JP2007242554A - Catalyst material for fuel cell, its manufacturing method, catalyst membrane, electrode-membrane assembly, and fuel cell - Google Patents

Catalyst material for fuel cell, its manufacturing method, catalyst membrane, electrode-membrane assembly, and fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2007242554A
JP2007242554A JP2006066419A JP2006066419A JP2007242554A JP 2007242554 A JP2007242554 A JP 2007242554A JP 2006066419 A JP2006066419 A JP 2006066419A JP 2006066419 A JP2006066419 A JP 2006066419A JP 2007242554 A JP2007242554 A JP 2007242554A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
group
polymer
formula
catalyst
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2006066419A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4939084B2 (en
Inventor
Takeshi Inazaki
毅 稲崎
Kimiatsu Nomura
公篤 野村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujifilm Corp filed Critical Fujifilm Corp
Priority to JP2006066419A priority Critical patent/JP4939084B2/en
Publication of JP2007242554A publication Critical patent/JP2007242554A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4939084B2 publication Critical patent/JP4939084B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst material for a fuel cell used for improving utilization efficiency of catalyst particles, and having high durability and catalyst activity. <P>SOLUTION: This catalyst material for a fuel cell contains a carbon material, a solvolysis-resistant and heat-resistant polymer X connected to a surface of the carbon material at two or more points through a connection group having solvolysis resistance and heat resistance, and having an ionic functional group. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料として純水素、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタノールまたは化石燃料からの改質水素などを直接用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関するものであり、特に固体高分子型燃料電池において用いられる触媒材料、電極膜接合体および燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell that uses pure hydrogen, methanol, ethanol, dimethyl ether, methanol or reformed hydrogen from fossil fuel as a fuel, and uses air or oxygen as an oxidant, and in particular, a solid polymer fuel The present invention relates to a catalyst material used in a battery, an electrode membrane assembly, and a fuel cell.

固体高分子型燃料電池は、イオン伝導体すなわち電解質が固体で、かつ高分子である点に特徴を有する燃料電池であるが、その固体高分子電解質としては、具体的にイオン交換樹脂が使用され、この電解質をはさんで負極および正極の両電極を配置し、例えば、負極側に燃料として水素を、正極側に酸素または空気を供給することによって電気化学反応を起こさせ、電気を発生させるものである。
すなわち、水素を燃料とした場合、負極では次式の反応が起こり、
2→2H++2e-
また、酸素を酸化剤とした場合、正極では次式の反応が起こり、水が生成される。
1/2O2+2H++2e-→H2
A solid polymer fuel cell is a fuel cell characterized by the fact that the ionic conductor, that is, the electrolyte, is a solid and a polymer. Specifically, an ion exchange resin is used as the solid polymer electrolyte. , Disposing both the negative electrode and the positive electrode across this electrolyte, for example, generating hydrogen by supplying hydrogen as fuel to the negative electrode side and oxygen or air to the positive electrode side to generate electricity It is.
That is, when hydrogen is used as the fuel, the following reaction occurs at the negative electrode:
H 2 → 2H + + 2e
Further, when oxygen is used as the oxidizing agent, the following reaction occurs at the positive electrode, and water is generated.
1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O

上記の反応を円滑に進行させ、燃料電池の性能を最大限に発揮させるためには、電極触媒層中で、プロトン伝導体であるイオン交換樹脂、電子伝導体であるカーボン担体および反応ガスが同時に接触する三相界面に、触媒(白金等)が存在する必要がある。そのため、これまでにも触媒層構造を高機能化して、三相界面に存在する触媒量を増やそうとする試みが行われてきた。例えば、固体高分子電解質としてスルホン化フッ素樹脂の一種であるナフィオン117(ナフィオン:登録商標)(Du Pont社製)を用い、その内表面に白金等を担持した貴金属触媒を用い、さらに、触媒層の反応サイトを三次元化して作用面積を向上させる手法が開示されている(非特許文献1)。この手法によると、電解質と膜の接触面のみならず、触媒層内部の触媒も利用できるようになり、この触媒層により白金の利用率を向上させることができる。   In order for the above reaction to proceed smoothly and to maximize the performance of the fuel cell, in the electrode catalyst layer, an ion exchange resin as a proton conductor, a carbon carrier as an electron conductor, and a reaction gas are simultaneously used. A catalyst (such as platinum) needs to be present at the contacting three-phase interface. For this reason, attempts have been made to increase the amount of catalyst existing at the three-phase interface by increasing the functionality of the catalyst layer structure. For example, Nafion 117 (Nafion: registered trademark) (manufactured by Du Pont), which is a kind of sulfonated fluororesin, is used as the solid polymer electrolyte, a noble metal catalyst having platinum or the like supported on its inner surface, and a catalyst layer A method for improving the working area by three-dimensionalizing the reaction site is disclosed (Non-patent Document 1). According to this technique, not only the contact surface between the electrolyte and the membrane but also the catalyst inside the catalyst layer can be used, and the utilization rate of platinum can be improved by this catalyst layer.

また、より高機能な電極設計の基礎として、電極構造の細孔分布について検討がなされ、触媒層は、直径0.04〜1.0μmの細孔部を有し、この細孔部にプロトン伝導性電解質を分布させることが有効であることが記載されている(特許文献1)。
さらに、これらの触媒層は、直径0.04μmを境に細孔が変化しており、直径0.02μm〜0.04μmの細孔を1次細孔、直径0.04μm〜1μmの細孔を2次細孔とされている(非特許文献2)。すると、ナフィオンのようなフッ素系高分子は、その分子量の大きさから直径0.04μm以下のような細孔に進入できず、そのような細孔中の触媒粒子は三相界面が形成されないため、反応場にならない。
In addition, as a basis for designing more sophisticated electrodes, the pore distribution of the electrode structure has been studied, and the catalyst layer has pores with a diameter of 0.04 to 1.0 μm, and proton conduction is conducted in the pores. Patent Document 1 describes that it is effective to distribute an electrolyzing electrolyte.
Furthermore, these catalyst layers have pores that change with a diameter of 0.04 μm as a boundary, pores with a diameter of 0.02 μm to 0.04 μm are primary pores, and pores with a diameter of 0.04 μm to 1 μm. It is considered as a secondary pore (nonpatent literature 2). Then, a fluorine-based polymer such as Nafion cannot enter a pore having a diameter of 0.04 μm or less because of its molecular weight, and catalyst particles in such a pore do not form a three-phase interface. It does not become a reaction field.

そこで、上記で述べた様な、固体高分子電解質が進入するのが困難な、孔の小さい(例えば、直径0.04μm以下)細孔中に存在する触媒粒子を有効に利用する方法が種々検討されている。例えば、水素を燃料とする燃料電池のカソード触媒材料の作製方法として、触媒担体であるカーボンブラックの表面にスルホン酸部位あるいはスルホン酸基含有ポリマーをグラフトすることで、一次細孔中にもプロトン伝導部位を導入し、一次細孔中の触媒粒子に三相界面を形成させる方法が開示されている(非特許文献3)。しかし、非特許文献3において、グラフトされるポリマーの重量が多くなると、グラフトポリマーがカーボン細孔を埋めて酸素透過性が低下し、高電流密度領域にて出力が低下するため、導入可能なプロトン伝導部位の量が制限されるといった問題が存在する。   Therefore, various methods for effectively utilizing the catalyst particles existing in the pores having small pores (for example, a diameter of 0.04 μm or less) that are difficult for the solid polymer electrolyte to enter as described above are studied. Has been. For example, as a method for preparing a cathode catalyst material for a fuel cell using hydrogen as a fuel, proton conduction is also conducted in the primary pores by grafting a sulfonic acid site or a sulfonic acid group-containing polymer onto the surface of carbon black as a catalyst carrier. A method of introducing a site and forming a three-phase interface in catalyst particles in primary pores is disclosed (Non-Patent Document 3). However, in Non-Patent Document 3, when the weight of the polymer to be grafted increases, the graft polymer fills the carbon pores and oxygen permeability decreases, and the output decreases in a high current density region. There is a problem that the amount of conductive sites is limited.

「電気化学」第53巻第10号(1985)、812〜817頁“Electrochemistry” Vol. 53, No. 10 (1985), 812-817. J. Electrochemical Society 第142巻 第2号 463頁J. Electrochemical Society Vol.142, No.2, p.463 Journal of Power Sources 138巻、25頁 (2004年)Journal of Power Sources 138, 25 (2004) 特許第3275652号公報Japanese Patent No. 3275652

電極触媒を高性能化するためには、触媒担体であるカーボンブラックの細孔中に、プロトンと酸素を効果的に供給する必要がある。しかし、前述のように、プロトン伝導性向上のためにイオン官能基含有ポリマーを多くグラフトすると、酸素透過性が低下するため出力が上がらないといった問題があった。カーボン細孔中でのプロトン伝導性と酸素透過性の向上を両立することが本件の課題である。   In order to improve the performance of the electrode catalyst, it is necessary to effectively supply protons and oxygen into the pores of carbon black as a catalyst carrier. However, as described above, when a large amount of ionic functional group-containing polymer is grafted to improve proton conductivity, there is a problem in that the output is not increased because oxygen permeability is lowered. It is a subject of this case to make compatible the proton conductivity and oxygen permeability in a carbon pore.

1つのイオン官能基含有ポリマーを、少なくとも2点以上の連結点によってカーボン材料と連結させることにより、イオン官能基含有ポリマーがカーボン材料の細孔中で広がるのを抑止し、カーボン表面の近傍に配置させることが可能になった。これにより酸素透過性を維持しつつ、プロトン伝導性を向上させることが可能になった。
具体的には、下記手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に至った。
(1)カーボン材料と、該カーボン材料の表面と少なくとも2点以上の点で、耐加溶媒分解性および耐熱性を有する連結基を介して連結している、イオン性官能基を有する耐加溶媒分解性および耐熱性ポリマー(X)とを含む、燃料電池用触媒材料。
(2)前記ポリマー(X)が、同一構造の連結基を介して、少なくとも2点以上の点で、前記カーボン材料の表面と連結している、(1)に記載の燃料電池用触媒材料。
(3)前記ポリマー(X)が、異なる構造の連結基を介して、少なくとも2点以上の点で、前記カーボン材料の表面と連結している、(1)に記載の燃料電池用触媒材料。
(4)前記カーボン材料が電極触媒を含有する、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。
(5)前記カーボン材料が、カーボンブラックまたはカーボンナノチューブである、(1)〜(4)のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。
(6)前記連結基の少なくとも1種が下記式(1)で表される連結基である、(1)〜(5)のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。
式(1)
By linking one ionic functional group-containing polymer to the carbon material through at least two or more linking points, the ionic functional group-containing polymer is prevented from spreading in the pores of the carbon material and is placed near the carbon surface. It became possible to make it. This makes it possible to improve proton conductivity while maintaining oxygen permeability.
Specifically, the inventors have found that the above problems can be solved by the following means, and have reached the present invention.
(1) A solvent-resistant solvent having an ionic functional group, which is linked to a carbon material and a surface of the carbon material via a linking group having solvent-resistant decomposition resistance and heat resistance at least at two or more points. A fuel cell catalyst material comprising a decomposable and heat-resistant polymer (X).
(2) The catalyst material for a fuel cell according to (1), wherein the polymer (X) is connected to the surface of the carbon material at at least two points via a connecting group having the same structure.
(3) The fuel cell catalyst material according to (1), wherein the polymer (X) is connected to the surface of the carbon material at least at two or more points via connecting groups having different structures.
(4) The fuel cell catalyst material according to any one of (1) to (3), wherein the carbon material contains an electrode catalyst.
(5) The fuel cell catalyst material according to any one of (1) to (4), wherein the carbon material is carbon black or carbon nanotube.
(6) The fuel cell catalyst material according to any one of (1) to (5), wherein at least one of the linking groups is a linking group represented by the following formula (1).
Formula (1)

