JP2006219322A - Monodisperse spherical carbon porous body - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a monodisperse spherical carbon porous body which is spherical, monodisperse and has radially-formed fine pores, and also to provide another monodisperse spherical carbon porous body in which noble metal particulates are supported and/or nitrogen is doped inside the above fine pores. <P>SOLUTION: The monodisperse spherical carbon porous body comprises a spherical carbon particulate having fine pores extending radially from its center to its surface, and has a monodisperse degree of ≤10%. Inside the carbon particulate, a noble metal particulate may be supported, or nitrogen may be doped. Such a monodisperse spherical carbon porous body is obtained by allowing a spherical monodisperse mesoporous silica with the radially-formed fine pores to adsorb an organic material being a carbon source, polymerizing and carbonizing the organic material, and then removing the mesoporous silica. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、単分散球状カーボン多孔体に関し、さらに詳しくは、吸着剤、触媒、触媒担体、電気二重層キャパシタ、センサー、電極等に用いられる単分散球状カーボン多孔体に関する。   The present invention relates to a monodispersed spherical carbon porous body, and more particularly to a monodispersed spherical carbon porous body used for an adsorbent, a catalyst, a catalyst carrier, an electric double layer capacitor, a sensor, an electrode and the like.

カーボン多孔体は、熱安定性、水熱安定性、化学的耐久性、脂溶性等に優れているので、吸着剤、燃料電池等の各種電気化学デバイス用の触媒担体、電気二重層キャパシタのエネルギー貯蔵材、液体クロマトグラフィー用充填剤等への応用が期待されている。特定の用途にカーボン多孔体を使用する場合において、高い性能を発現させるためには、カーボン多孔体の粒径、形状、細孔分布等を制御することが重要である。
従来、この種の用途には、主として、活性炭の使用が検討されていた。しかしながら、活性炭は、形状が不規則であり、細孔分布が広く、ミクロサイズの細孔の割合も多いという欠点がある。そのため、活性炭に代わるカーボン多孔体に関し、従来から種々の提案が為されている。
Since the carbon porous body is excellent in thermal stability, hydrothermal stability, chemical durability, fat solubility, etc., the energy of catalyst carriers for various electrochemical devices such as adsorbents and fuel cells, and energy of electric double layer capacitors Application to storage materials, packing materials for liquid chromatography, etc. is expected. In the case of using a carbon porous body for a specific application, it is important to control the particle size, shape, pore distribution and the like of the carbon porous body in order to develop high performance.
Conventionally, the use of activated carbon has been mainly studied for this type of application. However, activated carbon has the disadvantages of irregular shape, wide pore distribution, and a large proportion of micro-sized pores. For this reason, various proposals have conventionally been made regarding carbon porous bodies instead of activated carbon.

例えば、特許文献1には、球状セルロースを脱水縮合(予備炭化)し、2000℃以上で炭化焼成することにより得られる球状多孔性炭素粒子が開示されている。同文献には、このような方法により、平均粒径が6〜25μm、比表面積が52〜375μmであるグラファイト化された球状多孔性炭素粒子が得られる点、及び、グラファイト化された炭素粒子の方が優れた液体クロマトグラフィー用充填剤として機能する点が記載されている。   For example, Patent Document 1 discloses spherical porous carbon particles obtained by dehydrating condensation (preliminary carbonization) of spherical cellulose and carbonizing and firing at 2000 ° C. or higher. According to this document, by such a method, graphitized spherical porous carbon particles having an average particle diameter of 6 to 25 μm and a specific surface area of 52 to 375 μm can be obtained. It describes that it functions as a better packing material for liquid chromatography.

また、特許文献2には、
(1)メソポーラスシリカ(例えば、AlMCM−48など)の細孔内にフルフリルアルコールを吸着させ、
(2)これを140℃で2時間加熱し、フルフリルアルコールを重合させ、
(3)これをさらに真空中において900℃で加熱することにより、フルフリルアルコールを熱分解させ、
(4)得られた複合体からメソーポーラスシリカをNaOH水溶液で除去する、
カーボンモレキュラーシーブの製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、直径が均一であり、かつ、細孔が規則配列したカーボンモレキュラーシーブが得られる点が記載されている。
Patent Document 2 discloses that
(1) Adsorbing furfuryl alcohol in the pores of mesoporous silica (for example, AlMCM-48),
(2) This is heated at 140 ° C. for 2 hours to polymerize furfuryl alcohol,
(3) By further heating this at 900 ° C. in vacuum, the furfuryl alcohol is thermally decomposed,
(4) removing mesoporous silica from the obtained composite with an aqueous NaOH solution;
A method for producing a carbon molecular sieve is disclosed.
This document describes that a carbon molecular sieve having a uniform diameter and regularly arranged pores can be obtained by such a method.

また、非特許文献1には、
(1)メソ構造を有するシリカにフルフリルアルコールを含浸させ、
(2)これをN中において353Kで2時間加熱し、フルフリルアルコールを重合させ、
(3)これをさらにN中において1073Kで1時間加熱し、
(4)得られたカーボン・シリカ複合体に48%HFを加えてテンプレートを除去する、
メソポーラスカーボンの製造方法が開示されている。
同文献には、メソポーラスシリカを合成する場合において攪拌条件を変えると、2〜8μmの多分散球状粒子、0.2〜0.5μmのサブミクロン粒子の凝集体、又は、10〜20nmのナノ粒子の凝集体からなるメソポーラスシリカが得られる点、及び、これをテンプレートに用いると、メソポーラスシリカの形状を保持したメソポーラスカーボンが得られる点が記載されている。
Non-Patent Document 1 includes
(1) impregnating silica having a mesostructure with furfuryl alcohol;
(2) This is heated in N 2 at 353 K for 2 hours to polymerize furfuryl alcohol,
(3) This was further heated in N 2 at 1073 K for 1 hour,
(4) 48% HF is added to the obtained carbon-silica composite to remove the template.
A method for producing mesoporous carbon is disclosed.
In the same document, when synthesizing mesoporous silica, if the stirring conditions are changed, 2-8 μm polydispersed spherical particles, 0.2-0.5 μm submicron particle aggregates, or 10-20 nm nanoparticles It describes that mesoporous silica composed of agglomerates can be obtained, and that when this is used as a template, mesoporous carbon retaining the shape of mesoporous silica can be obtained.

さらに、非特許文献2には、金属ナトリウム及びポリテトラフルオロエチレン粉末をステンレス鋼製容器に入れ、これにさらにベンゼンを加え、ステンレス鋼製容器を250℃で24時間加熱する球状カーボンの製造方法が開示されている。同文献には、このような方法により、直径300〜400nmの繊維の凝集体からなる球状カーボンが得られる点が記載されている。   Furthermore, Non-Patent Document 2 discloses a method for producing spherical carbon in which metallic sodium and polytetrafluoroethylene powder are placed in a stainless steel container, benzene is further added thereto, and the stainless steel container is heated at 250 ° C. for 24 hours. It is disclosed. This document describes that a spherical carbon composed of an aggregate of fibers having a diameter of 300 to 400 nm can be obtained by such a method.

特許第2989201号公報Japanese Patent No. 2989201 米国特許第6,585,948号公報US Pat. No. 6,585,948 A.B.Fuertes, J.Mater.Chem., 2003, 13, 3085-3088A.B.Fuertes, J.Mater.Chem., 2003, 13, 3085-3088 Y.Ni et al., Chem.Lett., 2004, 33, 494-495Y.Ni et al., Chem. Lett., 2004, 33, 494-495

各種電気化学デバイスに使用するカーボン多孔体は、充填性が高い方が好ましい。そのためには、カーボン多孔体は、球状で、かつ、単分散であることが望ましい。
また、カーボン多孔体を触媒担体等に使用する場合において、高活性を得るためには、これに担持される触媒表面への反応物質や電子の供給を容易化する必要がある。そのためには、細孔構造は、できるだけ単純であること、すなわち、細孔が球の表面から中心部まで最短距離で連結していること、例えば、細孔が球の中心から表面に向かって放射状に形成されていることが好ましい。
The carbon porous body used for various electrochemical devices preferably has a high filling property. For that purpose, the carbon porous body is preferably spherical and monodispersed.
In addition, when a carbon porous body is used as a catalyst carrier or the like, in order to obtain high activity, it is necessary to facilitate the supply of reactants and electrons to the catalyst surface supported by the carbon porous body. To that end, the pore structure should be as simple as possible, i.e. the pores are connected at the shortest distance from the surface of the sphere to the center, e.g., the pores are radial from the center of the sphere toward the surface. It is preferable to be formed.

また、カーボン多孔体に担持される触媒には、一般に、貴金属が用いられる。貴金属は、極めて高価であるので、高い性能を有する電気化学デバイスを低コストで製造するためには、少量の触媒担持量で高活性を発現させる必要がある。そのためには、担持される貴金属粒子の粒径は、小さいほど良い。
さらに、カーボン多孔体に窒素をドープさせると、吸着特性が変わる。高い充填性を有し、細孔が放射状に形成され、かつ、種々の吸着特性を有するカーボン多孔体を合成するためには、粒子形状、細孔構造等を維持したまま、窒素ドープ量を制御する必要がある。
しかしながら、球状単分散で、かつ、細孔が放射状に形成されたカーボン多孔体、並びに、このような構造を有するカーボン多孔体であって、その内部に貴金属微粒子が担持されたもの、及び/又は、窒素がドープされたものが製造された例は、従来にはない。
Moreover, a noble metal is generally used for the catalyst supported on the carbon porous body. Since noble metals are extremely expensive, in order to produce an electrochemical device having high performance at low cost, it is necessary to develop high activity with a small amount of catalyst supported. For that purpose, the smaller the particle size of the noble metal particles supported, the better.
Furthermore, when the carbon porous body is doped with nitrogen, the adsorption characteristics change. In order to synthesize a porous carbon body with high filling properties, pores formed radially, and various adsorption properties, the nitrogen doping amount is controlled while maintaining the particle shape, pore structure, etc. There is a need to.
However, a spherical carbon monodispersed porous carbon body having pores formed radially, and a carbon porous body having such a structure, in which noble metal fine particles are supported, and / or There is no example in which a material doped with nitrogen is produced.

本発明が解決しようとする課題は、球状単分散で、かつ、細孔が放射状に形成された単分散球状カーボン多孔体を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、球状単分散で、細孔が放射状に形成され、かつ、その内部に貴金属微粒子が担持され、及び/又は、窒素がドープされた単分散球状カーボン多孔体を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a monodispersed spherical carbon porous body that is spherically monodispersed and has pores formed radially.
Another problem to be solved by the present invention is spherical monodisperse, monodisperse spherical particles in which pores are formed radially and noble metal fine particles are supported therein and / or nitrogen is doped. The object is to provide a carbon porous body.

上記課題を解決するために本発明に係る単分散球状カーボン多孔体は、球状のカーボン粒子からなり、その内部に中心から表面に向かって放射状に伸びる細孔を有し、かつ、単分散度が10%以下であることを要旨とする。単分散球状カーボン多孔体は、カーボン粒子の内部に貴金属微粒子が担持されているものでも良く、あるいは、カーボン粒子に窒素がドープされていても良い。   In order to solve the above problems, a monodispersed spherical carbon porous body according to the present invention comprises spherical carbon particles, has pores extending radially from the center toward the surface, and has a monodispersity. The gist is that it is 10% or less. The monodispersed spherical carbon porous body may be one in which noble metal fine particles are supported inside the carbon particles, or nitrogen may be doped into the carbon particles.

