 2 except that the Pt / carbon black catalyst (B) was used instead of the Pt / carbon gel catalyst (A) as the cathode side catalyst, and the MEA was used to make a small size. A fuel cell was fabricated.

<小型燃料電池の発電特性>
実施例2〜3及び比較例3〜4で得られた小型燃料電池の放電試験を以下のようにして行った。すなわち、アノードガスとして露点75℃の純水素ガス(圧力0.15MPa、流量100mL/min)、カソードガスとして露点65℃の空気(圧力0.15MPa、流量500mL/min)を用い、電池温度80℃の条件下で発電実験を行い、放電電流と電池電圧との関係(I−V特性)を調べた。得られた結果を図4に示す。
<Power generation characteristics of small fuel cells>
The discharge test of the small fuel cell obtained in Examples 2-3 and Comparative Examples 3-4 was performed as follows. That is, pure hydrogen gas having a dew point of 75 ° C. as the anode gas (pressure 0.15 MPa, flow rate 100 mL / min), air having a dew point of 65 ° C. as the cathode gas (pressure 0.15 MPa, flow rate 500 mL / min), and a battery temperature of 80 ° C. A power generation experiment was conducted under the conditions of (1) and (4) the relationship between the discharge current and the battery voltage (IV characteristics) was examined. The obtained results are shown in FIG.

図4に示した結果から明らかな通り、本発明のカーボンゲル複合材料(実施例2〜3)を電極触媒とした燃料電池においては、比較例3〜4で得られた燃料電池に比べて高い電圧特性を示すことが確認された。このように本発明のカーボンゲル複合材料によって高い電圧特性が達成された要因として、本発明者らは以下のように推察する。   As is clear from the results shown in FIG. 4, the fuel cell using the carbon gel composite material of the present invention (Examples 2 to 3) as an electrode catalyst is higher than the fuel cells obtained in Comparative Examples 3 to 4. It was confirmed to show voltage characteristics. As described above, the present inventors infer that the high voltage characteristic is achieved by the carbon gel composite material of the present invention as follows.

(i)比較例3で用いたメソポーラスカーボンにおいては孔が1次元的な構造であるため、Nafionや燃料電池反応の生成水によって孔の入り口が塞がれた場合に酸素等の反応物質の供給が妨げられやすい。一方、本発明にかかるカーボンゲルは3次元的な細孔ネットワーク構造を有しているため、細孔閉塞の影響を受けにくい。   (i) Since the holes in the mesoporous carbon used in Comparative Example 3 have a one-dimensional structure, supply of reactants such as oxygen when the holes are blocked by Nafion or water generated in the fuel cell reaction Is easily disturbed. On the other hand, since the carbon gel according to the present invention has a three-dimensional pore network structure, it is not easily affected by pore blockage.

(ii)比較例4においてカーボンブラックを使用した場合、表面積の多くの部分を占めている1nm以下の細孔内にはPt触媒は基本的に担持されず、また担持されたとしてもNafionが進入することができないのでそのPtは有効に活用されない。そのため、同じ担体表面積のカーボンゲルを用いた場合に比べ、カーボンブラックを用いた場合は実質的なPtの表面積が小さくなり、電圧特性が低下する。   (ii) When carbon black is used in Comparative Example 4, the Pt catalyst is basically not supported in pores of 1 nm or less that occupy most of the surface area, and Nafion enters even if supported. Since Pt cannot be used, the Pt is not used effectively. Therefore, in comparison with the case of using a carbon gel having the same carrier surface area, when carbon black is used, the substantial surface area of Pt is reduced and the voltage characteristics are lowered.