Figure 2007242554
(式(1)中、R1およびR2はそれぞれ2〜4価の連結基を表し、Ar1は芳香族炭化水素および/またはヘテロ環を含む2〜6価の連結基を表し、n1、n2およびn3はそれぞれ0以上の整数であり、n1とn2とn3との和は1以上の整数である。n4は1〜10の整数であり、n5は1〜3の整数である。Lcはカーボン材料側と連結する連結箇所を、Lpは前記ポリマー(X)側と連結する連結箇所を表す。)
(7)前記ポリマー(X)は、下記式(2)で表される繰り返し単位を主鎖構造として含み、かつ、前記主鎖が有する芳香環には、下記式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造が結合している、(1)〜(6)のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。
Figure 2007242554
(In formula (1), R 1 and R 2 each represent a divalent to tetravalent linking group, Ar 1 represents a divalent to hexavalent linking group containing an aromatic hydrocarbon and / or a heterocycle, and n 1 , N 2 and n 3 are each an integer of 0 or more, and the sum of n 1 , n 2 and n 3 is an integer of 1 or more, n 4 is an integer of 1 to 10, and n 5 is 1 to (It is an integer of 3. Lc represents a connection point connected to the carbon material side, and Lp represents a connection point connected to the polymer (X) side.)
(7) The polymer (X) includes a repeating unit represented by the following formula (2) as a main chain structure, and the aromatic ring included in the main chain is represented by the following formulas (3) to (5). The fuel cell catalyst material according to any one of (1) to (6), wherein at least one selected partial structure is bonded.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
(上記式(2)中、R3は芳香環を含む2価の基であり、X1は2価の連結基である。式(3)中、B1は単結合または2〜6価の連結基、A1はイオン性官能基を表し、n6は1〜5の整数を表す。式(4)中、B2は単結合または2〜6価の連結基を、Dは少なくとも1つのイオン性官能基を有するラジカル重合性モノマーの重合物を表す。式(5)においてE1は酸素透過性の高い置換基を表す。)
(8)前記ポリマー(X)の主鎖部分が、ポリエーテルスルホン系化合物、ポリエーテルエーテルスルホン系化合物、ポリエーテルエーテルケトン系化合物、ポリフェニレンスルフィド系化合物、ポリフェニレンエーテル系化合物、ポリスルホン系化合物またはポリエーテルケトン系化合物である、(1)〜(7)のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。
(9)前記ポリマー(X)の主鎖部分が、下記式(6)で表される繰り返し単位を含み、かつ、前記主鎖が有する芳香環に、下記式(7)で表される部分構造および/または下記式(8)で表される部分構造が結合している、(1)〜(6)のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。
Figure 2007242554
(In the above formula (2), R 3 is a divalent group containing an aromatic ring, and X 1 is a divalent linking group. In formula (3), B 1 is a single bond or a 2-6 valent group. A linking group, A 1 represents an ionic functional group, n 6 represents an integer of 1 to 5. In formula (4), B 2 represents a single bond or a bivalent to hexavalent linking group, and D represents at least one This represents a polymer of a radically polymerizable monomer having an ionic functional group.In formula (5), E 1 represents a substituent having high oxygen permeability.
(8) The main chain portion of the polymer (X) is a polyether sulfone compound, a polyether ether sulfone compound, a polyether ether ketone compound, a polyphenylene sulfide compound, a polyphenylene ether compound, a polysulfone compound or a polyether. 6. The fuel cell catalyst material according to any one of (1) to (7), which is a ketone compound.
(9) The partial structure represented by the following formula (7) in the main chain portion of the polymer (X) includes a repeating unit represented by the following formula (6) and the aromatic ring of the main chain has And / or the fuel cell catalyst material according to any one of (1) to (6), wherein a partial structure represented by the following formula (8) is bonded.

Figure 2007242554
(式(6)中、W11、W12およびW13はそれぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基またはヘテロ環基を表す。式(7)中、B3は単結合または2〜6価の連結基を表し、A2はイオン性官能基を表し、n7は1〜5の整数である。式(8)中、E2は酸素透過性の高い置換基を表す。)
(10)少なくとも2つ以上のラジカル発生基を有するポリマーからラジカルを発生させ、カーボン材料に前記ラジカルを捕捉させることにより、ポリマー−カーボン材料間を少なくとも2点以上で連結させることを含む、(1)〜(9)のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料の製造方法。
(11)耐加溶媒分解性および耐熱性を有する連結基を有するポリマーを、該連結基を介してカーボン材料に連結させ、前記ポリマーに少なくとも1つ以上のラジカル発生基を導入してラジカルを発生させ、前記カーボン材料に前記ラジカルを捕捉させることにより、ポリマー−カーボン材料間を少なくとも2点以上で連結させることを含む、(1)〜(9)のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料の製造方法。
(12)(1)〜(9)のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料と、固体電解質を含む触媒膜。
(13)第一の燃料電池用触媒材料と、第二の燃料電池用触媒材料と、固体電解質を含む触媒膜であって、前記第一の燃料電池用触媒材料は、(1)〜(9)のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料であり、前記第二の燃料電池用触媒材料は、カーボン表面に、イオン性官能基を有する耐加溶媒分解性および耐熱性ポリマーを有さない燃料電池用触媒材料である、触媒膜。
(14)前記固体電解質が、下記式(2)で表される繰り返し単位を主鎖構造として含み、かつ、前記主鎖が有する芳香環には、下記式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造が結合しているポリマーを含む、(12)または(13)に記載の触媒膜。
Figure 2007242554
(In the formula (6), W 11 , W 12 and W 13 each represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group. In the formula (7), B 3 is a single bond or 2-6. Represents a valent linking group, A 2 represents an ionic functional group, and n 7 represents an integer of 1 to 5. In formula (8), E 2 represents a substituent having high oxygen permeability.
(10) generating radicals from a polymer having at least two radical generating groups and capturing the radicals in the carbon material, thereby connecting the polymer and the carbon material at at least two points; )-(9) The manufacturing method of the catalyst material for fuel cells of any one of (9).
(11) A polymer having a linking group having solvolysis resistance and heat resistance is linked to a carbon material through the linking group, and at least one radical generating group is introduced into the polymer to generate radicals. The catalyst for fuel cells according to any one of (1) to (9), wherein the carbon-material is coupled with at least two points by capturing the radicals in the carbon material. Material manufacturing method.
(12) A catalyst membrane comprising the fuel cell catalyst material according to any one of (1) to (9) and a solid electrolyte.
(13) A catalyst film including a first fuel cell catalyst material, a second fuel cell catalyst material, and a solid electrolyte, wherein the first fuel cell catalyst material comprises (1) to (9) ), The second fuel cell catalyst material has a solvolysis-resistant and heat-resistant polymer having an ionic functional group on the carbon surface. There is no catalyst material for fuel cells, catalyst membrane.
(14) The solid electrolyte includes a repeating unit represented by the following formula (2) as a main chain structure, and the aromatic ring included in the main chain is selected from the following formulas (3) to (5). The catalyst membrane according to (12) or (13), comprising a polymer having at least one partial structure bonded thereto.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
(上記式(2)中、R3は芳香環を含む2価の基であり、X1は2価の連結基である。式(3)中、B1は単結合または2〜6価の連結基、A1はイオン性官能基を表し、n6は1〜5の整数を表す。式(4)中、B2は単結合または2〜6価の連結基を、Dは少なくとも1つのイオン性官能基を有するラジカル重合性モノマーの重合物を表す。式(5)においてE1は酸素透過性の高い置換基を表す。)
(15)多孔質導電シートと、該多孔質導電シートに接して設けられた触媒膜と、該触媒膜に接して設けられた固体電解質膜とを有し、かつ、前記触媒膜が、(12)〜(14)のいずれか1項に記載の触媒膜である、電極膜接合体。
(16)前記固体電解質膜が、下記式(2)で表される繰り返し単位を主鎖構造として含み、かつ、前記主鎖が有する芳香環には、下記式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造が結合しているポリマーを含む、(15)に記載の電極膜接合体。
Figure 2007242554
(In the above formula (2), R 3 is a divalent group containing an aromatic ring, and X 1 is a divalent linking group. In formula (3), B 1 is a single bond or a 2-6 valent group. A linking group, A 1 represents an ionic functional group, n 6 represents an integer of 1 to 5. In formula (4), B 2 represents a single bond or a bivalent to hexavalent linking group, and D represents at least one This represents a polymer of a radically polymerizable monomer having an ionic functional group.In formula (5), E 1 represents a substituent having high oxygen permeability.
(15) A porous conductive sheet, a catalyst film provided in contact with the porous conductive sheet, and a solid electrolyte film provided in contact with the catalyst film, and the catalyst film comprises (12 An electrode membrane assembly, which is the catalyst membrane according to any one of (14) to (14).
(16) The solid electrolyte membrane includes a repeating unit represented by the following formula (2) as a main chain structure, and the aromatic ring of the main chain is selected from the following formulas (3) to (5) The electrode membrane assembly according to (15), comprising a polymer having at least one partial structure bonded thereto.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
(上記式(2)中、R3は芳香環を含む2価の基であり、X1は2価の連結基である。式(3)中、B1は単結合または2〜6価の連結基、A1はイオン性官能基を表し、n6は1〜5の整数を表す。式(4)中、B2は単結合または2〜6価の連結基を、Dは少なくとも1つのイオン性官能基を有するラジカル重合性モノマーの重合物を表す。式(5)においてE1は酸素透過性の高い置換基を表す。)
(17)(15)または(16)に記載の電極膜接合体を有する、燃料電池。
Figure 2007242554
(In the above formula (2), R 3 is a divalent group containing an aromatic ring, and X 1 is a divalent linking group. In formula (3), B 1 is a single bond or a 2-6 valent group. A linking group, A 1 represents an ionic functional group, n 6 represents an integer of 1 to 5. In formula (4), B 2 represents a single bond or a bivalent to hexavalent linking group, and D represents at least one This represents a polymer of a radically polymerizable monomer having an ionic functional group.In formula (5), E 1 represents a substituent having high oxygen permeability.
(17) A fuel cell comprising the electrode membrane assembly according to (15) or (16).

本発明により、高い触媒活性と高い耐久性を両立した燃料電池用触媒材料を製造することが可能になった。電極膜接合体が容易に作製でき、高い性能を有する燃料電池の作製が可能になった。   According to the present invention, it has become possible to produce a fuel cell catalyst material having both high catalytic activity and high durability. An electrode membrane assembly can be easily produced, and a fuel cell having high performance can be produced.

以下において、本発明の内容について詳細に説明する。尚、本願明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
本発明における各種物性値は、特に述べない限り室温(例えば、25℃)における状態のものを示している。また、本発明における重合には、いわゆる共重合も含む趣旨である。従って、本発明でいう重合体には、共重合体も含む趣旨である。さらに、本願明細書において、アセチル基をAc、エチル基をEt、メチル基をMe、フェニル基またはフェニレン基をPhと示すことがある。
加えて、本発明における「膜」には、板状や平板状のもの等を含む趣旨である。
Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail. In the present specification, “to” is used to mean that the numerical values described before and after it are included as a lower limit value and an upper limit value.
Various physical property values in the present invention are those at room temperature (for example, 25 ° C.) unless otherwise specified. Further, the polymerization in the present invention includes so-called copolymerization. Therefore, the polymer referred to in the present invention is intended to include a copolymer. Further, in the present specification, the acetyl group may be indicated as Ac, the ethyl group as Et, the methyl group as Me, and the phenyl group or phenylene group as Ph.
In addition, the “film” in the present invention is intended to include plate-shaped and flat-plate-shaped materials.