本発明に係る単分散球状カーボン多孔体は、粒子の形状が球状であり、かつ、単分散度が小さいので、これを用いて構造体を作製する場合、あるいは、カラムに充填する場合、カーボン粒子の充填密度を著しく向上させることができる。また、本発明に係る単分散球状カーボン多孔体は、放射状に伸びる細孔を有しているので、球内部への物質の拡散経路が短くなり、細孔の利用効率が向上する。   The monodispersed spherical carbon porous body according to the present invention has a spherical particle shape and a small monodispersity. Therefore, when producing a structure using this, or when filling a column, carbon particles The packing density of can be remarkably improved. In addition, since the monodispersed spherical carbon porous body according to the present invention has pores extending radially, the diffusion path of the substance into the sphere is shortened, and the utilization efficiency of the pores is improved.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。本発明に係る単分散球状カーボン多孔体は、球状のカーボン粒子からなり、その内部に中心から表面に向かって放射状に伸びる細孔を有し、かつ、単分散度が10%以下であることを特徴とする。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail. The monodispersed spherical carbon porous body according to the present invention comprises spherical carbon particles, has pores extending radially from the center toward the surface, and has a monodispersity of 10% or less. Features.

「球状」とは、同一条件下で製造された複数個(好ましくは、20個以上)の粒子を顕微鏡観察した場合において、各粒子の真球度の平均値が、13%以下であることをいう。また、「真球度」とは、各粒子の外形の真円からのずれの程度を表す指標であって、粒子の表面に接する最小の外接円の半径(r)に対する、外接円と粒子表面の各点との半径方向の距離の最大値(Δrmax)の割合(=Δrmax×100/r(%))で表される値をいう。高い充填性を得るためには、カーボン粒子の真球度は、小さいほど良い。後述する方法を用いると、真球度が7%以下、あるいは、3%以下であるカーボン粒子が得られる。 “Spherical” means that the average sphericity of each particle is 13% or less when a plurality of (preferably 20 or more) particles manufactured under the same conditions are observed with a microscope. Say. The “sphericity” is an index representing the degree of deviation of the outer shape of each particle from the perfect circle, and the circumscribed circle and the particle with respect to the radius (r 0 ) of the smallest circumscribed circle in contact with the particle surface. This is a value represented by the ratio (= Δr max × 100 / r 0 (%)) of the maximum value (Δr max ) of the distance in the radial direction from each point on the surface. In order to obtain a high filling property, the smaller the sphericity of the carbon particles, the better. When the method described later is used, carbon particles having a sphericity of 7% or less or 3% or less can be obtained.

カーボン粒子は、球の中心から表面に向かってカーボンロッドが枝分かれしつつ放射状に伸びる内部構造を有し、その隙間が、中心から表面に向かって放射状に伸びる細孔を形成している。細孔の利用効率を向上させるためには、放射状に伸びる細孔の割合は、高いほど良い。後述する方法を用いると、細孔の大部分がその中心から表面に向かって放射状に伸びているカーボン粒子が得られる。細孔が放射状に伸びているか否かは、透過型電子顕微鏡により直接、観察することができる。細孔の大部分が放射状に伸びているカーボン粒子を透過型電子顕微鏡で観察すると、粒子の外周付近に、放射状のコントラストを確認することができる。   The carbon particles have an internal structure in which carbon rods extend radially from the center of the sphere toward the surface, and the gaps form pores that extend radially from the center to the surface. In order to improve the utilization efficiency of pores, the higher the proportion of pores extending radially, the better. When the method described later is used, carbon particles in which most of the pores extend radially from the center toward the surface can be obtained. Whether or not the pores extend radially can be directly observed with a transmission electron microscope. When carbon particles in which most of the pores extend radially are observed with a transmission electron microscope, a radial contrast can be confirmed in the vicinity of the outer periphery of the particles.

「単分散」とは、次の(1)式で表される単分散度が、10%以下であることをいう。高い充填性を得るためには、単分散度は、小さいほど良い。後述する方法を用いると、単分散度が10%以下、あるいは、5%以下であるカーボン粒子が得られる。
単分散度=(粒子径の標準偏差/平均粒子径)×100(%) ・・・(1)
“Monodispersion” means that the degree of monodispersion represented by the following formula (1) is 10% or less. In order to obtain a high filling property, the smaller the monodispersity, the better. When the method described later is used, carbon particles having a monodispersity of 10% or less or 5% or less can be obtained.
Monodispersity = (standard deviation of particle diameter / average particle diameter) × 100 (%) (1)

本発明に係る単分散球状カーボン多孔体は、後述するように、球状メソ多孔体をテンプレートとして用いて合成される。そのため、単分散球状カーボン多孔体の平均粒径、比表面積、及び、細孔分布は、いずれも、使用するテンプレートでほぼ決まる。
具体的には、後述する方法を用いることによって、平均粒径が50nm以上2μm以下である単分散球状カーボン多孔体が得られる。また、その比表面積が1000m/g以上である単分散球状カーボン多孔体が得られる。さらに、その細孔分布が0.5nm以上2.0nm以下にピークを持つ単分散球状カーボン多孔体が得られる。
The monodispersed spherical carbon porous body according to the present invention is synthesized using a spherical mesoporous body as a template, as will be described later. Therefore, the average particle diameter, specific surface area, and pore distribution of the monodispersed spherical carbon porous body are almost determined by the template used.
Specifically, a monodispersed spherical carbon porous body having an average particle size of 50 nm or more and 2 μm or less is obtained by using the method described later. Moreover, the monodispersed spherical carbon porous body whose specific surface area is 1000 m < 2 > / g or more is obtained. Furthermore, a monodispersed spherical carbon porous body whose pore distribution has a peak at 0.5 nm or more and 2.0 nm or less is obtained.

本発明に係る単分散球状カーボン多孔体は、その内部に貴金属微粒子が担持されていても良い。貴金属微粒子とは、具体的には、Pt、Rh、Pd、Ru、Ir、Ag、Au等、又は、これらの合金からなる微粒子をいう。
貴金属微粒子の大きさは、テンプレートとして用いる球状メソ多孔体の細孔径でほぼ決まる。後述する方法を用いると、その粒径が5.0nm以下である貴金属微粒子を担持させた単分散球状カーボン多孔体が得られる。
また、単分散球状カーボン多孔体に担持させることが可能な貴金属微粒子の担持量の最大値は、テンプレートとして用いる球状メソ多孔体の細孔率(空隙率)でほぼ決まる。後述する方法を用いると、貴金属微粒子の担持量が80wt%以下である単分散球状カーボン多孔体が得られる。
The monodispersed spherical carbon porous body according to the present invention may have noble metal fine particles supported therein. Specifically, the noble metal fine particles are fine particles made of Pt, Rh, Pd, Ru, Ir, Ag, Au, or an alloy thereof.
The size of the noble metal fine particles is substantially determined by the pore diameter of the spherical mesoporous material used as the template. When a method described later is used, a monodispersed spherical carbon porous body carrying noble metal fine particles having a particle size of 5.0 nm or less can be obtained.
In addition, the maximum amount of the precious metal fine particles that can be supported on the monodispersed spherical carbon porous body is almost determined by the porosity (porosity) of the spherical mesoporous body used as a template. When a method described later is used, a monodispersed spherical carbon porous body having a precious metal fine particle loading of 80 wt% or less can be obtained.

さらに、本発明に係る単分散球状カーボン多孔体は、貴金属微粒子が担持されていることに加えて、又は、これに代えて、窒素がドープされていても良い。
窒素がドープされた単分散球状カーボン多孔体は、後述するように、炭素源として含窒素有機物を用いることにより合成することができる。窒素ドープ量は、含窒素有機物の種類及び量を制御することにより、調節することができる。
Furthermore, the monodispersed spherical carbon porous body according to the present invention may be doped with nitrogen in addition to or instead of supporting the noble metal fine particles.
The monodispersed spherical carbon porous body doped with nitrogen can be synthesized by using a nitrogen-containing organic substance as a carbon source, as will be described later. The nitrogen doping amount can be adjusted by controlling the type and amount of the nitrogen-containing organic substance.

次に、本発明に係る単分散球状カーボン多孔体を合成するためのテンプレートとして用いられる球状メソ多孔体の製造方法について説明する。
本発明に係る単分散球状カーボン多孔体は、シリカを含む球状メソ多孔体の細孔内に吸着させた炭素源を炭化させ、球状メソ多孔体を除去することにより得られる。そのため、所定の平均粒径を有し、球状単分散で、かつ、細孔が中心から表面に向かって放射状に伸びているカーボン粒子を合成するためには、このような構造を有する球状メソ多孔体をテンプレートに用いる必要がある。
Next, a method for producing a spherical mesoporous material used as a template for synthesizing the monodispersed spherical carbon porous material according to the present invention will be described.
The monodispersed spherical carbon porous material according to the present invention can be obtained by carbonizing a carbon source adsorbed in the pores of a spherical mesoporous material containing silica and removing the spherical mesoporous material. Therefore, in order to synthesize carbon particles having a predetermined average particle diameter, spherical monodisperse, and pores extending radially from the center to the surface, a spherical mesoporous material having such a structure is used. The body needs to be used as a template.

この場合、球状メソ多孔体は、シリカのみからなるものであっても良く、あるいは、シリカ以外の金属元素Mの酸化物を含んでいても良い。金属元素Mは、特に限定されるものではないが、2価以上の金属アルコキシドを製造可能なものが好ましい。金属元素Mが2価以上の金属アルコキシドを製造可能なものであると、金属元素Mの酸化物を含むメソポーラスシリカを容易に製造することができる。このような金属元素Mとしては、具体的には、Al、Ti、Mg、Zrなどがある。特に、Alを含む球状メソ多孔体は、後述する有機物を重合させるための固体酸としても機能するという利点がある。 In this case, spherical mesoporous material may be made of only silica, or may comprise oxides of the metal element M 1 other than silica. The metal element M 1 is not particularly limited, those capable of producing a divalent or more metal alkoxides are preferred. If the metal element M 1 can produce a metal alkoxide having a valence of 2 or more, mesoporous silica containing an oxide of the metal element M 1 can be easily produced. Examples of the metal element M 1, specifically, is Al, Ti, Mg, Zr and the like. In particular, the spherical mesoporous material containing Al has an advantage of functioning also as a solid acid for polymerizing organic substances described later.

球状メソ多孔体に含まれるシリカの含有量は、相対的に多い方が好ましい。シリカの含有量が相対的に多くなるほど、球状メソ多孔体の除去が容易化する。球状メソ多孔体中のシリカの含有量は、具体的には、20wt%以上が好ましく、さらに好ましくは、50wt%以上、さらに好ましくは、80wt%以上である。   It is preferable that the content of silica contained in the spherical mesoporous material is relatively large. The removal of the spherical mesoporous material is facilitated as the silica content is relatively increased. Specifically, the content of silica in the spherical mesoporous material is preferably 20 wt% or more, more preferably 50 wt% or more, and still more preferably 80 wt% or more.