(実施例4)
カーボンゲル(比表面積:680m/g、分布ピークトップの細孔径値:3nm、一次粒子の平均粒径:8.2nm)を秤量し、ナスフラスコに移した。次に、2.9mg/L濃度のCo−テトラフェニルポルフィリン(CoTPP)/トルエン溶液を調製し、上記カーボンゲル1gあたり400mLの前記溶液を上記ナスフラスコに投入した。そして、得られた分散液を50℃で湯浴させながら減圧して溶媒を除去し、さらに100℃で一晩乾燥させ、その後取り出して粉砕し、CoTPPがカーボンゲルに担持されているCoTPP/カーボンゲル(A)触媒を調製した。なお、このカーボンゲルにおいてはスキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)におけるX線回折ピークは確認されなかった。
Example 4
Carbon gel (specific surface area: 680 m 2 / g, distribution peak top pore size value: 3 nm, average primary particle size: 8.2 nm) was weighed and transferred to an eggplant flask. Next, a 2.9 mg / L concentration Co-tetraphenylporphyrin (CoTPP) / toluene solution was prepared, and 400 mL of the solution per 1 g of the carbon gel was charged into the eggplant flask. Then, the solvent is removed by reducing the pressure while the obtained dispersion is bathed in water at 50 ° C., further dried overnight at 100 ° C., then taken out and pulverized, and CoTPP / carbon in which CoTPP is supported on the carbon gel. A gel (A) catalyst was prepared. In this carbon gel, an X-ray diffraction peak in the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuK α ray) was not confirmed.

(実施例5)
カーボンゲルとして、合成例1で得られたカーボンゲル(比表面積:640m/g、分布ピークトップの細孔径値:5.2nm)を用いたこと以外は実施例4と同様にしてCoTPP/カーボンゲル(B)触媒を調製した。
(Example 5)
CoTPP / carbon was prepared in the same manner as in Example 4 except that the carbon gel obtained in Synthesis Example 1 (specific surface area: 640 m 2 / g, distribution peak top pore size value: 5.2 nm) was used as the carbon gel. A gel (B) catalyst was prepared.

(実施例6)
カーボンゲルとして、合成例4で得られたカーボンゲル(比表面積:760m/g、分布ピークトップの細孔径値:11.5nm)を用いたこと以外は実施例4と同様にしてCoTPP/カーボンゲル(C)触媒を調製した。
(Example 6)
CoTPP / carbon was used in the same manner as in Example 4 except that the carbon gel obtained in Synthesis Example 4 (specific surface area: 760 m 2 / g, distribution peak top pore size value: 11.5 nm) was used as the carbon gel. A gel (C) catalyst was prepared.

(比較例5)
前記カーボンゲルの代わりに、カーボンブラック(ライオン社製、Ketjen Black、比表面積:800m/g、細孔径分布:図3に示す)を用いたこと以外は実施例4と同様にしてCoTPP/カーボンブラック触媒を調製した。
(Comparative Example 5)
CoTPP / carbon was used in the same manner as in Example 4 except that carbon black (manufactured by Lion, Ketjen Black, specific surface area: 800 m 2 / g, pore size distribution: shown in FIG. 3) was used instead of the carbon gel. A black catalyst was prepared.

<酸素還元反応のモデル試験>
実施例4〜6及び比較例5で得られた各触媒をグラッシーカーボン電極(GC電極)上に分散付着させた電極(作用極)を作製し、以下のようにして酸素還元反応のモデル試験を行った。得られた結果を図5に示す。
<Model test of oxygen reduction reaction>
An electrode (working electrode) in which each catalyst obtained in Examples 4 to 6 and Comparative Example 5 was dispersed and adhered on a glassy carbon electrode (GC electrode) was prepared, and a model test of the oxygen reduction reaction was performed as follows. went. The obtained results are shown in FIG.

(1)モデル実験のセル構成
試験極:作用極は以下の手順で作製した。
(i)回転電極(GC電極の見かけの表面積:0.20cm)のGC面を鏡面に研磨した。
(ii)各触媒60mgと超純水10mlとを混合し、超音波で3分間分散処理した。
(iii)得られた懸濁液15μlをGC電極に滴下後、空気中80℃にて10分間乾燥した。
(iv)得られたGC電極上にさらにNafion/エタノール水溶液を滴下し、室温で15分間乾燥させた後、80℃にて30分間真空乾燥した。このときNafion塗布量は、乾燥ポリマ重量で3.2μg程度とした。
(v)得られたGC電極を炉外で自然放冷した後に装置に取り付けた。
対極:Pt板
参照極:RHE(可逆水素電極)。
(1) Cell configuration test electrode of model experiment: The working electrode was prepared by the following procedure.
(i) The GC surface of the rotating electrode (the apparent surface area of the GC electrode: 0.20 cm 2 ) was polished into a mirror surface.
(ii) 60 mg of each catalyst and 10 ml of ultrapure water were mixed and subjected to a dispersion treatment with ultrasonic waves for 3 minutes.
(iii) After 15 μl of the obtained suspension was dropped onto the GC electrode, it was dried in air at 80 ° C. for 10 minutes.
(iv) A Nafion / ethanol aqueous solution was further dropped onto the obtained GC electrode, dried at room temperature for 15 minutes, and then vacuum dried at 80 ° C. for 30 minutes. At this time, the Nafion coating amount was about 3.2 μg in terms of dry polymer weight.
(v) The obtained GC electrode was naturally cooled outside the furnace and then attached to the apparatus.
Counter electrode: Pt plate Reference electrode: RHE (reversible hydrogen electrode).