(1)本発明の燃料電池用触媒材料は、カーボン材料と、該カーボン材料の表面と、少なくとも2点以上の点で、耐加溶媒分解性および耐熱性を有する連結基を介して連結している、イオン性官能基を有する耐加溶媒分解性および耐熱性ポリマー(X)とを含む。
ここで、少なくとも2点以上の点で連結しているとは、1つのポリマー(X)が、カーボン材料の表面と2箇所以上で繋がっていることをいう。尚、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、これ以外の連結態様でカーボン材料の表面と連結しているポリマーが存在することを排除するものではない。
ここで、1つのポリマー(X)とカーボン材料をつなぐ連結基部分の構造は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
また、連結基の一部は、カーボン材料またはポリマー(X)と兼ねる構成(例えば、カーボン材料またはポリマー(X)との連結点を含めて連結基となる構成)であってもよい。
耐加溶媒分解性を有する基とは、燃料電池の実働環境下における高温・強酸性条件下において加溶媒分解され易い(例えば、100℃、pH2以下の条件で、10%以上が加溶媒分解される)結合、例えば、エステル結合、アミド結合およびシロキサン結合などを含まない基を意味する。このような耐加溶媒分解性を有する連結基としては、例えば、脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、ヘテロ環基、
(1) The fuel cell catalyst material of the present invention is connected to a carbon material, the surface of the carbon material, and at least two points through a linking group having solvolysis resistance and heat resistance. And a solvolysis-resistant and heat-resistant polymer (X) having an ionic functional group.
Here, being connected at least two or more points means that one polymer (X) is connected to the surface of the carbon material at two or more points. In addition, within the range which does not deviate from the meaning of this invention, it does not exclude that the polymer connected with the surface of carbon material by the connection aspect other than this exists.
Here, the structure of the linking group portion connecting one polymer (X) and the carbon material may be the same or different.
Further, a part of the linking group may have a configuration that also serves as the carbon material or the polymer (X) (for example, a configuration that becomes a linking group including a connection point with the carbon material or the polymer (X)).
The group having solvolysis resistance is easily solvolyzed under high temperature and strongly acidic conditions in the working environment of the fuel cell (for example, 10% or more is solvolyzed at 100 ° C. and pH 2 or less). A group containing no bond, such as an ester bond, an amide bond, and a siloxane bond. Examples of the solvolysis-resistant linking group include an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, a heterocyclic group,

Figure 2007242554
からなる群から選ばれる1つ以上の組み合わせからなる基が挙げられる。
Figure 2007242554
And a group consisting of one or more combinations selected from the group consisting of:

ここで、脂肪族炭化水素基は飽和炭化水素でも不飽和炭化水素でもよく、また、直鎖、分岐、環状のいずれであってもよい。さらに、水素原子が本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。脂肪族炭化水素基の炭素数は1〜12が好ましく、1〜6がより好ましい。脂肪族炭化水素基としては、具体的には、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ヘキシレン基、オクチレン基、デシレン基、イソブチレン基、−(CH2)nCH=CH−(nは、整数であり、好ましくは、1〜6の整数である。)、−CH2CH2CH=CH−、C((CH2) n−)4(nは、整数であり、好ましくは0〜6の整数である)、CH((CH2) n−)3(nは、整数であり、好ましくは0〜6の整数である)、CH3C((CH2) n−)3(nは、整数であり、好ましくは0〜6の整数である)、EtC((CH2) n−)3(nは、整数であり、好ましくは0〜6の整数である)、−C((CH2n−)3(nは、整数であり、好ましくは0〜6の整数である)、−CH((CH2n−)2(nは、整数であり、好ましくは0〜6の整数である)が好ましい。
芳香族炭化水素基の炭素数は、6〜25が好ましく、6〜16がより好ましく、6〜12がさらに好ましい。芳香族炭化水素基の環状の水素原子は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。芳香族炭化水素基としては、トリフェニレン環、ピレン環、アントラセン環、ナフタレン環、ビフェニレン環、ベンゼン環を有する基が好ましく、ナフタレン環、ビフェニレン環、ベンゼン環を有する基がより好ましく、ベンゼン環を有する基が最も好ましい。
ヘテロ環基は、硫黄原子、窒素原子、酸素原子のいずれかを含むものが好ましく、硫黄原子または窒素原子を含むものが好ましい。また、ヘテロ環基が有する炭素数は、3〜16が好ましく、3〜12がより好ましい。ヘテロ環基の環上の水素原子は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。ヘテロ環基としては、具体的には、ピリジン環、フラン環、チエテン環、トリアジン環を有する基が好ましく、トリアジン環を有する基がさらに好ましい。
Here, the aliphatic hydrocarbon group may be a saturated hydrocarbon or an unsaturated hydrocarbon, and may be linear, branched, or cyclic. Further, the hydrogen atom may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom) within a range not departing from the gist of the present invention. 1-12 are preferable and, as for carbon number of an aliphatic hydrocarbon group, 1-6 are more preferable. Specific examples of the aliphatic hydrocarbon group include a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a butylene group, a hexylene group, an octylene group, a decylene group, an isobutylene group, — (CH 2 ) n CH═CH— (n is , And preferably an integer of 1 to 6.), —CH 2 CH 2 CH═CH—, C ((CH 2 ) n —) 4 (n is an integer, preferably 0 to 6), CH ((CH 2 ) n −) 3 (n is an integer, preferably an integer of 0 to 6), CH 3 C ((CH 2 ) n −) 3 (n Is an integer, preferably an integer from 0 to 6), EtC ((CH 2 ) n —) 3 (n is an integer, preferably an integer from 0 to 6), —C (( CH 2) n -) 3 ( n is an integer, preferably an integer of 0~6), - CH ((CH 2) n -) 2 (n is an integer, preferably 0 to 6 Is an integer).
6-25 are preferable, as for carbon number of an aromatic hydrocarbon group, 6-16 are more preferable, and 6-12 are more preferable. The cyclic hydrogen atom of the aromatic hydrocarbon group may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom) without departing from the gist of the present invention. The aromatic hydrocarbon group is preferably a group having a triphenylene ring, pyrene ring, anthracene ring, naphthalene ring, biphenylene ring or benzene ring, more preferably a group having a naphthalene ring, biphenylene ring or benzene ring, and a benzene ring. Groups are most preferred.
The heterocyclic group preferably contains any of a sulfur atom, a nitrogen atom and an oxygen atom, and preferably contains a sulfur atom or a nitrogen atom. Moreover, 3-16 are preferable and, as for carbon number which a heterocyclic group has, 3-12 are more preferable. The hydrogen atom on the ring of the heterocyclic group may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) without departing from the spirit of the present invention. Specifically, the heterocyclic group is preferably a group having a pyridine ring, a furan ring, a thieten ring, or a triazine ring, and more preferably a group having a triazine ring.

耐加溶媒分解性を有する基の好ましい例としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ヘキシレン基、オクチレン基、デシレン基、フェニレン(−Ph−)基、−CH2−O−(CH2n−(nは、整数であり、好ましくは、1〜6の整数である)、−CH2−Ph−、−CH2CH2OCH2CH2−、−(CH2CH2O)2CH2CH2−、−CH2CH=CH−、−CH2CH2CH=CH−、C((CH2) n−)4(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、CH((CH2) n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、CH3C((CH2) n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、EtC((CH2) n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、−C((CH2n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、−CH((CH2n−)2(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、ならびに、これら(前記基を2以上組み合わせた基を含む)と−CO−、−SO−、−CS−、−SO2−、 Preferred examples of the group having solvolysis resistance include a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a butylene group, a hexylene group, an octylene group, a decylene group, a phenylene (—Ph—) group, —CH 2 —O— ( CH 2) n - (n is an integer, preferably an integer from 1 to 6), - CH 2 -Ph -, - CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 -, - (CH 2 CH 2 O ) 2 CH 2 CH 2 —, —CH 2 CH═CH—, —CH 2 CH 2 CH═CH—, C ((CH 2 ) n —) 4 (n is an integer of 0 or more, preferably Each of which is an integer of 0 to 6), CH ((CH 2 ) n —) 3 (n is an integer of 0 or more, preferably each of 0 to 6), CH 3 C ((CH 2) n -) 3 (n are each an integer of 0 or more, each an integer of preferably 0 to 6) EtC ((CH 2) n - ) 3 (n is an integers of 0 or more, preferably an integer of 0~6), - C ((CH 2) n -) 3 (n , respectively An integer of 0 or more, preferably each of 0 to 6), —CH ((CH 2 ) n —) 2 (n is an integer of 0 or more, preferably each of 0 to 6) As well as these (including groups in which two or more of the above groups are combined) and —CO—, —SO—, —CS—, —SO 2 —,

Figure 2007242554
の1つ以上との組み合わせが挙げられる。
Figure 2007242554
And a combination with one or more of the above.

耐熱性を有する基としては、燃料電池の実働環境下における高温条件下(例えば、100℃以上)でも安定に存在する基を意味する。例えば、イオン性官能基がスルホ基の場合において、スルホ基が芳香族環に直接結合していると、このスルホ基は解離平衡状態にあるため、高温下において経時で脱離することが知られており(Coll.Czech.Chem.Commun.、第9巻、465頁(1937))、芳香族環への単結合は耐熱性を有しているとは言えない。よって、ここで耐熱性を有する基としては、芳香族環への単結合を除く全ての有機基のことを表す。ただし、芳香族環へ単結合を介しスルホ基が連結している場合でも、該芳香族環に電子吸引性基が存在する場合には、スルホ基の耐熱性が向上することが知られている(NEDO成果報告書100004243 「平成15年度成果報告書 固体高分子形燃料電池システム技術開発事業 固体高分子形燃料電池要素技術開発等事業 固体高分子形燃料電池用高耐久性炭化水素系電解質膜の研究開発」)。よって、芳香環へ単結合を介しスルホ基が連結している場合でも、該芳香環上の該スルホ基を除く置換基の置換基定数σの和がある値以上であれば、そのスルホ基は耐熱性を有するとみなすことができる。耐熱性を有するための該置換基定数σの和は0.3以上であることが好ましく、0.35以上であることがさらに好ましく、0.4以上であることが最も好ましい。なお、スルホ基に対しオルト位に位置する置換基の置換基定数は、パラ位の値を代用するものとする。
以下、上記の耐熱性を有する連結基の条件を満たすものを、条件Bということがある。
耐熱性を有する連結基の好ましい例としては、前記耐加溶媒分解性を有する連結基の好ましい例中から、芳香族基に単結合を介してイオン性官能基が連結する場合(上記置換基定数σに関する条件を満たすものは含まない)を除いたものが挙げられる。
The group having heat resistance means a group that exists stably even under high temperature conditions (for example, 100 ° C. or higher) in the actual working environment of the fuel cell. For example, in the case where the ionic functional group is a sulfo group, it is known that if the sulfo group is directly bonded to the aromatic ring, the sulfo group is in a dissociation equilibrium state, so that it is eliminated over time at a high temperature. (Col. Czech. Chem. Commun., Vol. 9, pp. 465 (1937)), it cannot be said that a single bond to an aromatic ring has heat resistance. Therefore, here, the group having heat resistance represents all organic groups except a single bond to an aromatic ring. However, even when a sulfo group is linked to an aromatic ring via a single bond, it is known that the heat resistance of the sulfo group is improved when an electron-withdrawing group is present in the aromatic ring. (NEDO Achievement Report 100004243 “FY2003 Achievement Report Solid Polymer Fuel Cell System Technology Development Project Solid Polymer Fuel Cell Element Technology Development Business, etc.) Highly durable hydrocarbon-based electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells Research and Development"). Therefore, even when a sulfo group is linked to an aromatic ring via a single bond, if the sum of substituent constants σ of substituents other than the sulfo group on the aromatic ring is a certain value or more, the sulfo group is It can be regarded as having heat resistance. The sum of the substituent constants σ for heat resistance is preferably 0.3 or more, more preferably 0.35 or more, and most preferably 0.4 or more. In addition, the value of the para position shall be substituted for the substituent constant of the substituent located in the ortho position with respect to the sulfo group.
Hereinafter, what satisfies the conditions for the above-mentioned linking group having heat resistance may be referred to as Condition B.
As a preferable example of the linking group having heat resistance, from the preferable examples of the linking group having solvolysis resistance, an ionic functional group is connected to an aromatic group through a single bond (the above substituent constants). excluding those satisfying the condition for σ).