シリカを含む球状メソ多孔体は、界面活性剤を鋳型として、シリカ原料を含む原料を3次元的に重合させることにより得られる。具体的には、
(1)水に適量の界面活性剤とシリカ原料(及び必要に応じて他の原料)とを加え、塩基性条件下でシリカ原料(及び必要に応じて添加された他の原料)を加水分解させ、
(2)溶液から生成物を分離し、界面活性剤を除去すること、
により得られる(例えば、特開平10−328558号公報、特開2004−2161号公報等参照)。
A spherical mesoporous material containing silica can be obtained by three-dimensionally polymerizing a raw material containing a silica raw material using a surfactant as a template. In particular,
(1) Add appropriate amount of surfactant and silica raw material (and other raw materials if necessary) to water, and hydrolyze silica raw material (and other raw materials added as needed) under basic conditions Let
(2) separating the product from the solution and removing the surfactant;
(See, for example, JP-A-10-328558 and JP-A-2004-2161).

この時、溶液中の界面活性剤の濃度、シリカ原料の濃度、及び、両者の比率を最適化すると、メソ孔がその中心から外側に向かって放射状に配置された球状メソ多孔体が得られる。さらに、溶液中に特定種類のアルコール及び/又は親水性ポリマを加えると、2μm以下の微少粒径を有し、かつ、粒度分布の狭い球状メソ多孔体が得られる。   At this time, when the concentration of the surfactant in the solution, the concentration of the silica raw material, and the ratio of the two are optimized, a spherical mesoporous body in which mesopores are radially arranged from the center toward the outside is obtained. Furthermore, when a specific kind of alcohol and / or hydrophilic polymer is added to the solution, a spherical mesoporous material having a fine particle size of 2 μm or less and a narrow particle size distribution is obtained.

シリカ原料には、
(1) テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン等のテトラアルコキシシラン(シラン化合物)、
(2) トリメトキシシラノール、トリエトキシシラノール、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、トリエトキシ−3−グリシドキシプロピルシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシプロピル)トリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等のトリアルコキシシラン(シラン化合物)、
(3) ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシ−3−グリシドキシプロピルメチルシラン、ジメトキシジフェニルシラン、ジメトキシメチルフェニルシラン等のジアルコキシシラン(シラン化合物)、
(4) メタケイ酸ナトリウム(NaSiO)、オルトケイ酸ナトリウム(NaSiO)、二ケイ酸ナトリウム(NaSi)、四ケイ酸ナトリウム(NaSi)、水ガラス(NaO・nSiO、n=2〜4)等のケイ酸ナトリウム、
(5) カネマイト(NaHSi・3HO)、二ケイ酸ナトリウム結晶(α、β、γ、δ−NaSi)、マカタイト(NaSi)、アイアライト(NaSi17・xHO)、マガディアイト(NaSi1417・xHO)、ケニヤイト(NaSi2041・xHO)等の層状シリケート、
(6) Ultrasil(Ultrasil社)、Cab−O−Sil(Cabot社)、HiSil(Pittsburgh Plate Glass社)等の沈降性シリカ、コロイダルシリカ、Aerosil(Degussa−Huls社)等のフュームドシリカ、
などを用いることができる。
Silica raw materials include
(1) Tetraalkoxysilanes (silane compounds) such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, dimethoxydiethoxysilane,
(2) Trimethoxysilanol, triethoxysilanol, trimethoxymethylsilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, triethoxy-3-glycidoxypropylsilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, γ- (methacryloxypropyl) trimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, etc. Trialkoxysilane (silane compound),
(3) dialkoxysilanes (silane compounds) such as dimethoxydimethylsilane, diethoxydimethylsilane, diethoxy-3-glycidoxypropylmethylsilane, dimethoxydiphenylsilane, dimethoxymethylphenylsilane,
(4) Sodium metasilicate (Na 2 SiO 3 ), sodium orthosilicate (Na 4 SiO 4 ), sodium disilicate (Na 2 Si 2 O 5 ), sodium tetrasilicate (Na 2 Si 4 O 9 ), water Sodium silicate such as glass (Na 2 O · nSiO 2 , n = 2 to 4),
(5) Kanemite (NaHSi 2 O 5 .3H 2 O), sodium disilicate crystals (α, β, γ, δ-Na 2 Si 2 O 5 ), macatite (Na 2 Si 4 O 9 ), eyelite ( Na 2 Si 8 O 17 · xH 2 O), magadiite (Na 2 Si 14 O 17 · xH 2 O), kenyaite (Na 2 Si 20 O 41 · xH 2 O) layered silicates, such as,
(6) Precipitating silica such as Ultrasil (Ultrasil), Cab-O-Sil (Cabot), HiSil (Pittsburgh Plate Glass), colloidal silica, fumed silica such as Aerosil (Degussa-Huls),
Etc. can be used.

これらの中でも、テトラアルコキシシランは、加水分解により生ずるシラノール結合の数が多くなり、強固な骨格を形成することができるので、シリカ原料として好適である。
なお、これらのシリカ原料は、単独で用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。但し、2種以上のシリカ原料を用いると、メソポーラスシリカの製造時の反応条件が複雑化する場合がある。このような場合には、シリカ原料は、単独で使用するのが好ましい。
Among these, tetraalkoxysilane is suitable as a silica raw material because it has a large number of silanol bonds generated by hydrolysis and can form a strong skeleton.
In addition, these silica raw materials may be used alone or in combination of two or more. However, when two or more kinds of silica raw materials are used, the reaction conditions during the production of mesoporous silica may be complicated. In such a case, the silica raw material is preferably used alone.

また、金属元素Mを含む原料には、
(1) アルミニウムブトキシド(Al(OC))、アルミニウムエトキシド(Al(OC))、アルミニウムイソプロポキシド(Al(OC))等のAlを含むアルコキシド類、及び、アルミン酸ナトリウム、塩化アルミニウム等の塩類、
(2) チタンイソプロポキシド(Ti(Oi−C))、チタンブトキシド(Ti(OC))、チタンエトキシド(Ti(OC))等のTiを含むアルコキシド、
(3) マグネシウムメトキシド(Mg(OCH))、マグネシウムエトキシド(Mg(OC))等のMgを含むアルコキシド、
(4) ジルコニウムイソプロポキシド(Zr(Oi−C))、ジルコニウムブトキシド(Zr(OC))、ジルコニウムエトキシド(Zr(OC))等のZrを含むアルコキシド、
などを用いることができる。
In addition, the raw material containing the metal element M 1 includes
(1) Al-containing alkoxides such as aluminum butoxide (Al (OC 4 H 9 ) 3 ), aluminum ethoxide (Al (OC 2 H 5 ) 3 ), aluminum isopropoxide (Al (OC 3 H 7 ) 3 ) And salts such as sodium aluminate and aluminum chloride,
(2) Ti such as titanium isopropoxide (Ti (Oi-C 3 H 7 ) 4 ), titanium butoxide (Ti (OC 4 H 9 ) 4 ), titanium ethoxide (Ti (OC 2 H 5 ) 4 ), etc. Containing alkoxide,
(3) Alkoxide containing Mg such as magnesium methoxide (Mg (OCH 3 ) 2 ), magnesium ethoxide (Mg (OC 2 H 5 ) 2 ),
(4) Zr such as zirconium isopropoxide (Zr (Oi-C 3 H 7 ) 4 ), zirconium butoxide (Zr (OC 4 H 9 ) 4 ), zirconium ethoxide (Zr (OC 2 H 5 ) 4 ) Containing alkoxide,
Etc. can be used.

また、界面活性剤は、次の(2)式で表されるものが好ましい。
CH−(CH)−N(R)(R)(R)X ・・・(2)
(但し、R、R、Rは、炭素数が1〜3であって、同一又は異なるアルキル基、Xはハロゲン原子、nは8〜21の整数。)
(1)式で表される界面活性剤の中でも、アルキルトリメチルアンモニウムハライド(例えば、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムハライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムハライド、ノニルトリメチルアンモニウムハライド、デシルトリメチルアンモニウムハライド、ウンデシルトリメチルアンモニウムハライド、ドデシルトリメチルアンモニウムハライド等)が好ましく、特に、アルキルトリメチルアンモニウムブロミド又はアルキルトリメチルアンモニウムクロリドが好ましい。
Moreover, what is represented by following (2) Formula is preferable for surfactant.
CH 3 - (CH 2) n -N + (R 1) (R 2) (R 3) X - ··· (2)
(Wherein, R 1, R 2, R 3 is a 1 to 3 carbon atoms, the same or different alkyl group, X is a halogen atom, n represents 8-21 integer.)
Among the surfactants represented by the formula (1), alkyltrimethylammonium halides (for example, hexadecyltrimethylammonium halide, octadecyltrimethylammonium halide, nonyltrimethylammonium halide, decyltrimethylammonium halide, undecyltrimethylammonium halide, dodecyltrimethyl) Ammonium halide etc.) are preferable, and alkyltrimethylammonium bromide or alkyltrimethylammonium chloride is particularly preferable.

メソ孔がその中心から外側に向かって放射状に配置した球状メソ多孔体を得るためには、溶液中のシリカ原料(及び必要に応じて添加される他の原料)の濃度は、0.005mol/L以上0.05mol/L以下が好ましく、さらに好ましくは、0.007mol/L以上0.045mol/L以下、さらに好ましくは、0.009mol/L以上0.04mol/L以下である。
同様に、溶液中の界面活性剤の濃度は、0.005mol/L以上0.04mol/L以下が好ましく、さらに好ましくは、0.007mol/L以上0.03mol/L以下、さらに好ましくは、0.008mol/L以上0.018mol/L以下である。
さらに、界面活性剤/シリカ原料(及び必要に応じて添加される他の原料)の比率(モル比)は、0.1以上3以下が好ましく、さらに好ましくは、0.2以上2.7以下、さらに好ましくは、0.3以上2.5以下である。
In order to obtain a spherical mesoporous material having mesopores radially arranged from the center to the outside, the concentration of the silica raw material (and other raw materials added as necessary) in the solution is 0.005 mol / L or more and 0.05 mol / L or less are preferable, more preferably 0.007 mol / L or more and 0.045 mol / L or less, and still more preferably 0.009 mol / L or more and 0.04 mol / L or less.
Similarly, the concentration of the surfactant in the solution is preferably 0.005 mol / L or more and 0.04 mol / L or less, more preferably 0.007 mol / L or more and 0.03 mol / L or less, more preferably 0. It is 0.008 mol / L or more and 0.018 mol / L or less.
Furthermore, the ratio (molar ratio) of the surfactant / silica raw material (and other raw materials added as necessary) is preferably 0.1 or more and 3 or less, more preferably 0.2 or more and 2.7 or less. More preferably, it is 0.3 or more and 2.5 or less.