(2)モデル実験手順
(i)25°Cで一定とした水槽に、0.05M硫酸水溶液の電解液を入れた電解槽を浸した。
(ii)電解液をArのバブリングで脱気(約20分以上)した。
(iii)掃引速度:10mV/s、掃引範囲:50mV〜1000mV、電極回転数:1000rpmの条件下で、10往復電位を1サイクルとし、10往復目のボルタモグラムを記録した。
(iv)バブリングガスを酸素に切替え、30分以上ガス置換した。その後、(iii)と同様の条件下で電位掃引を繰り返した。
(v)Ar中でのボルタモグラムとの電流の差が還元側に0.2mA/cm以上になる電位を調べ、酸素飽和下での電位走査を始めてからの時間に対してプロットしていった。
(2) Model experiment procedure
(i) An electrolytic cell containing a 0.05M sulfuric acid aqueous solution was immersed in a constant water bath at 25 ° C.
(ii) The electrolyte was degassed by bubbling with Ar (about 20 minutes or more).
(iii) Sweep speed: 10 mV / s, sweep range: 50 mV to 1000 mV, electrode rotation speed: 1000 rpm, 10 reciprocation potentials were set to 1 cycle, and the 10th reciprocal voltammogram was recorded.
(iv) The bubbling gas was switched to oxygen and the gas was replaced for 30 minutes or more. Thereafter, the potential sweep was repeated under the same conditions as in (iii).
(v) The potential at which the current difference from the voltammogram in Ar becomes 0.2 mA / cm 2 or more on the reduction side was examined, and plotted against the time from the start of potential scanning under oxygen saturation. .

図5に示した結果から明らかな通り、テトラフェニルポルフィリン(TPP、平均分子径:約1nm)が入ることが可能な大きさの細孔が少ないカーボンブラックを用いた場合(比較例5)は触媒活性が時間とともに急速に低下していくが、本発明のカーボンゲル複合材料を用いた場合(実施例4〜6)は触媒活性の低下が抑制されることが確認された。また、錯体の平均分子径の1〜1.25倍程度の大きさの細孔を多く有するカーボンゲルを用いた場合(実施例4〜5)は、触媒活性の安定度がより向上することが確認された。   As is apparent from the results shown in FIG. 5, when carbon black having a small pore size capable of containing tetraphenylporphyrin (TPP, average molecular diameter: about 1 nm) is used (Comparative Example 5), a catalyst is used. Although the activity decreased rapidly with time, it was confirmed that when the carbon gel composite material of the present invention was used (Examples 4 to 6), the decrease in the catalyst activity was suppressed. Moreover, when the carbon gel which has many pores about 1 to 1.25 times the average molecular diameter of the complex is used (Examples 4 to 5), the stability of the catalytic activity may be further improved. confirmed.

以上説明したように、本発明によれば、タンパク質、金属錯体又は金属という成分を高い担持量で担持しておりかつ担持成分の安定性及び活性にも優れているカーボンゲル複合材料を得ることができる。したがって、本発明によれば、触媒等の様々な用途に対して有用なカーボンゲル複合材料を提供することが可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a carbon gel composite material that supports a component such as a protein, a metal complex, or a metal in a high loading amount and that is excellent in stability and activity of the loading component. it can. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a carbon gel composite material useful for various uses such as a catalyst.