(2)本発明の燃料電池用触媒材料に用いられるカーボン材料(触媒担持カーボン材料)は、特に定めるものではなく、公知のカーボン材料を用いることができ、カーボンブラック、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノホーン(CNH)、フラーレン、黒鉛が好ましく用いられる。カーボンブラックおよびカーボンナノチューブは、表面上に存在する官能基を起点としてイオン性官能基を導入できるため、特に好ましく用いることができる。 (2) The carbon material (catalyst-carrying carbon material) used for the fuel cell catalyst material of the present invention is not particularly defined, and a known carbon material can be used, and carbon black, carbon nanotube (CNT), carbon Nanohorn (CNH), fullerene, and graphite are preferably used. Carbon black and carbon nanotubes can be used particularly preferably because ionic functional groups can be introduced starting from functional groups present on the surface.

カーボンブラック
本発明で用いられるカーボンブラックは、天然ガス、炭化水素ガスの気相熱分解や不完全燃焼によって生成する微粉であって、球状または鎖状の炭素であり、製法によりチャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、ランプブラックなどがある。これらは、それぞれ粒子サイズ、酸素含有量、揮発成分、比表面積、微細構造などが異なり、最新カーボンブラック技術大全集、第四章(2005年 技術情報協会刊)に記載がある。本発明においては上記のカーボンブラックの1種または2種以上を使用可能であり、また、ケッチェンブラック、Vulcan XC−72などの市販品も使用することができる。
Carbon black The carbon black used in the present invention is a fine powder produced by gas phase pyrolysis or incomplete combustion of natural gas or hydrocarbon gas, and is spherical or chain-like carbon. , Thermal black and lamp black. These differ in particle size, oxygen content, volatile components, specific surface area, microstructure, etc., and are described in the latest collection of the latest carbon black technologies, Chapter 4 (published in 2005 by Technical Information Association). In the present invention, one or more of the above carbon blacks can be used, and commercially available products such as ketjen black and Vulcan XC-72 can also be used.

カーボンブラック表面には、フェノール性水酸基、カルボキシル基、キノン型カルボニル基、ラクトン基などの含酸素官能基が存在し、これらの官能基を利用してカーボンブラック表面上にポリマーを導入することができる。これらの官能基は、元々カーボンブラック表面に存在するものに加え、酸化処理を施すことによって、その数を増やすことができる。酸化処理の方法としては、コロナ放電、プラズマ処理、気相酸化、液相酸化などが挙げられ、これらの方法から1つ以上の方法を用いて酸化処理を行い、カーボンブラック表面の官能基数を増やすことが好ましい。気相酸化における酸化剤としては、分子状酸素、原子状酸素、オゾン、乾燥空気、湿潤空気が挙げられ、可能な限りこれらを2種類以上組み合わせて使用してもよい。液相酸化における酸化剤としては、硝酸、過マンガン酸カリウム、亜塩素酸、塩素酸および過塩素酸の各ナトリウム塩、酸素飽和水、オゾン水溶液、臭素水溶液、次亜塩素酸ナトリウム、クロム酸カリウムとリン酸の混合水溶液、重クロム酸銀と硫酸の混合物などが挙げられる。   There are oxygen-containing functional groups such as phenolic hydroxyl groups, carboxyl groups, quinone-type carbonyl groups, and lactone groups on the surface of carbon black, and polymers can be introduced onto the surface of carbon black using these functional groups. . The number of these functional groups can be increased by subjecting them to an oxidation treatment in addition to those originally present on the carbon black surface. Examples of the oxidation treatment method include corona discharge, plasma treatment, gas phase oxidation, liquid phase oxidation, etc., and oxidation treatment is performed using one or more of these methods to increase the number of functional groups on the carbon black surface. It is preferable. Examples of the oxidizing agent in the gas phase oxidation include molecular oxygen, atomic oxygen, ozone, dry air, and wet air, and these may be used in combination of two or more kinds as much as possible. As oxidizing agents in liquid phase oxidation, nitric acid, potassium permanganate, chlorous acid, chloric acid and perchloric acid sodium salt, oxygen saturated water, ozone aqueous solution, bromine aqueous solution, sodium hypochlorite, potassium chromate And a mixed aqueous solution of phosphoric acid and a mixture of silver dichromate and sulfuric acid.

カーボンブラック表面のカルボキシル基、ラクトン基に関しては、そのままの形では、耐熱性・耐加溶媒分解性の小さいエステル結合やアミド結合を介したポリマー導入しか行えないため、還元してヒドロキシメチル基とし、該ヒドロキシメチル基を利用して上記セグメントを導入することが好ましい。   As for the carboxyl group and lactone group on the surface of carbon black, as it is, the polymer can only be introduced via an ester bond or amide bond with low heat resistance and solvolysis resistance, so it is reduced to a hydroxymethyl group, It is preferable to introduce the segment using the hydroxymethyl group.

また、カーボンブラックは強力なラジカル捕捉剤として作用することが知られており(例えば、N.Tsubokawaらの研究報告、J. Polym. Sci., Part A:Polym. Chem., 36巻、3165頁(1998年)など)、例えばアゾ基の熱分解などで生じた炭素ラジカルを捕捉し、耐加溶媒分解性および耐熱性に優れる炭素−炭素結合あるいは炭素−酸素結合を形成する。よってこのようなラジカル捕捉性を利用してポリマーを導入することもできる。   Carbon black is also known to act as a strong radical scavenger (for example, N. Tsubokawa et al., J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 36, 3165). (1998) etc.), for example, captures a carbon radical generated by thermal decomposition of an azo group, and forms a carbon-carbon bond or a carbon-oxygen bond excellent in solvolysis resistance and heat resistance. Therefore, a polymer can also be introduced using such radical scavenging properties.

カーボンナノチューブ
本発明で用いられるカーボンナノチューブは、その表面にカルボキシル基を有し、このカルボキシル基を起点としてカーボンナノチューブ表面にイオン性官能基を導入することができる。また、酸化処理により表面上のカルボキシル基の数を増やすことができるため、本発明に用いる場合には酸化処理を行うことが好ましい。酸化処理の方法としては、硝酸による酸化反応を用いるのが好ましい。
Carbon nanotube The carbon nanotube used in the present invention has a carboxyl group on its surface, and an ionic functional group can be introduced on the surface of the carbon nanotube starting from this carboxyl group. In addition, since the number of carboxyl groups on the surface can be increased by the oxidation treatment, it is preferable to perform the oxidation treatment when used in the present invention. As an oxidation treatment method, it is preferable to use an oxidation reaction with nitric acid.

カーボンナノチューブ表面のカルボキシル基は、そのままの形では、耐熱性・耐加溶媒分解性の小さいエステル結合やアミド結合を介したポリマー導入しか行えないため、還元してヒドロキシメチル基とし、該ヒドロキシメチル基を利用してポリマーを導入することが好ましい。   The carboxyl group on the surface of the carbon nanotube can be reduced to a hydroxymethyl group because the polymer can only be introduced via an ester bond or an amide bond with low heat resistance and solvolysis resistance, as it is. It is preferable to introduce a polymer using

また、カーボンナノチューブもラジカル捕捉剤として作用することが知られており(例えば、A.Adronovらの研究報告、Macromolecules、 38巻、1172頁(2005年)など)、例えばアゾ基の熱分解などで生じた炭素ラジカルを捕捉し、耐加溶媒分解性および耐熱性に優れる炭素−炭素結合あるいは炭素−酸素結合を形成する。よってこのようなラジカル捕捉性を利用して親水性セグメントおよび疎水性セグメントを導入することもできる。  Carbon nanotubes are also known to act as radical scavengers (for example, A. Adronov et al., Research report, Macromolecules, 38, 1172 (2005)). The generated carbon radical is captured, and a carbon-carbon bond or a carbon-oxygen bond excellent in solvolysis resistance and heat resistance is formed. Therefore, a hydrophilic segment and a hydrophobic segment can also be introduced using such radical scavenging properties.

(4)耐加溶媒分解性および耐熱性を有する連結基の詳細な説明
前記耐加溶媒分解性および耐熱性を有する連結基は、式(1)で表される連結基であることが好ましい。
(4) Detailed description of linking group having solvolysis resistance and heat resistance The linking group having solvolysis resistance and heat resistance is preferably a linking group represented by formula (1).

式(1) Formula (1)

Figure 2007242554
Figure 2007242554

(式(1)中、R1およびR2はそれぞれ2〜4価の連結基を表し、Ar1は芳香族炭化水素および/またはヘテロ環を含む2〜6価の連結基を表し、n1、n2およびn3はそれぞれ0以上の整数であり、n1とn2とn3との和は1以上の整数である。n4は1〜10の整数であり、n5は1〜3の整数である。Lcはカーボン材料側と連結する連結箇所を、Lpは前記ポリマー(X)側と連結する連結箇所を表す。)
ここで、式(1)中、R1およびR2はそれぞれ、脂肪族炭化水素基、−O−、
(In formula (1), R 1 and R 2 each represent a divalent to tetravalent linking group, Ar 1 represents a divalent to hexavalent linking group containing an aromatic hydrocarbon and / or a heterocycle, and n 1 , N 2 and n 3 are each an integer of 0 or more, and the sum of n 1 , n 2 and n 3 is an integer of 1 or more, n 4 is an integer of 1 to 10, and n 5 is 1 to (It is an integer of 3. Lc represents a connection point connected to the carbon material side, and Lp represents a connection point connected to the polymer (X) side.)
Here, each of the formula (1), R 1 and R 2 are aliphatic hydrocarbon radicals, -O-,