溶液中にアルコールを添加する場合、アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール等の1価のアルコール、エチレングリコール等の2価のアルコール、グリセリン等の3価のアルコールのいずれでも良い。この場合、2μm以下の微少粒径を有し、かつ、粒度分布の狭い球状メソ多孔体が得るためには、アルコールの添加量は、水の容量100に対して5〜80が好ましく、さらに好ましくは、7〜70、さらに好ましくは、10〜60である。   When alcohol is added to the solution, the alcohol may be any of monovalent alcohols such as methanol, ethanol, and propanol, divalent alcohols such as ethylene glycol, and trivalent alcohols such as glycerin. In this case, in order to obtain a spherical mesoporous material having a fine particle size of 2 μm or less and a narrow particle size distribution, the amount of alcohol added is preferably 5 to 80, more preferably 100% of the water volume. Is 7 to 70, more preferably 10 to 60.

アルコールに加えて又はアルコールに代えて、溶液中に親水性ポリマを添加する場合、親水性ポリマは、ポリビニルアルコール又はポリエチレングリコールが好ましい。この場合、親水性ポリマの分子量は、200〜50000が好ましく、さらに好ましくは、300〜30000である。また、2μm以下の微少粒径を有し、かつ、粒度分布の狭いメソポーラスシリカが得るためには、溶液中の親水性ポリマの濃度は、0.1〜20重量%が好ましく、さらに好ましくは、0.5〜10重量%である。   In the case where a hydrophilic polymer is added to the solution in addition to or in place of the alcohol, the hydrophilic polymer is preferably polyvinyl alcohol or polyethylene glycol. In this case, the molecular weight of the hydrophilic polymer is preferably 200 to 50000, more preferably 300 to 30000. In order to obtain mesoporous silica having a fine particle size of 2 μm or less and a narrow particle size distribution, the concentration of the hydrophilic polymer in the solution is preferably 0.1 to 20% by weight, more preferably 0.5 to 10% by weight.

これらの原料を含む溶液には、溶液を塩基性とし、シリカ原料等を加水分解させるために、塩基性物質を加える。塩基性物質としては、具体的には、水酸化ナトリウム、アンモニア水等がある。塩基性物質の添加量は、原料の種類や濃度、作製しようとする球状メソ多孔体の特性等に応じて最適な添加量を選択する。一般に、塩基性物質の添加量が少なすぎる場合には、収率が極端に低下する。一方、塩基性物質の添加量が多すぎる場合には、多孔体の形成が困難となる場合がる。塩基性物質の添加量は、具体的には、塩基性物質のアルカリ当量を原料中のケイ素及び金属元素Mのモル数で除した値で、塩基性物質が強塩基である場合は、0.1〜0.9が好ましく、さらに好ましくは、0.2〜0.5、塩基性物質が弱塩基の場合は、0.2〜5が好ましく、さらに好ましくは、1〜3である。 A basic substance is added to the solution containing these raw materials in order to make the solution basic and hydrolyze the silica raw materials. Specific examples of the basic substance include sodium hydroxide and aqueous ammonia. The addition amount of the basic substance is selected in accordance with the type and concentration of the raw material, the characteristics of the spherical mesoporous material to be produced, and the like. Generally, when the addition amount of the basic substance is too small, the yield is extremely lowered. On the other hand, when the addition amount of the basic substance is too large, it may be difficult to form a porous body. The addition amount of the basic substance is specifically the alkali equivalent of a basic substance by a value obtained by dividing the number of moles of silicon and the metal element M 1 in the raw material, if the basic substance is a strong base, 0 0.1 to 0.9 is preferable, 0.2 to 0.5 is more preferable, and 0.2 to 5 is preferable when the basic substance is a weak base, and 1 to 3 is more preferable.

シリカ原料として、テトラアルコキシシラン等のシラン化合物を用いる場合には、これをそのまま出発原料として用いる。
一方、シリカ原料としてシラン化合物以外の化合物を用いる場合には、予め、水(又は、必要に応じてアルコールが添加されたアルコール水溶液)にシリカ原料を加えて、水酸化ナトリウム等の塩基性物質を加える。塩基性物質の添加量は、シリカ原料中のケイ素原子と等モル程度の量とするのが好ましい。シラン化合物以外のシリカ原料を含む溶液に塩基性物質を加えると、シリカ原料中に既に形成されているSi−(O−Si)結合の一部が切断され、均一な溶液が得られる。溶液中に含まれる塩基性物質の量は、球状メソ多孔体の収量や気孔率に影響を及ぼすので、均一な溶液が得られた後、溶液に希薄酸溶液を加え、溶液中に存在する過剰の塩基性物質を中和させる。希薄酸溶液の添加量は、シリカ原料中のケイ素原子に対して1/2〜3/4倍モルに相当する量が好ましい。
When a silane compound such as tetraalkoxysilane is used as the silica material, this is used as a starting material as it is.
On the other hand, when a compound other than a silane compound is used as the silica raw material, a basic material such as sodium hydroxide is added in advance to the silica raw material in water (or an alcohol aqueous solution to which an alcohol is added if necessary). Add. The addition amount of the basic substance is preferably about equimolar to the silicon atom in the silica raw material. When a basic substance is added to a solution containing a silica raw material other than the silane compound, a part of the Si— (O—Si) 4 bond already formed in the silica raw material is cleaved to obtain a uniform solution. The amount of the basic substance contained in the solution affects the yield and porosity of the spherical mesoporous material. Therefore, after a uniform solution is obtained, a dilute acid solution is added to the solution, and the excess present in the solution is added. Neutralize basic substances. The addition amount of the dilute acid solution is preferably an amount corresponding to 1/2 to 3/4 times mol of silicon atoms in the silica raw material.

必要に応じて予備処理が行われたシリカ原料に対し、所定量の水及び界面活性剤、並びに、必要に応じて、金属元素Mを含む原料、アルコール及び/又は親水性ポリマを加え、これにさらに塩基性物質を加えて、塩基性条件下で加水分解を行う。これにより、界面活性剤がテンプレートとして機能し、その内部に界面活性剤を含むケイ素含有酸化物(以下、これを「前駆体」という。)が得られる。 Silica materials preliminary process is performed as necessary to a predetermined amount of water and surfactant, and, optionally, a raw material, an alcohol and / or a hydrophilic polymer added containing a metal element M 1, which Further, a basic substance is added to hydrolyze under basic conditions. Thereby, the surfactant functions as a template, and a silicon-containing oxide (hereinafter referred to as “precursor”) containing the surfactant therein is obtained.

次に、溶液から得られた前駆体を分離し、この前駆体から界面活性剤を除去すれば、シリカを含み、平均粒径が50nm〜2.0μmであり、単分散で、かつ、細孔が放射状に形成された球状メソ多孔体(単分散球状メソポーラスシリカ)が得られる。
界面活性剤を除去する方法としては、具体的には、
(1) 前駆体を大気中又は不活性雰囲気下において、所定温度(300〜1000℃、好ましくは、400〜700℃)で所定時間(30分以上、好ましくは、1時間以上)焼成する焼成方法、
(2) 前駆体を界面活性剤の良溶媒(例えば、少量の塩酸を含むメタノール)中に浸漬し、所定の温度(例えば、50〜70℃)で加熱しながら攪拌し、前駆体中の界面活性剤を抽出するイオン交換法、
などがある。
Next, if the precursor obtained from the solution is separated, and the surfactant is removed from this precursor, it contains silica, has an average particle size of 50 nm to 2.0 μm, is monodispersed, and has pores Can be obtained as a spherical mesoporous material (monodispersed spherical mesoporous silica) formed radially.
As a method for removing the surfactant, specifically,
(1) A firing method in which the precursor is fired at a predetermined temperature (300 to 1000 ° C., preferably 400 to 700 ° C.) for a predetermined time (30 minutes or more, preferably 1 hour or more) in the air or in an inert atmosphere. ,
(2) The precursor is immersed in a good solvent for a surfactant (for example, methanol containing a small amount of hydrochloric acid), and stirred while heating at a predetermined temperature (for example, 50 to 70 ° C.), and the interface in the precursor An ion exchange method to extract the active agent,
and so on.

次に、本発明に係る単分散球状カーボン多孔体の製造方法について説明する。本発明の第1の実施の形態に係る単分散球状カーボン多孔体の製造方法は、カーボンのみからなる単分散球状カーボン多孔体の製造方法であって、吸着工程と、重合工程と、炭化工程と、除去工程とを備えている。製造方法によっては、吸着工程と重合工程とを、あるいは、吸着工程と、重合工程と、炭化工程とを一工程で実施する場合がある。   Next, the manufacturing method of the monodispersed spherical carbon porous body concerning this invention is demonstrated. The method for producing a monodispersed spherical carbon porous body according to the first embodiment of the present invention is a method for producing a monodispersed spherical carbon porous body made of only carbon, and includes an adsorption step, a polymerization step, a carbonization step, And a removing step. Depending on the manufacturing method, the adsorption process and the polymerization process may be performed, or the adsorption process, the polymerization process, and the carbonization process may be performed in one process.

吸着工程は、シリカを含有し、かつ、放射状の細孔を有する単分散球状メソ多孔体(以下、単に「メソポーラスシリカ」という。)の細孔内に有機物を吸着させる工程である。
有機物は、炭素源となるものであり、熱分解によって炭素を生成可能なものであればよい。このような有機物としては、具体的には、
(1) 常温で液体であり、かつ、熱重合性のポリマー前駆体(例えば、フルフリルアルコール、アニリン等)、
(2) 炭水化物の水溶液と酸の混合物(例えば、スクロース(ショ糖)、キシロース(木糖)、グルコース(ブドウ糖)などの単糖類、あるいは、二糖類、多糖類と、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸などの酸との混合物)、
(3) 不飽和結合を有する重合性のガス(例えば、アセチレン、プロピレン等)、
(4) 2液硬化型のポリマー前駆体の混合物(例えば、フェノールとホルマリン等)、
などがある。
これらの中でも、ポリマー前駆体は、溶媒で希釈することなくメソポーラスシリカの細孔内に含浸させることができるので、相対的に少数回の含浸回数で、相対的に多量の炭素を細孔内に生成させることができる。また、重合開始剤が不要であり、取り扱いも容易であるという利点がある。
The adsorption step is a step of adsorbing an organic substance in the pores of a monodispersed spherical mesoporous material (hereinafter simply referred to as “mesoporous silica”) containing silica and having radial pores.
The organic substance is a carbon source and may be any substance that can generate carbon by thermal decomposition. Specifically, as such an organic substance,
(1) A liquid polymer precursor at room temperature and thermally polymerizable (for example, furfuryl alcohol, aniline, etc.),
(2) A mixture of an aqueous carbohydrate solution and an acid (for example, monosaccharides such as sucrose (sucrose), xylose (wood sugar), glucose (glucose)), disaccharides, polysaccharides, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphorus Mixtures with acids such as acids),
(3) a polymerizable gas having an unsaturated bond (for example, acetylene, propylene, etc.),
(4) A mixture of two-component curable polymer precursors (for example, phenol and formalin),
and so on.
Among these, since the polymer precursor can be impregnated into the pores of mesoporous silica without diluting with a solvent, a relatively large amount of carbon is introduced into the pores with a relatively small number of impregnations. Can be generated. Further, there is an advantage that a polymerization initiator is unnecessary and handling is easy.