合成例1〜4で得られたカーボンゲルの細孔径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the pore size distribution of the carbon gel obtained by the synthesis examples 1-4. 実施例1において得られたカーボンゲル複合材料と、比較例1において得られたメソポーラスカーボン複合材料との比活性を示すグラフである。4 is a graph showing specific activities of the carbon gel composite material obtained in Example 1 and the mesoporous carbon composite material obtained in Comparative Example 1. 実施例2で用いたカーボンゲル及びカーボンブラックの細孔径分布を示すグラフである。4 is a graph showing the pore size distribution of carbon gel and carbon black used in Example 2. 実施例2〜3及び比較例2〜3で得られた小型燃料電池の放電試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the discharge test of the small fuel cell obtained in Examples 2-3 and Comparative Examples 2-3. 実施例4〜6及び比較例5で得られた触媒についての酸素還元反応試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the oxygen reduction reaction test about the catalyst obtained in Examples 4-6 and Comparative Example 5.

Claims (8)

スキャン領域2θ=0.5〜10°(CuKα線)においてX線回折ピークが認められず、平均粒径が2〜50nmの一次粒子からなり、吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、分布ピークトップの細孔径値が1nm以上10nm未満の範囲に存在する場合には該細孔径値(d)に対してd±2nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれており、また分布ピークトップの細孔径値が10nm以上50nm以下の範囲に存在する場合には該細孔径値(D)に対して(0.75×D)〜(1.25×D)nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれるカーボンゲルと、
前記カーボンゲルに担持されているタンパク質、金属錯体及び金属からなる群から選択される少なくとも一つの担持成分と、
を備えることを特徴とするカーボンゲル複合材料。
In the scan region 2θ = 0.5 to 10 ° (CuK α- ray), no X-ray diffraction peak is observed, the average particle size is composed of primary particles of 2 to 50 nm, and the pore size distribution is calculated from the adsorption / desorption isotherm. When the pore diameter value at the distribution peak top is in the range of 1 nm or more and less than 10 nm, 60% or more of the total pore volume is included in the pore diameter region of d ± 2 nm with respect to the pore diameter value (d). In addition, when the pore size value of the distribution peak top is in the range of 10 nm or more and 50 nm or less, (0.75 × D) to (1.25 × D) nm with respect to the pore size value (D). A carbon gel containing 60% or more of the total pore volume in the pore diameter region of
At least one supporting component selected from the group consisting of protein, metal complex and metal supported on the carbon gel;
A carbon gel composite material comprising:
前記カーボンゲルの前記分布ピークトップの細孔径値が1〜20nmであることを特徴とする請求項1に記載のカーボンゲル複合材料。   The carbon gel composite material according to claim 1, wherein a pore diameter value of the distribution peak top of the carbon gel is 1 to 20 nm. 前記カーボンゲルの前記分布ピークトップの細孔径値が前記担持成分の平均分子径の1〜1.25倍であることを特徴とする請求項1又は2に記載のカーボンゲル複合材料。   The carbon gel composite material according to claim 1 or 2, wherein a pore diameter value of the distribution peak top of the carbon gel is 1 to 1.25 times an average molecular diameter of the supported component. 前記カーボンゲルの比表面積が100m2/g以上であることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載のカーボンゲル複合材料。 The carbon gel composite material according to claim 1, wherein a specific surface area of the carbon gel is 100 m 2 / g or more. 前記カーボンゲルの全細孔容量が0.1〜50ml/gであることを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか一項に記載のカーボンゲル複合材料。   The carbon gel composite material according to any one of claims 1 to 4, wherein the total pore volume of the carbon gel is 0.1 to 50 ml / g. 酸化還元酵素及び電子伝達タンパク質からなる群から選択される少なくとも一つのタンパク質が前記カーボンゲルに担持されていることを特徴とする請求項1〜5のうちのいずれか一項に記載のカーボンゲル複合材料。   The carbon gel composite according to any one of claims 1 to 5, wherein at least one protein selected from the group consisting of an oxidoreductase and an electron transfer protein is supported on the carbon gel. material. 前記カーボンゲルの少なくとも表面近傍が含窒素炭素からなるものであることを特徴とする請求項1〜6のうちのいずれか一項に記載のカーボンゲル複合材料。   The carbon gel composite material according to claim 1, wherein at least the vicinity of the surface of the carbon gel is made of nitrogen-containing carbon. 前記含窒素炭素における窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)が0.01〜0.4であることを特徴とする請求項7に記載のカーボンゲル複合材料。   The carbon gel composite material according to claim 7, wherein an atomic ratio (N / C) of nitrogen atoms to carbon atoms in the nitrogen-containing carbon is 0.01 to 0.4.
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