Figure 2007242554
からなる群から選ばれる1以上の組み合わせからなる基であることが好ましい。
ここで、脂肪族炭化水素基は、飽和炭化水素でも不飽和炭化水素でもよく、また、直鎖、分岐、環状のいずれであってもよい。さらに、水素原子が、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。脂肪族炭化水素基の炭素数は1〜24が好ましく、1〜6がより好ましい。
1およびR2の好ましい例としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ヘキシレン基、オクチレン基、デシレン基、イソブチレン基、−CH2−O−(CH2n−(nは、0以上の整数であり、好ましくは、1〜6の整数である)、−CH2CH2OCH2CH2−、−(CH2CH2O)2CH2CH2−、C((CH2) n−)4(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、CH((CH2) n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、CH3C((CH2) n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、EtC((CH2) n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、−C((CH2n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、−CH((CH2n−)2(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、ならびに、これら(前記基を2以上組み合わせた基を含む)と、−O−、−CO−、−SO−、−CS−、−SO2−、
Figure 2007242554
A group consisting of one or more combinations selected from the group consisting of
Here, the aliphatic hydrocarbon group may be a saturated hydrocarbon or an unsaturated hydrocarbon, and may be linear, branched, or cyclic. Furthermore, the hydrogen atom may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) without departing from the spirit of the present invention. 1-24 are preferable and, as for carbon number of an aliphatic hydrocarbon group, 1-6 are more preferable.
Preferred examples of R 1 and R 2 include methylene group, ethylene group, propylene group, butylene group, hexylene group, octylene group, decylene group, isobutylene group, —CH 2 —O— (CH 2 ) n — (n is , An integer of 0 or more, preferably an integer of 1 to 6), —CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 —, — (CH 2 CH 2 O) 2 CH 2 CH 2 —, C ((CH 2 ) n −) 4 (n is an integer of 0 or more, preferably each of 0 to 6), CH ((CH 2 ) n −) 3 (n is an integer of 0 or more, respectively) Each is preferably an integer of 0 to 6), CH 3 C ((CH 2 ) n —) 3 (n is an integer of 0 or more, and preferably an integer of 0 to 6). EtC ((CH 2 ) n —) 3 (n is an integer of 0 or more, preferably 0 to 0, respectively. 6 is an integer of), - C ((CH 2 ) n -) 3 (n are each integer of 0 or greater, each an integer of preferably 0~6), - CH ((CH 2) n -) 2 (n is an integer of 0 or more, preferably an integer of 0 to 6, respectively), and these (including groups in which two or more of the above groups are combined), -O-, -CO -, - SO -, - CS -, - SO 2 -,

Figure 2007242554
の1つ以上との組み合わせが挙げられる。
1およびR2は特に好ましくは、−O−、−CH2−、−O(CH2n−、−O(CH2nO−、−SO2−、−CO−または、これらの2以上の組み合わせからなる基である。
Figure 2007242554
And a combination with one or more of the above.
R 1 and R 2 are particularly preferably —O—, —CH 2 —, —O (CH 2 ) n —, —O (CH 2 ) n O—, —SO 2 —, —CO— or these A group consisting of two or more combinations.

式(1)中、Ar1は、好ましくは、芳香族炭化水素基またはヘテロ環基、ならびにこれらと、−O−、−CO−、−S−、−SO−、−CS−、−SO2−の1つ以上の組み合わせから構成される基である。
ここで、芳香族炭化水素基の炭素数は、6〜25が好ましく、6〜16がより好ましく、6〜12がさらに好ましい。芳香族炭化水素基の環上の水素原子は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。
ヘテロ環基は、硫黄原子、窒素原子、酸素原子のいずれかを含むものが好ましく、硫黄原子または窒素原子を含むものが好ましい。また、ヘテロ環基が有する炭素数は、2〜12が好ましく、3〜8がより好ましい。ヘテロ環基の環上の水素原子は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。
Ar1としては、具体的には、トリフェニレン環、ピレン環、アントラセン環、ナフタレン環、ビフェニレン環、ベンゼン環を有する基、ならびにこれらと、−O−、−CO−、−S−、−SO−、−CS−、−SO2−の1つ以上からなる組み合わせ、または、ピリジン環、フラン環、チオフェン環、トリアジン環を有する基を有する基、ならびにこれらと、−O−、−CO−、−S−、−SO−、−CS−、−SO2−の1つ以上からなる組み合わせが好ましい。
In the formula (1), Ar 1 is preferably an aromatic hydrocarbon group or a heterocyclic group, and these, —O—, —CO—, —S—, —SO—, —CS—, —SO 2. A group composed of one or more combinations of-.
Here, 6-25 are preferable, as for carbon number of an aromatic hydrocarbon group, 6-16 are more preferable, and 6-12 are more preferable. The hydrogen atom on the ring of the aromatic hydrocarbon group may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) without departing from the spirit of the present invention.
The heterocyclic group preferably contains any of a sulfur atom, a nitrogen atom and an oxygen atom, and preferably contains a sulfur atom or a nitrogen atom. Moreover, 2-12 are preferable and, as for carbon number which a heterocyclic group has, 3-8 are more preferable. The hydrogen atom on the ring of the heterocyclic group may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) without departing from the spirit of the present invention.
Specific examples of Ar 1 include a triphenylene ring, a pyrene ring, an anthracene ring, a naphthalene ring, a biphenylene ring, a group having a benzene ring, and these, and —O—, —CO—, —S—, —SO—. , —CS—, —SO 2 — or a combination of one or more, or a group having a group having a pyridine ring, a furan ring, a thiophene ring or a triazine ring, and these, and —O—, —CO—, — S -, - SO -, - CS -, - SO 2 - is a combination of one or more preferred.

式(1)中、n1、n2およびn3はそれぞれ0〜5の整数であることが好ましく、それぞれ0または1であることがさらに好ましい。n1とn2とn3の和は、1〜10の整数であることが好ましく、1〜5の整数であることがさらに好ましく、1〜3の整数であることが特に好ましい。n1、n2またはn3が2以上である場合、2以上のR1、Ar1およびR2は、それぞれ、同一であってもよいし、異なっていてもよい。 In the formula (1), n 1 , n 2 and n 3 are each preferably an integer of 0 to 5, and more preferably 0 or 1, respectively. The sum of n 1 , n 2 and n 3 is preferably an integer of 1 to 10, more preferably an integer of 1 to 5, and particularly preferably an integer of 1 to 3. When n 1 , n 2 or n 3 is 2 or more, two or more of R 1 , Ar 1 and R 2 may be the same or different.

式(1)中、n4は、1〜5の整数であることが好ましく、1〜3の整数であることがより好ましい。n4が2以上の場合、2以上のR2は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
5は1または3が好ましい。n5が2以上の場合、2以上のR1、Ar1およびR2は、それぞれ、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
尚、Lcは、該連結基とカーボン材料との連結箇所を表す記号であり、具体的な基が存在するわけではない。同様に、Lpは該連結基とポリマーとの連結箇所を表す記号であり、具体的な基が存在するわけではない。
Wherein (1), n 4 is preferably an integer of 1 to 5, and more preferably an integer of 1 to 3. When n 4 is 2 or more, two or more R 2 s may be the same or different.
n 5 is preferably 1 or 3. When n 5 is 2 or more, two or more of R 1 , Ar 1 and R 2 may be the same or different.
In addition, Lc is a symbol representing a connection portion between the linking group and the carbon material, and no specific group exists. Similarly, Lp is a symbol that represents the connection point between the linking group and the polymer, and no specific group exists.

連結基とカーボン材料との連結部は、炭素原子、酸素原子または硫黄原子を介して連結していることが好ましく、耐加溶媒分解性および耐熱性を有する化学結合により構成されていることが好ましい。耐加溶媒分解性および耐熱性を有する化学結合としては、炭素−炭素単結合、エーテル結合、炭素−SO2結合、炭素−炭素二重結合、炭素−炭素三重結合およびチオエーテル結合が好ましく、炭素−炭素単結合、エーテル結合および炭素−SO2結合がさらに好ましい。
より具体的には、本発明で採用するカーボン材料がカーボンブラックの場合には、カーボンブラック表面上に存在するフェノール性水酸基由来の酸素原子と式(1)中のR1由来の炭素原子で形成されるエーテル結合、該フェノール性水酸基のオルト位の炭素原子とR1の炭素原子とで形成される単結合、カーボンブラック上のカルボキシル基を還元することで得られるヒドロキシメチル基由来の酸素原子とR1の炭素原子とで形成されるエーテル結合、カーボンブラック表面上に存在するキノン性カルボニル酸素原子と式(1)中のR1由来の炭素原子とで形成されるエーテル結合、カーボンブラック上の炭素原子とR1の炭素原子とで形成される単結合が特に好ましい。カーボン材料がカーボンナノチューブの場合には、カーボンナノチューブ上のカルボキシル基を還元することで得られるヒドロキシメチル基由来の酸素原子とR1の炭素原子とで形成されるエーテル結合が特に好ましい。
The connecting part between the linking group and the carbon material is preferably connected via a carbon atom, oxygen atom or sulfur atom, and is preferably constituted by a chemical bond having solvolysis resistance and heat resistance. . As the chemical bond having solvolysis resistance and heat resistance, a carbon-carbon single bond, an ether bond, a carbon-SO 2 bond, a carbon-carbon double bond, a carbon-carbon triple bond, and a thioether bond are preferable. A carbon single bond, an ether bond and a carbon-SO 2 bond are more preferable.
More specifically, when the carbon material used in the present invention is carbon black, it is formed of an oxygen atom derived from a phenolic hydroxyl group present on the carbon black surface and a carbon atom derived from R 1 in the formula (1). An ether bond, a single bond formed by the carbon atom at the ortho position of the phenolic hydroxyl group and the carbon atom of R 1 , an oxygen atom derived from a hydroxymethyl group obtained by reducing a carboxyl group on carbon black, An ether bond formed with the carbon atom of R 1 , an ether bond formed with the quinone carbonyl oxygen atom present on the carbon black surface and the carbon atom derived from R 1 in formula (1), on the carbon black A single bond formed by a carbon atom and a carbon atom of R 1 is particularly preferable. When the carbon material is a carbon nanotube, an ether bond formed by an oxygen atom derived from a hydroxymethyl group obtained by reducing a carboxyl group on the carbon nanotube and a carbon atom of R 1 is particularly preferable.

また、カーボン材料とR1を連結する際には、カーボン材料に存在する炭素原子を介してR1と連結する方法と、カーボン材料に存在する酸素原子を介してR1と連結する方法の2通りの方法が存在するが、本発明においては、いずれの方法も好ましく用いることができる。 Further, when connecting the carbon material and R 1 is 2 ways of connecting the R 1 via the method of connecting the R 1 via a carbon atom present in the carbon material, the oxygen atoms present in the carbon material Although there are various methods, any method can be preferably used in the present invention.

式(1)で表される連結基の総炭素数は、0〜60が好ましく、0〜50がより好ましく、0〜40がさらに好ましい。
また、本発明の燃料電池用触媒材料中には、式(1)で表される連結基が1種類のみ含まれていてもよいし、2種類以上含まれていてもよい。
0-60 are preferable, as for the total carbon number of the coupling group represented by Formula (1), 0-50 are more preferable, and 0-40 are more preferable.
Further, in the fuel cell catalyst material of the present invention, only one type of linking group represented by the formula (1) may be included, or two or more types may be included.