液体又は溶液の炭素源を吸着させる場合、メソポーラスシリカに所定量の液体又は溶液を加えるだけで良い。メソポーラスシリカは、極めて吸着特性に優れているので、これに液体又は溶液を加え、室温で外部から軽く振動を加えるだけで、細孔内に液体又は溶液を含浸させることができる。
また、メソポーラスシリカを密閉可能な容器内に入れ、容器内を排気した後、容器に液体又は溶液の炭素源の蒸気を導入してもよい。これにより、メソポーラスシリカの細孔内に炭素源を吸着させることができる。
When adsorbing a liquid or solution carbon source, it is only necessary to add a predetermined amount of liquid or solution to mesoporous silica. Since mesoporous silica is extremely excellent in adsorption properties, the liquid or solution can be impregnated in the pores by simply adding a liquid or solution to the silica and applying a slight vibration from the outside at room temperature.
Alternatively, mesoporous silica may be placed in a sealable container, and after the container is evacuated, the liquid or solution carbon source vapor may be introduced into the container. Thereby, a carbon source can be adsorbed in the pores of mesoporous silica.

液体又は溶液の炭素源を用いる場合、1回当たりの液体又は溶液の吸着量は、多いほど良く、メソポーラスシリカ内のすべての細孔が液体又は溶液で満たされる量が好ましい。
また、炭素源として炭水化物の水溶液と酸の混合物を用いる場合、酸の量は、有機物を重合させることが可能な最小量とするのが好ましい。
さらに、炭素源として、2液硬化型のポリマー前駆体の混合物を用いる場合、その比率は、ポリマー前駆体の種類に応じて、最適な比率を選択する。
When a liquid or solution carbon source is used, the larger the amount of adsorption of the liquid or solution per time, the better. The amount by which all pores in the mesoporous silica are filled with the liquid or solution is preferable.
Further, when a mixture of an aqueous carbohydrate solution and an acid is used as the carbon source, the amount of the acid is preferably set to a minimum amount capable of polymerizing the organic matter.
Furthermore, when a mixture of a two-component curable polymer precursor is used as the carbon source, an optimal ratio is selected according to the type of the polymer precursor.

重合工程は、細孔内に吸着された有機物を重合させる工程である。
例えば、有機物が、ポリマー前駆体、炭水化物の水溶液と酸の混合物、又は、2液硬化型のポリマー前駆体の混合物である場合、有機物の重合は、有機物を吸着させたメソポーラスシリカを所定温度で所定時間加熱することにより行う。最適な重合温度及び重合時間は、有機物の種類により異なるが、通常、重合温度は50℃〜400℃、重合時間は5分〜24時間である。
The polymerization step is a step of polymerizing organic substances adsorbed in the pores.
For example, when the organic substance is a polymer precursor, a mixture of an aqueous solution of carbohydrate and an acid, or a mixture of a two-part curable polymer precursor, the polymerization of the organic substance is performed at a predetermined temperature on mesoporous silica adsorbed with the organic substance at a predetermined temperature. Perform by heating for hours. The optimum polymerization temperature and polymerization time vary depending on the type of organic substance, but the polymerization temperature is usually 50 ° C. to 400 ° C., and the polymerization time is 5 minutes to 24 hours.

炭化工程は、重合させた有機物を細孔内において炭化させる工程である。
有機物の炭化は、非酸化雰囲気中(例えば、不活性雰囲気中、真空中など)において、メソポーラスシリカを所定温度に加熱することにより行う。加熱温度は、具体的には、500℃以上1200℃以下が好ましい。加熱温度が500℃未満であると、有機物の炭化が不十分となる。一方、加熱温度が1200℃を超えると、シリカと炭素が反応するので好ましくない。加熱時間は、加熱温度に応じて、最適な時間を選択する。
一方、不飽和結合を有する重合性のガスを炭素源として用いる場合、これを不活性ガス(N、アルゴン、ヘリウム等)で希釈して、メソポーラスシリカを設置した流通型反応管に流し、所定温度で所定時間加熱する(いわゆる「熱CVD法」)。これにより、細孔内への炭素源の吸着と同時に重合と炭化が起こる。同様の方法で、液体の炭素源を不活性ガスでバブリングし、一工程でメソポーラスシリカ内に炭素を析出させることもできる。加熱温度は、ガスの種類に応じて、最適な温度を選択する。
The carbonization step is a step of carbonizing the polymerized organic substance in the pores.
Carbonization of the organic substance is performed by heating mesoporous silica to a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere (for example, in an inert atmosphere or vacuum). Specifically, the heating temperature is preferably 500 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. When the heating temperature is less than 500 ° C., carbonization of the organic matter becomes insufficient. On the other hand, when the heating temperature exceeds 1200 ° C., silica and carbon react with each other, which is not preferable. As the heating time, an optimum time is selected according to the heating temperature.
On the other hand, when a polymerizable gas having an unsaturated bond is used as a carbon source, it is diluted with an inert gas (N 2 , argon, helium, etc.), and flows into a flow-through reaction tube provided with mesoporous silica. Heat at a temperature for a predetermined time (so-called “thermal CVD method”). As a result, polymerization and carbonization occur simultaneously with the adsorption of the carbon source into the pores. In the same manner, a liquid carbon source can be bubbled with an inert gas, and carbon can be deposited in mesoporous silica in one step. As the heating temperature, an optimum temperature is selected according to the type of gas.

なお、細孔内に生成させる炭素量は、メソポーラスシリカを除去した時に、形状を維持できる量以上であればよい。従って、1回の吸着工程、重合工程及び炭化工程で生成する炭素量が相対的に少ない場合には、これらの工程を複数回繰り返すのが好ましい。この場合、繰り返される各工程の条件は、それぞれ、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
また、吸着、重合及び炭化の各工程を複数回繰り返す場合、各炭化工程は、相対的に低温で炭化処理を行い、最後の炭化処理が終了した後、さらにこれより高い温度で、再度、炭化処理を行っても良い。最後の炭化処理を、それ以前の炭化処理より高い温度で行うと、複数回に分けて細孔内に導入されたカーボンが一体化しやすくなる。
Note that the amount of carbon generated in the pores may be more than the amount that can maintain the shape when the mesoporous silica is removed. Therefore, when the amount of carbon produced in one adsorption step, polymerization step and carbonization step is relatively small, it is preferable to repeat these steps a plurality of times. In this case, the conditions of the repeated steps may be the same or different.
When each of the adsorption, polymerization, and carbonization steps is repeated a plurality of times, each carbonization step is carbonized at a relatively low temperature, and after the last carbonization treatment is completed, carbonization is performed again at a higher temperature. Processing may be performed. When the final carbonization treatment is performed at a higher temperature than the previous carbonization treatment, the carbon introduced into the pores in a plurality of times is easily integrated.

除去工程は、細孔内にカーボンが生成したメソポーラスシリカ・カーボン複合体から、メソポーラスシリカを除去する工程である。これにより、本発明に係る単分散球状カーボン多孔体が得られる。
メソポーラスシリカの除去方法としては、具体的には、
(1) 複合体を水酸化ナトリウム中で加熱する方法、
(2) 複合体をフッ化水素酸水溶液でエッチングする方法、
などがある。
The removing step is a step of removing mesoporous silica from the mesoporous silica / carbon composite in which carbon is generated in the pores. Thereby, the monodispersed spherical carbon porous body according to the present invention is obtained.
As a method for removing mesoporous silica, specifically,
(1) A method of heating the composite in sodium hydroxide,
(2) A method of etching the composite with an aqueous hydrofluoric acid solution,
and so on.

次に、本発明の第2の実施の形態に係る単分散球状カーボン多孔体の製造方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法は、貴金属微粒子が担持された単分散球状カーボン多孔体の製造方法であって、貴金属担持工程と、吸着工程と、重合工程と、炭化工程と、除去工程とを備えている。これらの内、吸着工程、重合工程、炭化工程及び除去工程については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。   Next, the manufacturing method of the monodispersed spherical carbon porous body concerning the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. The production method according to the present embodiment is a production method of a monodispersed spherical carbon porous body on which noble metal fine particles are supported, and includes a noble metal support step, an adsorption step, a polymerization step, a carbonization step, and a removal step. I have. Among these, the adsorption process, the polymerization process, the carbonization process, and the removal process are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

貴金属担持工程は、有機物を吸着させる前に、メソポーラスシリカの細孔内に貴金属微粒子を担持させる工程である。
貴金属微粒子の担持は、具体的には、
(1)貴金属化合物を溶解させた溶液をメソポーラスシリカの細孔内に吸着させ(貴金属化合物吸着工程)、
(2)メソポーラスシリカを乾燥させることにより、貴金属化合物を細孔内に析出させ(乾燥工程)、
(3)析出した貴金属化合物を還元し、貴金属微粒子に変換する(還元工程)、
ことにより行う。
The noble metal supporting step is a step of supporting noble metal fine particles in the pores of mesoporous silica before adsorbing organic substances.
Specifically, the precious metal fine particles are supported by
(1) A solution in which a noble metal compound is dissolved is adsorbed in the pores of mesoporous silica (noble metal compound adsorption step),
(2) Precipitating a noble metal compound in the pores by drying mesoporous silica (drying step),
(3) The deposited noble metal compound is reduced and converted into noble metal fine particles (reduction process).
By doing.

貴金属化合物は、適当な溶媒に溶解可能なものであればよい。具体的には、
(1) ヘキサクロロ白金(IV)酸六水和物、ジニトロジアンミン白金(II)、ヘキサアンミン白金(IV)塩化物、テトラアンミン白金(II)塩化物、ビス(アセチルアセトナト)白金(II)等のPt化合物、
(2) 硫酸パラジウム、塩化パラジウム、硝酸パラジウム、ジニトロジアンミンパラジウム(II)、ビス(アセチルアセトナト)パラジウム(II)、トランス−ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)等のPd化合物、
(3) 塩化ロジウム、硫酸ロジウム、硝酸ロジウム、酢酸ロジウム(II)、トリス(アセチルアセトナト)ロジウム(III)、クロロトリス(トリフェニルホスフィン)ロジウム(I)、アセチルアセトナトジカルボニルロジウム(I)、テトラカルボニルジ−μ−クロロジロジウム(I)等のRh化合物、
(4) 塩化ルテニウム、硝酸ルテニウム、ドデカカルボニルトリルテニウム(0)、トリス(アセチルアセトナト)ルテニウム(III)等のRu化合物、
(5) ヘキサクロロイリジウム(IV)酸六水和物、ドデカカルボニルテトライリジウム(0)、カルボニルクロロビス(トリフェニルホスフィン)イリジウム(I)、トリス(アセチルアセトナト)イリジウム(III)等のIr化合物、
(6) ヘキサクロロ金(IV)酸六水和物、シアン化金アンモニウム等のAu化合物、
(7) 硝酸銀、シアン化銀等のAg化合物、
などがある。これらは、単独で用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
The noble metal compound only needs to be soluble in an appropriate solvent. In particular,
(1) Hexachloroplatinum (IV) acid hexahydrate, dinitrodiammineplatinum (II), hexaammineplatinum (IV) chloride, tetraammineplatinum (II) chloride, bis (acetylacetonato) platinum (II), etc. A Pt compound,
(2) Pd compounds such as palladium sulfate, palladium chloride, palladium nitrate, dinitrodiammine palladium (II), bis (acetylacetonato) palladium (II), trans-dichlorobis (triphenylphosphine) palladium (II),
(3) Rhodium chloride, rhodium sulfate, rhodium nitrate, rhodium acetate (II), tris (acetylacetonato) rhodium (III), chlorotris (triphenylphosphine) rhodium (I), acetylacetonatodicarbonyl rhodium (I), Rh compounds such as tetracarbonyldi-μ-chlorodirhodium (I),
(4) Ru compounds such as ruthenium chloride, ruthenium nitrate, dodecacarbonyltriruthenium (0), tris (acetylacetonato) ruthenium (III),
(5) Ir compounds such as hexachloroiridium (IV) hexahydrate, dodecacarbonyltetriiridium (0), carbonylchlorobis (triphenylphosphine) iridium (I), tris (acetylacetonato) iridium (III),
(6) Au compounds such as hexachlorogold (IV) acid hexahydrate, gold cyanide ammonium,
(7) Ag compounds such as silver nitrate and silver cyanide,
and so on. These may be used alone or in combination of two or more.