以下に、式(1)で表される連結基を例示するが、本発明はこれらに限定されない。   Although the coupling group represented by Formula (1) is illustrated below, this invention is not limited to these.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
Figure 2007242554

(5)ポリマー(X)のカーボン材料への連結方法
ポリマー(X)をカーボン材料へ連結する際には、大別して以下の3つの反応が用いられる。
(1)求核置換反応
カーボン材料表面に存在するフェノール性水酸基を塩基性条件下で反応させ、エーテル結合を介してポリマー(X)をカーボン材料へ導入する方法が採用できる。
(2)求電子芳香核置換反応
カーボン材料表面に存在する芳香族性C−H結合を有する部位をルイス酸触媒下で反応させ、種々の結合様式を介してポリマー(X)をカーボン材料へ導入する方法が採用できる。
(3)ラジカルトラッピング反応
カーボンブラックやカーボンナノチューブなどのカーボン材料は、強力なラジカル捕捉剤として作用することが知られており(例えば、N.Tsubokawaらの研究報告、J. Polym. Sci., Part A:Polym. Chem., 36巻、3165頁(1998年)など)、これを連結反応に用いることができる。すなわち、カーボン材料表面に存在する芳香族性C−H結合を有する部位およびキノン性カルボニル部位と、ポリマー(X)上で発生させたラジカルを反応させ、種々の結合様式を介してポリマー(X)をカーボン材料へ導入することができる。反応後にはカーボン材料の不対電子密度が増加し、ESRスペクトル面積が反応前に比べ増加することが知られており(例えば、Chemistry and Industry,1961, 1532−1533)、ESRスペクトル測定により反応の進行が確認できる。
(5) Method of connecting polymer (X) to carbon material When connecting polymer (X) to a carbon material, the following three reactions are roughly used.
(1) Nucleophilic substitution reaction A method in which a phenolic hydroxyl group present on the surface of a carbon material is reacted under basic conditions and the polymer (X) is introduced into the carbon material via an ether bond can be employed.
(2) Electrophilic aromatic nucleus substitution reaction A site having an aromatic C—H bond existing on the surface of a carbon material is reacted under a Lewis acid catalyst, and the polymer (X) is introduced into the carbon material through various bonding modes. Can be used.
(3) Radical trapping reaction Carbon materials such as carbon black and carbon nanotubes are known to act as powerful radical scavengers (for example, a report by N. Tsubawa et al., J. Polym. Sci., Part). A: Polym. Chem., 36, 3165 (1998), etc.), which can be used for the ligation reaction. That is, a site having an aromatic C—H bond and a quinone carbonyl site existing on the surface of the carbon material are reacted with radicals generated on the polymer (X), and the polymer (X) is bonded through various bonding modes. Can be introduced into the carbon material. It is known that the unpaired electron density of the carbon material increases after the reaction, and the ESR spectrum area increases compared to that before the reaction (for example, Chemistry and Industry, 1961, 1532-1533). Progress can be confirmed.

Figure 2007242554
(上式中、CBはカーボン材料の一部を表す。)
Figure 2007242554
(In the above formula, CB represents a part of the carbon material.)

上記反応はいずれも好ましく用いることができる。特に、一度の反応にてポリマー(X)−カーボン材料間に複数の連結点を形成する場合、カーボン材料の表面上の反応サイト数が多く、かつ反応の活性化エネルギーの小さいラジカルトラッピング反応が好ましく用いられる。   Any of the above reactions can be preferably used. In particular, when a plurality of connection points are formed between the polymer (X) and the carbon material by a single reaction, a radical trapping reaction with a large number of reaction sites on the surface of the carbon material and a small activation energy of the reaction is preferable. Used.

ポリマー(X)を複数の連結点を介してカーボン材料の表面に連結する方法としては、具体的には、以下の2つの方法が存在する。
(方法α)
ポリマー(X)に複数の連結部位を導入後、カーボン材料と反応させ、一度に複数の連結基を介してカーボン材料に連結する方法である。
(方法β)
ポリマー(X)とカーボン材料を一つの連結基を介して連結させ、連結されたポリマー(X)にさらに複数の連結部位を導入し、2段目の反応によりさらに複数の連結点を形成する方法である。
Specifically, there are the following two methods for connecting the polymer (X) to the surface of the carbon material through a plurality of connection points.
(Method α)
In this method, after introducing a plurality of linking sites into the polymer (X), it is reacted with a carbon material and linked to the carbon material via a plurality of linking groups at once.
(Method β)
A method in which a polymer (X) and a carbon material are linked via one linking group, a plurality of linking sites are further introduced into the linked polymer (X), and a plurality of linking points are formed by a second-stage reaction. It is.

方法αを用いることにより、簡便にポリマー(X)を複数の連結基を介しカーボン材料に導入することができる。また、方法βを用いることで反応のステップ数が増えるものの、確実で且つより多くの連結点でポリマー(X)を連結することができる。これらの方法はそれぞれ一長一短があり、状況に応じて適宜使い分けることが好ましい。また、方法βにおいて、一段目の反応と二段目の反応とで、同種の連結反応を用いても、異種の反応を用いてもいずれでもよいが、異種の反応を用いる方が、二段目の反応に用いられるカーボン材料上の反応サイト数が多く、より好ましい。   By using the method α, the polymer (X) can be easily introduced into the carbon material via a plurality of linking groups. In addition, although the number of reaction steps is increased by using the method β, the polymer (X) can be reliably connected at more connection points. Each of these methods has advantages and disadvantages, and it is preferable to use them appropriately according to the situation. In the method β, the first-stage reaction and the second-stage reaction may be performed using the same kind of ligation reaction or different kinds of reactions. The number of reaction sites on the carbon material used for the eye reaction is large and more preferable.

(6)ポリマー(X)
本発明のポリマー(X)は耐加溶媒分解性および耐熱性を有する基およびイオン性官能基を有する。耐加溶媒分解性および耐熱性は、上記連結基におけるこれらと同義であり、具体例その他も同様である。
本発明の、イオン性官能基部位を除いたポリマー骨格は、脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、ヘテロ環基、−O−、
(6) Polymer (X)
The polymer (X) of the present invention has a group having solvolysis resistance and heat resistance and an ionic functional group. The solvolysis resistance and heat resistance are the same as those in the above linking group, and the same applies to specific examples and the like.
The polymer skeleton excluding the ionic functional group site of the present invention has an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, a heterocyclic group, -O-,

Figure 2007242554
からなる基から選ばれる1つ以上の組み合わせから構成されることが好ましい。
Figure 2007242554
It is preferably composed of one or more combinations selected from the group consisting of

ここで、脂肪族炭化水素基は、飽和炭化水素でも不飽和炭化水素でもよく、また、直鎖、分岐、環状のいずれであってもよい。さらに、水素原子が、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。脂肪族炭化水素基の炭素数は1〜24が好ましく、1〜6がより好ましい。
芳香族炭化水素基の炭素数は、6〜25が好ましく、6〜16がより好ましく、6〜12がさらに好ましい。芳香族炭化水素基の環上の水素原子は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよく、ピレニル基、アントラニル基、フルオレニル基、フェナントロニル基が好ましく、ナフチル基、ビフェニル基がさらに好ましく、フェニル基が最も好ましい。
ヘテロ環基は、硫黄原子、窒素原子、酸素原子のいずれかを含むものが好ましく、硫黄原子または窒素原子を含むものが好ましい。また、ヘテロ環基が有する炭素数は、2〜12が好ましく、3〜8がより好ましい。ヘテロ環基の環上の水素原子は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、 置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。
ヘテロ環基は、ピリジル基、フリル基、チエニル基が好ましく、トリアジニル基がさらに好ましい。
Here, the aliphatic hydrocarbon group may be a saturated hydrocarbon or an unsaturated hydrocarbon, and may be linear, branched, or cyclic. Furthermore, the hydrogen atom may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) without departing from the spirit of the present invention. 1-24 are preferable and, as for carbon number of an aliphatic hydrocarbon group, 1-6 are more preferable.
6-25 are preferable, as for carbon number of an aromatic hydrocarbon group, 6-16 are more preferable, and 6-12 are more preferable. The hydrogen atom on the ring of the aromatic hydrocarbon group may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) without departing from the spirit of the present invention. Group, fluorenyl group and phenanthronyl group are preferable, naphthyl group and biphenyl group are more preferable, and phenyl group is most preferable.
The heterocyclic group preferably contains any of a sulfur atom, a nitrogen atom and an oxygen atom, and preferably contains a sulfur atom or a nitrogen atom. Moreover, 2-12 are preferable and, as for carbon number which a heterocyclic group has, 3-8 are more preferable. The hydrogen atom on the ring of the heterocyclic group may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom) without departing from the spirit of the present invention.
The heterocyclic group is preferably a pyridyl group, a furyl group, or a thienyl group, and more preferably a triazinyl group.

本発明で用いるポリマー(X)における、イオン性官能基は、カチオン性またはアニオン性のいずれでもよいが、アニオン性のイオン官能基であることが好ましい。
カチオン性のイオン官能基としては、スルホニウム基、ヨードニウム基、チオロニウム基、ホスホニウム基、ピリジル基、アンモニウム基が好ましく、ピリジル基、アンモニウム基がより好ましい。ピリジル基、アンモニウム基の具体的な例としては、−(ジメチルセチル)アンモニウム基、−(ベンジルジブチル)アンモニウム基、−(ベンジルジエチル)アンモニウム基、−(ジメチルドデシル)アンモニウム基、−(ジデシルメチル)アンモニウム基、−(ステアリルジメチル)アンモニウム基、−(ラウリルジメチル)アンモニウム基、−(トリメチル)アンモニウム基、−(トリエチル)アンモニウム基、−(トリn−ブチル)アンモニウム基、−(トリヘプチル)アンモニウム基、−(ブチルジエチル)アンモニウム基、−(フェニルジエチル)アンモニウム基、−(2−メチル)ピリジル基、−(3−メチル)ピリジル基、−(4−メチル)ピリジル基が好ましく、−(ステアリルジメチル)アンモニウム基、−(ラウリルジメチル)アンモニウム基、−(トリメチル)アンモニウム基、−(トリエチル)アンモニウム基、−(トリn−ブチル)アンモニウム基、−(トリヘプチル)アンモニウム基、−(ブチルジエチル)アンモニウム基、−(フェニルジエチル)アンモニウム基、−(2−メチル)ピリジル基、−(3−メチル)ピリジル基、−(4−メチル)ピリジル基がより好ましく、−(トリメチル)アンモニウム基、−(トリエチル)アンモニウム基、−(トリn−ブチル)アンモニウム基が特に好ましい。
また、対アニオンとしては、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、水酸化物イオンが好ましく、水酸化物イオンが特に好ましい。
アニオン性のイオン官能基としては、パーフルオロスルホ基、スルホ基、ホスホン酸基、カルボン酸基が好ましく、スルホ基、ホスホン酸基がより好ましい。
また、対カチオンとしては、カルシウムイオン、バリウムイオン、四級アンモニウムイオン、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、プロトンが好ましく、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、プロトンがさらに好ましく、プロトンが特に好ましい。
The ionic functional group in the polymer (X) used in the present invention may be either cationic or anionic, but is preferably an anionic ionic functional group.
As the cationic ionic functional group, a sulfonium group, an iodonium group, a thioronium group, a phosphonium group, a pyridyl group, and an ammonium group are preferable, and a pyridyl group and an ammonium group are more preferable. Specific examples of pyridyl group and ammonium group include-(dimethylcetyl) ammonium group,-(benzyldibutyl) ammonium group,-(benzyldiethyl) ammonium group,-(dimethyldodecyl) ammonium group, and-(didecylmethyl) ammonium. Group,-(stearyldimethyl) ammonium group,-(lauryldimethyl) ammonium group,-(trimethyl) ammonium group,-(triethyl) ammonium group,-(trin-butyl) ammonium group,-(triheptyl) ammonium group,- (Butyldiethyl) ammonium group,-(phenyldiethyl) ammonium group,-(2-methyl) pyridyl group,-(3-methyl) pyridyl group,-(4-methyl) pyridyl group are preferred,-(stearyldimethyl) ammonium Group,-(lauryldimethyl) ammonium group,-(trimethyl) ammonium Group,-(triethyl) ammonium group,-(trin-butyl) ammonium group,-(triheptyl) ammonium group,-(butyldiethyl) ammonium group,-(phenyldiethyl) ammonium group,-(2-methyl) pyridyl Group,-(3-methyl) pyridyl group and-(4-methyl) pyridyl group are more preferable,-(trimethyl) ammonium group,-(triethyl) ammonium group and-(tri-n-butyl) ammonium group are particularly preferable.
Moreover, as a counter anion, a chloride ion, a bromide ion, an iodide ion, and a hydroxide ion are preferable, and a hydroxide ion is particularly preferable.
As the anionic ionic functional group, a perfluorosulfo group, a sulfo group, a phosphonic acid group, and a carboxylic acid group are preferable, and a sulfo group and a phosphonic acid group are more preferable.
Further, as the counter cation, calcium ion, barium ion, quaternary ammonium ion, lithium ion, sodium ion, potassium ion and proton are preferable, lithium ion, sodium ion, potassium ion and proton are more preferable, and proton is particularly preferable.

イオン性官能基は、ポリマー(X)の繰り返し単位1つにつき、少なくとも1つ以上存在することが好ましく、繰り返し単位1つにつき、2つ以上存在することがさらに好ましい。  It is preferable that at least one ionic functional group exists per one repeating unit of the polymer (X), and it is more preferable that two or more ionic functional groups exist per one repeating unit.

ポリマー(X)の重量平均分子量は500〜100万であることが好ましく、1000〜20万であることがさらに好ましく、3000〜10万であることが特に好ましい。  The weight average molecular weight of the polymer (X) is preferably 500 to 1,000,000, more preferably 1000 to 200,000, and particularly preferably 3000 to 100,000.

ポリマー(X)中のイオン官能基濃度はイオン交換容量として測定することができ、0.1〜7meq/gが好ましく、0.5〜5meq/gがより好ましく、1〜3meq/gがさらに好ましい。イオン官能基濃度を、0.1meq/g以上とすることにより、プロトン伝導性をより高めることができ、7meq/g以下とすることにより、耐久性および機械的強度をより高めることができる。  The ion functional group concentration in the polymer (X) can be measured as an ion exchange capacity, preferably 0.1 to 7 meq / g, more preferably 0.5 to 5 meq / g, and still more preferably 1 to 3 meq / g. . Proton conductivity can be further increased by setting the ionic functional group concentration to 0.1 meq / g or more, and durability and mechanical strength can be further increased by setting the ion functional group concentration to 7 meq / g or less.

本発明で採用するポリマー(X)は、主鎖部分が式(2)で表される繰り返し単位を含み、式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造が、前記主鎖の芳香環に結合していることが好ましい。以下、このようなポリマーをポリマー系列Aとする。
ここで、ポリマー系列Aにおいて、式(2)で表される繰り返し単位は、1種類のみ含んでいてもよいし、2種類以上含んでいてもよい。式(3)、式(4)および式(5)の部分構造についても、それぞれ、1種類のみ含んでいてもよいし、2種類以上含んでいてもよい。
In the polymer (X) employed in the present invention, the main chain portion includes a repeating unit represented by the formula (2), and at least one partial structure selected from the formulas (3) to (5) is the main chain. It is preferably bonded to an aromatic ring. Hereinafter, such a polymer is referred to as a polymer series A.
Here, in the polymer series A, the repeating unit represented by the formula (2) may contain only one type or two or more types. Each of the partial structures of Formula (3), Formula (4), and Formula (5) may include only one type, or may include two or more types.

ポリマー系列Aは、例えば、式(2)で表される繰り返し単位を含む主鎖を形成後、式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造を主鎖の芳香環に導入する、または、下記式(13)で表される化合物と、下記式(14)で表される化合物と、下記式(15)で表される化合物の少なくとも1種を重合することにより得られる。
式(13)
In the polymer series A, for example, after forming a main chain containing a repeating unit represented by the formula (2), at least one partial structure selected from the formulas (3) to (5) is introduced into the aromatic ring of the main chain. Alternatively, it is obtained by polymerizing at least one of a compound represented by the following formula (13), a compound represented by the following formula (14), and a compound represented by the following formula (15).
Formula (13)

Figure 2007242554
(式(13)中、X4は単結合または2価の連結基であり、R6およびR7はそれぞれ芳香環を含む基を表す。B6およびB7はそれぞれ単結合または2〜6価の連結基を表す。A5およびA6はそれぞれイオン性官能基である。n19およびn20はそれぞれ1〜5の整数を表し、n21およびn22はそれぞれ0〜4の整数を表し、n21とn22の和は2以上の整数である。Z1およびZ2は、それぞれ、水酸基、ハロゲン基、アルキルスルホネート基またはニトロ基を表す。)
式(14)
Figure 2007242554
(In formula (13), X 4 is a single bond or a divalent linking group, and R 6 and R 7 each represent a group containing an aromatic ring. B 6 and B 7 are each a single bond or 2-6 valent groups. A 5 and A 6 are each an ionic functional group, n 19 and n 20 each represent an integer of 1 to 5, n 21 and n 22 each represent an integer of 0 to 4, The sum of n 21 and n 22 is an integer equal to or greater than 2. Z 1 and Z 2 each represent a hydroxyl group, a halogen group, an alkyl sulfonate group, or a nitro group.
Formula (14)

Figure 2007242554
(式(14)中、Z3およびZ4は、それぞれ、水酸基、ハロゲン基、アルキルスルホネート基またはニトロ基を表し、R8は芳香環を含む基を表す。)
式(15)
Figure 2007242554
(In formula (14), Z 3 and Z 4 each represent a hydroxyl group, a halogen group, an alkyl sulfonate group or a nitro group, and R 8 represents a group containing an aromatic ring.)
Formula (15)

Figure 2007242554
(式(15)中、X5は単結合または2価の連結基であり、R9およびR10はそれぞれ芳香環を含む基を表す。E6、E7およびE8はそれぞれ酸素透過性の高い置換基を表す。n23、n24およびn25はそれぞれ0〜4の整数を表し、n23とn24とn25の和は1以上である。Z5およびZ6は、それぞれ、水酸基、ハロゲン基、アルキルスルホネート基またはニトロ基を表す。)
Figure 2007242554
(In Formula (15), X 5 is a single bond or a divalent linking group, and R 9 and R 10 each represent a group containing an aromatic ring. E 6 , E 7 and E 8 are each oxygen-permeable. N 23 , n 24 and n 25 each represents an integer of 0 to 4, and the sum of n 23 , n 24 and n 25 is at least 1. Z 5 and Z 6 are each a hydroxyl group Represents a halogen group, an alkyl sulfonate group or a nitro group.)

また、ポリマー(X)は、主鎖部分が式(6)で表される繰り返し単位を有し、式(7)または式(8)が、主鎖の芳香環に結合していることが好ましい。以下、このようなポリマーをポリマー系列Bとする。
ポリマー系列Bは、例えば、式(6)で表される繰り返し単位を含む主鎖を形成後、式(7)または式(8)で表される少なくとも1つの部分構造を主鎖の芳香環に導入する、または、下記式(16)で表される化合物と、下記式(17)で表される化合物を重合することにより得られる。
Further, the polymer (X) preferably has a main chain portion having a repeating unit represented by the formula (6), and the formula (7) or the formula (8) is bonded to the aromatic ring of the main chain. . Hereinafter, such a polymer is referred to as a polymer series B.
In the polymer series B, for example, after forming a main chain containing a repeating unit represented by the formula (6), at least one partial structure represented by the formula (7) or the formula (8) is converted into an aromatic ring of the main chain. It is obtained by introducing or polymerizing a compound represented by the following formula (16) and a compound represented by the following formula (17).

Figure 2007242554
(式(16)および(17)中、W21、W22、W23、W24、W25およびW26はそれぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基またはヘテロ環基を表し、B8は単結合または2〜6価の連結基を表し、A7はイオン性官能基を表し、n26は1〜5の整数を表し、n27は1〜5の整数を表す。E10は酸素透過性の高い置換基を表し、n28は1〜5の整数を表す。)
Figure 2007242554
(Expressed in the formula (16) and (17), W 21, W 22, W 23, W 24, W 25 and W 26 are each a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group, B 8 Represents a single bond or a bivalent to hexavalent linking group, A 7 represents an ionic functional group, n 26 represents an integer of 1 to 5, n 27 represents an integer of 1 to 5. E 10 represents oxygen Represents a highly permeable substituent, and n 28 represents an integer of 1 to 5.)

以下、両ポリマー系列の繰り返し単位およびこれらを形成するための化合物について詳細に説明する。   Hereinafter, the repeating units of both polymer series and the compounds for forming them will be described in detail.

ポリマー系列Aの構造 Structure of polymer series A

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
(上記式(2)中、R3は芳香環を含む2価の基であり、X1は2価の連結基である。式(3)中、B1は単結合または2〜6価の連結基、A1はイオン性官能基を表し、n6は1〜5の整数を表す。式(4)中、B2は単結合または2〜6価の連結基を、Dは少なくとも1つのイオン性官能基を有するラジカル重合性モノマーの重合物を表す。式(5)においてE1は酸素透過性の高い置換基を表す。)
Figure 2007242554
(In the above formula (2), R 3 is a divalent group containing an aromatic ring, and X 1 is a divalent linking group. In formula (3), B 1 is a single bond or a 2-6 valent group. A linking group, A 1 represents an ionic functional group, n 6 represents an integer of 1 to 5. In formula (4), B 2 represents a single bond or a bivalent to hexavalent linking group, and D represents at least one This represents a polymer of a radically polymerizable monomer having an ionic functional group.In formula (5), E 1 represents a substituent having high oxygen permeability.

式(2)中、R3は芳香環を構成する炭素原子の総数は1〜50が好ましく、1〜30がより好ましく、1〜15がさらに好ましい。また、芳香環上の水素原子は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。また、R3の芳香環は、ベンゼン環およびベンゼン環が縮環したものからなることが好ましい。
以下にR3の好ましい構造を例示する。これらの中で、(C−1)、(C−2)、(C−4)、(C−5)、(C−8)、(C−12)が好ましく、(C−1)、(C−4)がさらに好ましい。
In the formula (2), R 3 is preferably 1 to 50, more preferably 1 to 30, and still more preferably 1 to 15 as the total number of carbon atoms constituting the aromatic ring. Further, the hydrogen atom on the aromatic ring may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) without departing from the spirit of the present invention. The aromatic ring of R 3 is preferably composed of a benzene ring and a condensed benzene ring.
The preferred structure of R 3 is illustrated below. Among these, (C-1), (C-2), (C-4), (C-5), (C-8), and (C-12) are preferable, and (C-1), ( C-4) is more preferable.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

式(2)中、X1は、−C(R91101)−、−O−、−S−、−CO−、−SO−、−SO2−からなる群より選ばれる基の1つ以上からなる2価の基を表す。ここで、R91およびR101はそれぞれ、水素原子、アルキル基(好ましくは炭素数1〜20、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、イソプロピル基、n−ペンチル基、ネオペンチル基、メトキシエチル基)、アルケニル基(好ましくは炭素数2〜20、例えば、ビニル基、アリル基)、アリール基(好ましくは炭素数6〜26、例えばフェニル基、2−ナフチル基)を表し、これらに含まれる水素原子は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。
91およびR101は、メチル基、エチル基、イソプロピル基、ネオペンチル基、トリフルオロメチル基、tert−ブチル基、プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、フェニル基が好ましく、メチル基、エチル基、イソプロピル基、ネオペンチル基、トリフルオロメチル基、tert−ブチル基、フェニル基がさらに好ましく、メチル基、トリフルオロメチル基、tert−ブチル基がさらに好ましい。
1の好ましい例としては、−C(tert−Bu)2−、−C(CH3)2−、−C(CF3)2−、−O−、−S−、−CO−、−SO2−が挙げられる。
In the formula (2), X 1 is one of groups selected from the group consisting of —C (R 91 R 101 ) —, —O—, —S—, —CO—, —SO—, —SO 2 —. The divalent group consisting of the above is represented. Here, R 91 and R 101 are each a hydrogen atom, an alkyl group (preferably having a carbon number of 1 to 20, for example, methyl group, ethyl group, propyl group, n-butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, isopropyl group) Group, n-pentyl group, neopentyl group, methoxyethyl group), alkenyl group (preferably having 2 to 20 carbon atoms, such as vinyl group, allyl group), aryl group (preferably having 6 to 26 carbon atoms, such as phenyl group, 2-naphthyl group), and a hydrogen atom contained therein may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) without departing from the spirit of the present invention.
R 91 and R 101 are preferably a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, a neopentyl group, a trifluoromethyl group, a tert-butyl group, a propyl group, an n-butyl group, an n-pentyl group, or a phenyl group, An ethyl group, an isopropyl group, a neopentyl group, a trifluoromethyl group, a tert-butyl group, and a phenyl group are more preferable, and a methyl group, a trifluoromethyl group, and a tert-butyl group are more preferable.
Preferred examples of X 1 include —C (tert-Bu) 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —O—, —S—, —CO—, —SO. 2- .