貴金属化合物を溶解させる溶媒は、特に限定されるものではなく、水、あるいは、アルコール等の有機溶媒のいずれであっても良い。
溶液中に溶解させる貴金属化合物の量は、溶媒への貴金属化合物の溶解度、目的とする担持量等に応じて、任意に選択することができる。一般に、貴金属化合物の濃度が高くなるほど、1回当たりの貴金属化合物の吸着量を多くすることができる。
また、吸着は、メソポーラスシリカに貴金属化合物を溶解させた溶液を加え、室温において所定時間(通常は、数時間程度)攪拌することにより行う。メソポーラスシリカは、吸着特性に優れているので、これを貴金属化合物溶液に加えて攪拌するだけで、貴金属化合物溶液を細孔内に容易に吸着させることができる。
The solvent for dissolving the noble metal compound is not particularly limited, and may be water or an organic solvent such as alcohol.
The amount of the noble metal compound dissolved in the solution can be arbitrarily selected depending on the solubility of the noble metal compound in the solvent, the target loading amount, and the like. Generally, the higher the concentration of the noble metal compound, the greater the amount of adsorption of the noble metal compound per time.
Adsorption is performed by adding a solution in which a noble metal compound is dissolved in mesoporous silica and stirring at room temperature for a predetermined time (usually about several hours). Since mesoporous silica is excellent in adsorption characteristics, the noble metal compound solution can be easily adsorbed in the pores simply by adding it to the noble metal compound solution and stirring.

次に、貴金属化合物溶液を吸着させたメソポーラスシリカを乾燥させ、細孔内に貴金属化合物を析出させる。乾燥時の加熱温度は、特に限定されるものではないが、溶媒の沸点以上が好ましい。加熱時間は、細孔内にある溶媒が完全に揮発するように、加熱温度に応じて、最適な時間を選択する。   Next, the mesoporous silica to which the noble metal compound solution is adsorbed is dried to deposit the noble metal compound in the pores. The heating temperature at the time of drying is not particularly limited, but is preferably equal to or higher than the boiling point of the solvent. As the heating time, an optimal time is selected according to the heating temperature so that the solvent in the pores is completely volatilized.

次に、貴金属化合物が担持されたメソポーラスシリカを還元し、細孔内の貴金属化合物を貴金属微粒子に変換する。
貴金属化合物の還元は、水素雰囲気下で行う。還元温度及び還元時間は、貴金属化合物の種類に応じて、最適なものを選択する。例えば、貴金属化合物が塩化白金酸である場合、5%水素−窒素気流中において、150℃以上500℃以下で0.5時間以上加熱するのが好ましい。
なお、1回当たりの貴金属微粒子の担持量が相対的に少ない場合には、上述した貴金属化合物吸着工程、乾燥工程、及び、還元工程を複数回繰り返しても良い。
Next, the mesoporous silica on which the noble metal compound is supported is reduced to convert the noble metal compound in the pores into noble metal fine particles.
The reduction of the noble metal compound is performed in a hydrogen atmosphere. The optimal reduction temperature and reduction time are selected according to the type of noble metal compound. For example, when the noble metal compound is chloroplatinic acid, it is preferably heated at 150 ° C. or higher and 500 ° C. or lower for 0.5 hour or longer in a 5% hydrogen-nitrogen stream.
In addition, when the amount of noble metal fine particles supported per time is relatively small, the above-described noble metal compound adsorption step, drying step, and reduction step may be repeated a plurality of times.

細孔内に貴金属微粒子を担持させた後、第1の実施の形態と同様の手順に従い、有機物の吸着、重合及び炭化、並びに、メソポーラスシリカの除去を行うと、貴金属微粒子が担持された単分散球状カーボン多孔体が得られる。   After the noble metal fine particles are supported in the pores, when the organic matter is adsorbed, polymerized and carbonized, and the mesoporous silica is removed according to the same procedure as in the first embodiment, the monodispersion in which the noble metal fine particles are supported A spherical carbon porous body is obtained.

次に、本発明の第3の実施の形態に係る単分散球状カーボン多孔体の製造方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法は、窒素がドープされた単分散球状カーボン多孔体の製造方法であって、吸着工程と、重合工程と、炭化工程と、除去工程とを備えている。これらの内、重合工程、炭化工程、及び、除去工程は、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。   Next, a method for producing a monodispersed spherical carbon porous body according to the third embodiment of the present invention will be described. The manufacturing method according to the present embodiment is a manufacturing method of a monodispersed spherical carbon porous body doped with nitrogen, and includes an adsorption step, a polymerization step, a carbonization step, and a removal step. Among these, the polymerization step, the carbonization step, and the removal step are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

吸着工程は、メソポーラスシリカの細孔内に、含窒素有機物を吸着させる工程である。
「含窒素有機物」とは、窒素を含む有機物であって、熱分解させることにより窒素を含むカーボンを生成可能なものをいう。そのためには、含窒素有機物は、窒素を含有するヘテロ環化合物が好ましい。
The adsorption step is a step of adsorbing a nitrogen-containing organic substance in the pores of mesoporous silica.
The “nitrogen-containing organic substance” refers to an organic substance containing nitrogen that can generate carbon containing nitrogen by thermal decomposition. Therefore, the nitrogen-containing organic substance is preferably a nitrogen-containing heterocyclic compound.

含窒素有機物としては、具体的には、
(1)含窒素五員環化合物であるピロール及びその誘導体、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、
(2)含窒素六員環化合物であるピリジン及びその誘導体、ジアジン類及びその誘導体、トリアジン類及びその誘導体、
(3)含窒素縮合ヘテロ環化合物でらるキノリン、フェナントロリン、プリン等
が挙げられる。
アセトニトリル、アクリロニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類、ピリジン、エチレンイミン等のイミン類、及び各種アミン類を用いることもできる。
これらの含窒素有機物は、それぞれ、単独で用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。また、1種又は2種以上の含窒素有機物と、上述した各種の有機物とを組み合わせて用いても良い。含窒素有機物の種類、及び、炭素源となる各種有機物との配合比率を変えると、窒素ドープ量を任意に変化させることができる。
含窒素有機物の吸着方法、吸着条件等のその他の点については、第1の実施の形態に係る吸着工程と同様であるので、説明を省略する。
Specifically, as nitrogen-containing organic substances,
(1) pyrrole and derivatives thereof, which are nitrogen-containing five-membered ring compounds, diazoles and derivatives thereof, triazoles and derivatives thereof,
(2) Nitrogen-containing six-membered ring compounds such as pyridine and derivatives thereof, diazines and derivatives thereof, triazines and derivatives thereof,
(3) Quinoline, phenanthroline, purine and the like obtained from nitrogen-containing condensed heterocyclic compounds.
Nitriles such as acetonitrile, acrylonitrile and benzonitrile, imines such as pyridine and ethyleneimine, and various amines can also be used.
Each of these nitrogen-containing organic substances may be used alone or in combination of two or more. Moreover, you may use combining 1 type, or 2 or more types of nitrogen-containing organic substance, and the various organic substance mentioned above. The amount of nitrogen dope can be arbitrarily changed by changing the type of the nitrogen-containing organic material and the blending ratio with various organic materials serving as the carbon source.
Since other points such as the adsorption method and adsorption conditions of the nitrogen-containing organic substance are the same as those in the adsorption step according to the first embodiment, description thereof will be omitted.

含窒素有機物及び必要に応じて炭素源となる有機物を細孔内に吸着させた後、重合、炭化、及び、メソポーラスシリカの除去を行うと、窒素がドープされた単分散球状カーボン多孔体が得られる。また、含窒素有機物(及び炭素源となる有機物)の吸着を行う前に、メソポーラスシリカの細孔内に貴金属微粒子を担持させておくと、窒素がドープされ、かつ、貴金属微粒子が担持された単分散球状カーボン多孔体が得られる。   A nitrogen-doped monodispersed spherical carbon porous body is obtained by adsorbing nitrogen-containing organic matter and, if necessary, organic matter as a carbon source into the pores, followed by polymerization, carbonization, and removal of mesoporous silica. It is done. In addition, if the noble metal fine particles are supported in the pores of the mesoporous silica before the adsorption of the nitrogen-containing organic material (and the organic material that serves as the carbon source), nitrogen is doped and the single particles on which the noble metal fine particles are supported are supported. A dispersed spherical carbon porous body is obtained.

本発明に係る製造方法は、単分散であり、かつ、細孔が放射状に形成されたシリカを含有する球状メソ多孔体をテンプレートに用いているので、テンプレートの細孔形状がそのまま転写されたカーボン粒子、すなわち、球の中心から表面に向かってカーボンロッドが枝分かれしつつ放射状に伸びる内部構造を有する単分散球状カーボン多孔体が得られる。この場合、単分散球状カーボン多孔体の平均粒径、細孔径、比表面積等は、テンプレートの平均粒径、壁厚、比表面積等を制御することにより、変化させることができる。   Since the manufacturing method according to the present invention uses a spherical mesoporous material containing silica that is monodispersed and whose pores are radially formed as a template, carbon in which the pore shape of the template is transferred as it is. A monodispersed spherical carbon porous body having an internal structure in which the carbon rods branch radially from the center of the particle, that is, from the center of the sphere to the surface, is obtained. In this case, the average particle diameter, pore diameter, specific surface area and the like of the monodispersed spherical carbon porous body can be changed by controlling the average particle diameter, wall thickness, specific surface area and the like of the template.

このようにして得られた単分散球状カーボン多孔体は、粒子の形状が球状であり、かつ、単分散度が小さいので、これを用いて構造体を作製する場合、あるいは、カラムに充填する場合、カーボン粒子の充填密度を著しく向上させることができる。また、本発明に係る単分散球状カーボン多孔体は、放射状構造を有し、その隙間が球の中心から表面に向かって伸びる放射状細孔を形成しているので、球内部への物質の拡散経路が短くなり、細孔の利用効率が向上する。   The monodispersed spherical carbon porous body obtained in this way has a spherical particle shape and a small monodispersity. Therefore, when producing a structure using this, or when filling a column The packing density of carbon particles can be significantly improved. Further, the monodispersed spherical carbon porous body according to the present invention has a radial structure, and the gaps form radial pores extending from the center of the sphere toward the surface, so that the diffusion path of the substance to the inside of the sphere Becomes shorter and the utilization efficiency of the pores is improved.

また、有機物を吸着させる前に、メソポーラスシリカに貴金属化合物を担持させると、貴金属化合物の周囲は、メソポーラスシリカの細孔壁によって拘束された状態となる。そのため、貴金属化合物を還元する際に貴金属微粒子の粒成長を抑制することができる。   Further, when the noble metal compound is supported on the mesoporous silica before the organic substance is adsorbed, the periphery of the noble metal compound is constrained by the pore walls of the mesoporous silica. Therefore, the grain growth of the noble metal fine particles can be suppressed when the noble metal compound is reduced.

さらに、炭素源となる有機物に加えて、又は、これに代えて、含窒素有機物を細孔内に吸着させ、これを炭化させると、窒素がドープされた単分散球状カーボン多孔体が得られる。単分散球状カーボン多孔体に窒素をドープすると、窒素ドープ量に応じて、その吸着特性を変化させることができる。例えば、カーボン粒子は、本来、疎水性であるが、窒素ドープ量を最適化することにより、カーボン粒子に親水性を付与することもできる。   Furthermore, in addition to or in place of the organic substance serving as the carbon source, when a nitrogen-containing organic substance is adsorbed in the pores and carbonized, a monodispersed spherical carbon porous body doped with nitrogen is obtained. When the monodispersed spherical carbon porous body is doped with nitrogen, the adsorption characteristics can be changed according to the nitrogen doping amount. For example, carbon particles are inherently hydrophobic, but hydrophilicity can also be imparted to the carbon particles by optimizing the nitrogen doping amount.

(実施例1)
[1. メソポーラスシリカの作製]
水5L、メタノール5Lに、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド35.2g(0.014mol/L)及び1規定水酸化ナトリウム22.8mLを添加した。この溶液に対し、テトラメトキシシラン13.2g(0.011mol/L)を添加し、完全に溶解させた。溶解後、約200秒で白色粉末が析出した。この溶液をさらに室温で8時間攪拌した後、溶液を一晩放置した。放置後、溶液の濾過及び洗浄を3回繰り返し、白色粉末を得た。この白色粉末を熱風乾燥機で3日間乾燥させた後、550℃で焼成し、有機成分を除去した。
Example 1
[1. Preparation of mesoporous silica]
To 5 L of water and 5 L of methanol, 35.2 g (0.014 mol / L) of hexadecyltrimethylammonium chloride and 22.8 mL of 1N sodium hydroxide were added. To this solution, 13.2 g (0.011 mol / L) of tetramethoxysilane was added and completely dissolved. After dissolution, a white powder precipitated in about 200 seconds. The solution was further stirred at room temperature for 8 hours, and then the solution was left overnight. After standing, filtration and washing of the solution were repeated three times to obtain a white powder. The white powder was dried with a hot air dryer for 3 days and then baked at 550 ° C. to remove organic components.

[2. 単分散球状カーボン多孔体の作製]
合成されたメソポーラスシリカ粉末1.0gにフルフリルアルコール0.70mLを加え、細孔中に含浸させた。これを150℃で24時間加熱し、細孔内のフルフリルアルコールを重合させた。さらに、これを窒素気流中、500℃で6時間焼成し、ポリフルフリルアルコールをカーボン化させた。
次に、この粉末にフルフリルアルコール0.28mLを追加添加し、再度、150℃×4時間加熱(重合)及び窒素気流中、500℃×6時間焼成(カーボン化)を行った。2回めの焼成が終了した後、この粉末を、さらに窒素気流中、900℃で6時間焼成し、フルフリルアルコールを完全にカーボン化させた。
得られた粉末を48%HF溶液中に浸し、室温で3時間攪拌した。メソポーラスシリカが完全に溶解した後、溶液を濾過・洗浄し、黒色粉末を得た。
[2. Preparation of monodispersed spherical carbon porous body]
0.70 mL of furfuryl alcohol was added to 1.0 g of the synthesized mesoporous silica powder and impregnated in the pores. This was heated at 150 ° C. for 24 hours to polymerize furfuryl alcohol in the pores. Further, this was baked in a nitrogen stream at 500 ° C. for 6 hours to carbonize polyfurfuryl alcohol.
Next, 0.28 mL of furfuryl alcohol was additionally added to this powder, and again heating (polymerization) at 150 ° C. for 4 hours and baking (carbonization) at 500 ° C. for 6 hours in a nitrogen stream were performed. After the second firing, the powder was further fired in a nitrogen stream at 900 ° C. for 6 hours to completely carbonize furfuryl alcohol.
The obtained powder was immersed in a 48% HF solution and stirred at room temperature for 3 hours. After the mesoporous silica was completely dissolved, the solution was filtered and washed to obtain a black powder.

[3. 評価]
図1に、焼成後のメソポーラスシリカ粉末の走査型電子顕微鏡写真を示す。図1より、粒径の均一な球状メソポーラスシリカ粒子が得られていることがわかる。任意の100個の粒子の平均粒径は、0.72μm(単分散度は、2.5%)であった。
図2に、合成されたカーボン粒子の走査型電子顕微鏡写真を示す。図2より、粒径の均一な球状カーボン粒子が得られていることがわかる。任意の100個の粒子の平均粒径は、0.66μm(単分散度は、2.2%)であった。
図3に、合成された球状カーボン粒子の細孔分布を示す。図3より、細孔分布は、1nmにピークを有していることがわかる。本実施例で得られた球状カーボン粒子のBET比表面積は、1200m/gであった。
さらに、図4に、合成されたカーボン粒子の透過型電子顕微鏡写真を示す。図4より、本実施例で得られた単分散球状カーボン多孔体は、粒子の内部構造が放射状であること、すなわち、細孔がその中心から表面に向かって放射状に伸びていることがわかる。
[3. Evaluation]
In FIG. 1, the scanning electron micrograph of the mesoporous silica powder after baking is shown. 1 that spherical mesoporous silica particles having a uniform particle diameter are obtained. The average particle diameter of arbitrary 100 particles was 0.72 μm (monodispersity is 2.5%).
FIG. 2 shows a scanning electron micrograph of the synthesized carbon particles. FIG. 2 shows that spherical carbon particles having a uniform particle diameter are obtained. The average particle diameter of arbitrary 100 particles was 0.66 μm (monodispersity is 2.2%).
FIG. 3 shows the pore distribution of the synthesized spherical carbon particles. FIG. 3 shows that the pore distribution has a peak at 1 nm. The BET specific surface area of the spherical carbon particles obtained in this example was 1200 m 2 / g.
Further, FIG. 4 shows a transmission electron micrograph of the synthesized carbon particles. As can be seen from FIG. 4, the monodispersed spherical carbon porous body obtained in this example has a particle internal structure that is radial, that is, the pores extend radially from the center toward the surface.

(実施例2)
[1. メソポーラスシリカの作製]
水4L、メタノール6Lに、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロリド38.3g(0.014mol/L)及び1規定水酸化ナトリウム22.8mLを添加した。この溶液に対し、テトラメトキシシラン13.2g(0.011mol/L)を添加し、完全に溶解させた。溶解後、約200秒で白色粉末が析出した。この溶液をさらに室温で8時間攪拌した後、溶液を一晩放置した。放置後、溶液の濾過及び洗浄を3回繰り返し、白色粉末を得た。この白色粉末を熱風乾燥機で3日間乾燥させた後、550℃で焼成し、有機成分を除去した。
(Example 2)
[1. Preparation of mesoporous silica]
To 4 L of water and 6 L of methanol, 38.3 g (0.014 mol / L) of octadecyltrimethylammonium chloride and 22.8 mL of 1N sodium hydroxide were added. To this solution, 13.2 g (0.011 mol / L) of tetramethoxysilane was added and completely dissolved. After dissolution, a white powder precipitated in about 200 seconds. The solution was further stirred at room temperature for 8 hours, and then the solution was left overnight. After standing, filtration and washing of the solution were repeated three times to obtain a white powder. The white powder was dried with a hot air dryer for 3 days and then baked at 550 ° C. to remove organic components.

[2. 単分散球状カーボン多孔体の作製]
合成されたメソポーラスシリカ粉末1.0gにフルフリルアルコール0.80mLを加え、細孔中に含浸させた。これを150℃で24時間加熱し、細孔内のフルフリルアルコールを重合させた。さらに、これを窒素気流中、500℃で6時間焼成し、ポリフルフリルアルコールをカーボン化させた。
次に、この粉末にフルフリルアルコール0.32mLを追加添加し、再度、150℃×4時間加熱(重合)及び窒素気流中、500℃×6時間焼成(カーボン化)を行った。2回めの焼成が終了した後、この粉末を、さらに窒素気流中、900℃で6時間焼成し、フルフリルアルコールを完全にカーボン化させた。
得られた粉末を48%HF溶液中に浸し、室温で3時間攪拌した。メソポーラスシリカが完全に溶解した後、溶液を濾過・洗浄し、黒色粉末を得た。
[2. Preparation of monodispersed spherical carbon porous body]
0.80 mL of furfuryl alcohol was added to 1.0 g of the synthesized mesoporous silica powder and impregnated in the pores. This was heated at 150 ° C. for 24 hours to polymerize furfuryl alcohol in the pores. Further, this was baked in a nitrogen stream at 500 ° C. for 6 hours to carbonize polyfurfuryl alcohol.
Next, 0.32 mL of furfuryl alcohol was additionally added to this powder, and again heating (polymerization) at 150 ° C. for 4 hours and baking (carbonization) at 500 ° C. for 6 hours in a nitrogen stream were performed. After the second firing, the powder was further fired in a nitrogen stream at 900 ° C. for 6 hours to completely carbonize furfuryl alcohol.
The obtained powder was immersed in a 48% HF solution and stirred at room temperature for 3 hours. After the mesoporous silica was completely dissolved, the solution was filtered and washed to obtain a black powder.

[3. 評価]
本実施例で得られた粉末の、走査型電子顕微鏡写真から求めた任意の100個の粒子の平均粒径は、0.90μm(単分散度は、4.0%)であった。
[3. Evaluation]
The average particle diameter of arbitrary 100 particles obtained from the scanning electron micrograph of the powder obtained in this example was 0.90 μm (monodispersity is 4.0%).

(実施例3)
[1. Pt微粒子の担持]
ヘキサクロロ白金(IV)酸六水和物0.067gをメタノール50mLに溶解した。この溶液に、実施例1の[1.]で合成したメソポーラスシリカ粉末0.5gを加え、室温で1時間攪拌した。ロータリーエバポレータでメタノールを蒸発させた後、5%水素−窒素気流中、400℃で2時間加熱し、Pt分散シリカ粉末を得た。
(Example 3)
[1. Supporting Pt fine particles]
0.067 g of hexachloroplatinic (IV) acid hexahydrate was dissolved in 50 mL of methanol. To this solution, [1. ] 0.5 g of the mesoporous silica powder synthesized in the above was added and stirred at room temperature for 1 hour. After evaporating methanol with a rotary evaporator, it was heated in a 5% hydrogen-nitrogen stream at 400 ° C. for 2 hours to obtain Pt-dispersed silica powder.

[2. Pt担持単分散球状カーボン多孔体の作製]
Pt分散シリカ粉末0.3gにフルフリルアルコール0.16mLを加え、細孔中に含浸させた。これを150℃で24時間加熱し、細孔内のフルフリルアルコールを重合させた。さらに、これを窒素気流中、500℃で6時間焼成し、ポリフルフリルアルコールをカーボン化させた。
次に、この粉末にフルフリルアルコール0.07mLを追加添加し、再度、150℃×4時間加熱(重合)及び窒素気流中、500℃×6時間焼成(カーボン化)を行った。2回めの焼成が終了した後、この粉末を、さらに窒素気流中、900℃で6時間焼成し、フルフリルアルコールを完全にカーボン化させた。
得られた粉末を48%HF溶液中に浸し、室温で3時間攪拌した。メソポーラスシリカが完全に溶解した後、溶液を濾過・洗浄し、黒色粉末を得た。
[2. Preparation of Pt-supported monodispersed spherical carbon porous body]
0.16 mL of furfuryl alcohol was added to 0.3 g of Pt-dispersed silica powder and impregnated in the pores. This was heated at 150 ° C. for 24 hours to polymerize furfuryl alcohol in the pores. Further, this was baked in a nitrogen stream at 500 ° C. for 6 hours to carbonize polyfurfuryl alcohol.
Next, 0.07 mL of furfuryl alcohol was additionally added to this powder, and again heating (polymerization) at 150 ° C. for 4 hours and baking (carbonization) at 500 ° C. for 6 hours in a nitrogen stream were performed. After the second firing, the powder was further fired in a nitrogen stream at 900 ° C. for 6 hours to completely carbonize furfuryl alcohol.
The obtained powder was immersed in a 48% HF solution and stirred at room temperature for 3 hours. After the mesoporous silica was completely dissolved, the solution was filtered and washed to obtain a black powder.

[3. 評価]
図5に、得られた粉末のX線回折パターンを示す。図5より、Ptに対応するピークが認められ、Ptが分散したカーボン粉末が得られていることがわかる。X線回折ピークの半値幅からScherrerの式により求めたPtの結晶子径は、約2nmであった。また、得られた粉末のBET比表面積は、1100m/gであった。さらに、細孔分布は、1nmにピークを有していた。
[3. Evaluation]
FIG. 5 shows an X-ray diffraction pattern of the obtained powder. As can be seen from FIG. 5, a peak corresponding to Pt is recognized, and carbon powder in which Pt is dispersed is obtained. The crystallite diameter of Pt obtained from the half width of the X-ray diffraction peak by the Scherrer equation was about 2 nm. Moreover, the BET specific surface area of the obtained powder was 1100 m < 2 > / g. Furthermore, the pore distribution had a peak at 1 nm.

(実施例4)
[1. 窒素ドープ単分散球状カーボン多孔体の作製]
ピロール−2−カルボキシアルデヒド0.952g(0.01mol)をフルフリルアルコール1mLに完全に溶解させた。この溶液に、実施例1の[1.]で合成したメソポーラスシリカ1.0gを加え、細孔中に含浸させた。これを150℃で24時間加熱し、細孔内の有機物を重合させた。さらに、これを窒素気流中、500℃で6時間焼成し、有機物ポリマをカーボン化させた。
次に、この粉末にピロール−2−カルボキシアルデヒドのフルフリルアルコール溶液0.28mLを追加添加し、再度、150℃×4時間加熱(重合)及び窒素気流中、500℃×6時間焼成(カーボン化)を行った。2回めの焼成が終了した後、この粉末を、さらに窒素気流中、900℃で6時間焼成し、有機物ポリマを完全にカーボン化させた。
得られた粉末を48%HF溶液中に浸し、室温で3時間攪拌した。メソポーラスシリカが完全に溶解した後、溶液を濾過・洗浄し、黒色粉末を得た。
Example 4
[1. Preparation of nitrogen-doped monodispersed spherical carbon porous body]
0.952 g (0.01 mol) of pyrrole-2-carboxaldehyde was completely dissolved in 1 mL of furfuryl alcohol. To this solution, [1. ] 1.0 g of mesoporous silica synthesized in the above was added and impregnated in the pores. This was heated at 150 ° C. for 24 hours to polymerize organic substances in the pores. Further, this was baked at 500 ° C. for 6 hours in a nitrogen stream to carbonize the organic polymer.
Next, 0.28 mL of a furfuryl alcohol solution of pyrrole-2-carboxaldehyde was added to this powder, and again heating (polymerization) at 150 ° C. for 4 hours and firing at 500 ° C. for 6 hours in a nitrogen stream (carbonization) ) After the completion of the second firing, this powder was further fired in a nitrogen stream at 900 ° C. for 6 hours to completely carbonize the organic polymer.
The obtained powder was immersed in a 48% HF solution and stirred at room temperature for 3 hours. After the mesoporous silica was completely dissolved, the solution was filtered and washed to obtain a black powder.

[2. 評価]
本実施例で得られた粉末のBET比表面積は、1100m/gであった。また、細孔分布は、1nmにピークを有していた。さらに、X線光電子分光法(XPS)法により分析した結果、窒素が5%ドープされていることを確認した。
XPSスペクトルピーク分離を行うと、401.1eV及び398.6eVの位置にピークが存在することがわかった。前者は、3個のsp炭素に囲まれてグラフェン層内部に位置するクオータナリー(quaternary)状態の窒素原子に対応し、後者は、2個のsp炭素に挟まれてグラフェン層端部に位置するピリジニック(pyridinic)状態の窒素原子に対応している。ピーク面積から比を求めたところ、クオータナリー(quaternary)状態の窒素原子とピリジニック(pyridinic)状態の窒素原子の存在比は2:1であった。この結果から、窒素ドープ単分散球状カーボン多孔体中で、窒素原子は骨格から失われることなく、2種類の化学結合状態で炭素原子とともに骨格を形成していることが確認された。
図6に、実施例1で合成した単分散球状カーボン多孔体と、実施例4で合成した窒素ドープ単分散球状カーボン多孔体の水蒸気吸着等温線を比較した結果を示す。窒素ドープ単分散球状カーボン多孔体の方が、より低水蒸気圧から水蒸気を吸着しており、窒素ドープにより親水性が改善されたことがわかる。
[2. Evaluation]
The BET specific surface area of the powder obtained in this example was 1100 m 2 / g. The pore distribution had a peak at 1 nm. Furthermore, as a result of analyzing by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) method, it was confirmed that nitrogen was doped 5%.
When XPS spectral peak separation was performed, it was found that peaks exist at positions of 401.1 eV and 398.6 eV. The former corresponds to a quaternary nitrogen atom surrounded by three sp 2 carbons and located inside the graphene layer, and the latter is sandwiched between two sp 2 carbons at the end of the graphene layer. Corresponds to the pyridinic nitrogen atom located. When the ratio was calculated from the peak area, the ratio of the nitrogen atom in the quaternary state to the nitrogen atom in the pyridinic state was 2: 1. From this result, it was confirmed that in the nitrogen-doped monodispersed spherical carbon porous body, the nitrogen atoms are not lost from the skeleton and form a skeleton together with the carbon atoms in two kinds of chemical bonds.
FIG. 6 shows the result of comparing the water vapor adsorption isotherm of the monodispersed spherical carbon porous body synthesized in Example 1 and the nitrogen-doped monodispersed spherical carbon porous body synthesized in Example 4. The nitrogen-doped monodispersed spherical carbon porous body adsorbs water vapor from a lower water vapor pressure, indicating that the hydrophilicity was improved by nitrogen doping.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る単分散球状カーボン多孔体は、吸着剤、触媒、触媒担体、電気二重層キャパシタ、センサー、電極、液体クロマトグラフィー用充填剤等に用いることができる。   The monodispersed spherical carbon porous material according to the present invention can be used for an adsorbent, a catalyst, a catalyst carrier, an electric double layer capacitor, a sensor, an electrode, a filler for liquid chromatography, and the like.

実施例1で得られたメソポーラスシリカ粒子の走査型電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph of mesoporous silica particles obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた単分散球状カーボン多孔体粒子の走査型電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph of monodisperse spherical carbon porous particles obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた単分散球状カーボン多孔体の細孔分布を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the pore distribution of the monodispersed spherical carbon porous body obtained in Example 1. 実施例1で得られた単分散球状カーボン多孔体粒子の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of monodispersed spherical carbon porous particles obtained in Example 1. FIG. 実施例3で得られたPt担持単分散球状カーボン多孔体のX線回折パターンである。3 is an X-ray diffraction pattern of a Pt-supported monodispersed spherical carbon porous body obtained in Example 3. 実施例1で得られた単分散球状カーボン多孔体及び実施例4で得られた窒素ドープ単分散球状カーボン多孔体の水蒸気吸着特性を示す図である。It is a figure which shows the water vapor | steam adsorption characteristic of the monodispersed spherical carbon porous body obtained in Example 1, and the nitrogen dope monodispersed spherical carbon porous body obtained in Example 4.

Claims (8)

球状のカーボン粒子からなり、
その内部に中心から表面に向かって放射状に伸びる細孔を有し、かつ、
次の(1)式で表される単分散度が10%以下である
単分散球状カーボン多孔体。
単分散度=(粒子径の標準偏差/平均粒子径)×100(%) ・・・(1)
Consisting of spherical carbon particles,
It has pores extending radially from the center to the surface inside, and
A monodispersed spherical carbon porous body having a monodispersity represented by the following formula (1) of 10% or less.
Monodispersity = (standard deviation of particle diameter / average particle diameter) × 100 (%) (1)
その平均粒径が50nm以上2μm以下である請求項1に記載の単分散球状カーボン多孔体。   The monodispersed spherical carbon porous body according to claim 1, wherein the average particle size is 50 nm or more and 2 µm or less. その比表面積が1000m/g以上である請求項1又は2に記載の単分散球状カーボン多孔体。 The monodispersed spherical carbon porous body according to claim 1 or 2, which has a specific surface area of 1000 m 2 / g or more. その細孔分布が0.5nm以上2.0nmにピークを持つ請求項1から3までのいずれかに記載の単分散球状カーボン多孔体。   The monodispersed spherical carbon porous body according to any one of claims 1 to 3, wherein the pore distribution has a peak at 0.5 nm or more and 2.0 nm. 前記カーボン粒子の内部に貴金属微粒子が担持されている請求項1から4までのいずれかに記載の単分散球状カーボン多孔体。   The monodispersed spherical carbon porous body according to any one of claims 1 to 4, wherein noble metal fine particles are supported inside the carbon particles. 前記貴金属微粒子の粒径は、5.0nm以下である請求項5に記載の単分散球状カーボン多孔体。   The monodispersed spherical carbon porous body according to claim 5, wherein a particle diameter of the noble metal fine particles is 5.0 nm or less. 前記貴金属微粒子の担持量は、80wt%以下である請求項5又は6に記載の単分散球状カーボン多孔体。   The monodispersed spherical carbon porous body according to claim 5 or 6, wherein the supported amount of the noble metal fine particles is 80 wt% or less. 前記カーボン粒子に窒素がドープされている請求項1から7までのいずれかに記載の単分散球状カーボン多孔体。   The monodispersed spherical carbon porous body according to any one of claims 1 to 7, wherein the carbon particles are doped with nitrogen.
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