式(2)で表される繰り返し単位としては、ポリエーテルスルホン系化合物、ポリエーテルエーテルスルホン系化合物、ポリエーテルエーテルケトン系化合物、ポリフェニレンスルフィド系化合物、ポリフェニレンエーテル系化合物、ポリスルホン系化合物またはポリエーテルケトン系化合物より構成されていることが好ましい。これらの中でも、酸化耐性に優れるポリエーテルスルホン系化合物、ポリエーテルエーテルスルホン系化合物、ポリスルホン系化合物由来であることが特に好ましい。   As the repeating unit represented by the formula (2), a polyethersulfone compound, a polyetherethersulfone compound, a polyetheretherketone compound, a polyphenylenesulfide compound, a polyphenyleneether compound, a polysulfone compound, or a polyetherketone It is preferable that it is comprised from a system compound. Among these, it is particularly preferable to be derived from a polyethersulfone compound, a polyetherethersulfone compound, or a polysulfone compound that has excellent oxidation resistance.

式(2)で表される繰り返し単位を含む主鎖において、式(2)で表される繰り返し単位で表される繰り返し単位の総数は、2〜1000が好ましく、10〜500がより好ましく、10〜200が特に好ましい(以下、条件「A」ということがある)。   In the main chain containing the repeating unit represented by the formula (2), the total number of repeating units represented by the repeating unit represented by the formula (2) is preferably 2 to 1000, more preferably 10 to 500, and more preferably 10 To 200 is particularly preferable (hereinafter, sometimes referred to as condition “A”).

以下に、式(2)で表される繰り返し単位の好ましい例を例示するが、本発明はこれらに限定されない。なお、化合物群中、nは各化合物の繰り返し単位数を表し、nの好ましい範囲は、条件「A」に記載の好ましい範囲に該当するよう適宜定められる。   Although the preferable example of the repeating unit represented by Formula (2) below is illustrated below, this invention is not limited to these. In the compound group, n represents the number of repeating units of each compound, and a preferable range of n is appropriately determined so as to correspond to the preferable range described in the condition “A”.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

式(3)中、B1は、単結合または、脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、ヘテロ環基、−O−、 In Formula (3), B 1 is a single bond, an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, a heterocyclic group, —O—,

Figure 2007242554
からなる群から選ばれる1つ以上の組み合わせからなる基が好ましい。
Figure 2007242554
A group consisting of one or more combinations selected from the group consisting of

ここで、脂肪族炭化水素基は、飽和炭化水素でも不飽和炭化水素でもよく、水素原子は本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。脂肪族炭化水素基の炭素数は、1〜12が好ましく、1〜6がさらに好ましい。
芳香族炭化水素基は、環上の水素原子が本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよく、ピレニル基、アントラニル基、ナフチル基、ビフェニル基、フェニル基が好ましく、ナフチル基、ビフェニル基、フェニル基がさらに好ましく、フェニル基が最も好ましい。
ヘテロ環基は、環上の水素原子が本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよく、ピリジル基、フリル基、チエニル基、トリアジニル基が好ましく、トリアジニル基がさらに好ましい。
1が単結合の場合は、耐熱性の観点から、上述した条件「B」に記載の好ましい条件を満たしている必要がある。
1の好ましい例としては、単結合、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ヘキシレン基、オクチレン基、デシレン基、フェニレン(−Ph−)基、−CH2−O−(CH2)n−(nは、整数であり、好ましくは、1〜6の整数である)、−CH2−Ph−、−CH2CH2OCH2CH2−、−(CH2CH2O)2CH2CH2−、−CH2CH=CH−、−CH2CH2CH=CH−、C((CH2) n−)4(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、CH((CH2) n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、CH3C((CH2) n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、EtC((CH2) n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、−C((CH2n−)3(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、−CH((CH2n−)2(nは、それぞれ0以上の整数であり、好ましくはそれぞれ0〜6の整数である)、ならびに、これら(前記基を2以上組み合わせた基を含む)と−CO−、−SO−、−CS−、−SO2−、−O−、
Here, the aliphatic hydrocarbon group may be a saturated hydrocarbon or an unsaturated hydrocarbon, and the hydrogen atom is a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) without departing from the spirit of the present invention. May be substituted. 1-12 are preferable and, as for carbon number of an aliphatic hydrocarbon group, 1-6 are more preferable.
The aromatic hydrocarbon group may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) within the range in which the hydrogen atom on the ring does not depart from the spirit of the present invention. Group, naphthyl group, biphenyl group and phenyl group are preferred, naphthyl group, biphenyl group and phenyl group are more preferred, and phenyl group is most preferred.
The heterocyclic group may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) within the range in which the hydrogen atom on the ring does not depart from the spirit of the present invention, a pyridyl group, a furyl group, A thienyl group and a triazinyl group are preferable, and a triazinyl group is more preferable.
When B 1 is a single bond, from the viewpoint of heat resistance, it is necessary to satisfy the preferable conditions described in the condition “B” described above.
Preferred examples of B 1 include a single bond, a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a butylene group, a hexylene group, an octylene group, a decylene group, a phenylene (—Ph—) group, —CH 2 —O— (CH 2 ). n-(n is an integer, preferably an integer from 1 to 6), - CH 2 -Ph -, - CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 -, - (CH 2 CH 2 O) 2 CH 2 CH 2 —, —CH 2 CH═CH—, —CH 2 CH 2 CH═CH—, C ((CH 2 ) n —) 4 (n is an integer of 0 or more, preferably 0 to 0, respectively. 6), CH ((CH 2 ) n −) 3 (n is an integer of 0 or more, preferably each an integer of 0 to 6), CH 3 C ((CH 2 ) n -) 3 (n are each an integer of 0 or more, each an integer of preferably 0~6), EtC ((C 2) n -) 3 (n is an integers of 0 or more, preferably an integer of 0~6), - C ((CH 2) n -) 3 (n is integers of 0 or more Each of which is preferably an integer of 0 to 6), —CH ((CH 2 ) n —) 2 (n is an integer of 0 or more, preferably each of 0 to 6), In addition, these (including a group in which two or more of the above groups are combined) and —CO—, —SO—, —CS—, —SO 2 —, —O—,

Figure 2007242554
の1つ以上との組み合わせが挙げられる。
Figure 2007242554
And a combination with one or more of the above.

式(3)中、A1は、上述のイオン性官能基の記載と同義であり、好ましい範囲も同義である。
式(3)中、n6は、1〜3が好ましい。n6が2以上のとき、それぞれのA1は同一であってもよいし、異なっていてもよい。
式(3)のポリマー主鎖への導入量は、導入されたイオン性官能基の含量が、0.1meq/g〜7meq/gとなる量であることが好ましく、0.5meq/g〜4meq/gとなる量であることがさらに好ましく、1meq/g〜3meq/gとなる量であることが特に好ましい。
以下に、式(3)の好ましい例を例示するが、本発明はこれらに限定されない。
In formula (3), A 1 has the same meaning as the description of the ionic functional group described above, and the preferred range is also the same.
Wherein (3), n 6 is 1-3 are preferable. When n 6 is 2 or more, each A 1 may be the same or different.
The amount introduced into the polymer main chain of formula (3) is preferably such that the content of the introduced ionic functional group is 0.1 meq / g to 7 meq / g, and 0.5 meq / g to 4 meq. The amount is more preferably 1 g / g, particularly preferably 1 meq / g to 3 meq / g.
Although the preferable example of Formula (3) is illustrated below, this invention is not limited to these.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

式(4)中、B2は、式(3)のB1と同義であり、好ましい範囲も同義である。
式(4)中、Dが有する、イオン性官能基は、上述のイオン性官能基と同義であり、好ましい範囲も同義である。また、ラジカル重合性モノマーの重合物とは、2以上のラジカル重合性モノマーが重合して得られる重合体をいう。Dの好ましい例としては、式(6)で表される繰り返し単位を持つ主鎖を有し、式(7)または式(8)が、側鎖として、主鎖の芳香環に結合した重合物(Y)が挙げられる。B2が3価以上の連結基の場合、Dは複数の箇所において、B2と結合していてもよいし、Dが複数存在していてもよい。
Dの主鎖への導入量としては、導入されたイオン性官能基の含量が、0.1meq/g〜7meq/gとなる量であることが好ましく、0.5meq/g〜4meq/gとなる量であることがさらに好ましく、1meq/g〜3meq/gとなる量であることが特に好ましい。
In formula (4), B 2 has the same meaning as B 1 in formula (3), and the preferred range is also the same.
In Formula (4), the ionic functional group which D has is synonymous with the above-mentioned ionic functional group, and a preferable range is also synonymous. The polymer of radical polymerizable monomers refers to a polymer obtained by polymerizing two or more radical polymerizable monomers. As a preferred example of D, a polymer having a main chain having a repeating unit represented by the formula (6), wherein the formula (7) or the formula (8) is bonded to an aromatic ring of the main chain as a side chain. (Y). When B 2 is a trivalent or higher linking group, D may be bonded to B 2 at a plurality of positions, or a plurality of D may be present.
The amount of D introduced into the main chain is preferably such that the content of the introduced ionic functional group is 0.1 meq / g to 7 meq / g, and 0.5 meq / g to 4 meq / g. More preferably, the amount is 1 meq / g to 3 meq / g.

式(5)中、E1は酸素透過性の高い置換基を表す。ここで、酸素透過性の高い置換基とは、置換基のパーマコール値が負である置換基のことをいう。置換基のパーマコール値については、M.Salame著 ACS Polymer Preprints 8,137(1967)などに記載されている。E1のパーマコール値は−10/N以下であることが好ましく、−20/N以下であることがさらに好ましく、−50/N以下であることが特に好ましい。ここで、Nはポリマー主鎖を構成する構成単位の総数を表し、上記文献に記載のNと同義である。より具体的には、E1は3つ以上の炭素原子により構成されているものが好ましい。また、E1は、低極性の置換基であることが好ましく、ケイ素原子、フッ素原子を含むものが特に好ましい。2つの繰り返し単位上に存在するE1の総炭素数は、3〜60が好ましく、5〜40がさらに好ましく、6〜30が特に好ましい。
1は、例えば、アルキル基(n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、ベンジル基、3−スルホプロピル基、4−スルホブチル基、カルボキシメチル基、カルボキシペンチル基)、アルコキシ基(エトキシ基、n−プロポキシ基、n−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ネオペンチルオキシ基)、アルケニル基(アリル基、2−ブテニル基、1,3−ブタジエニル基)、シクロアルキル基(シクロペンチル基、シクロヘキシル基)、アリール基(フェニル基、2−クロロフェニル基、4−メトキシフェニル基、3−メチルフェニル基、1−ナフチル基、2−ニトロフェニル基)、ヘテロ環基(ピリジル基、チエニル基、フリル基、チアゾリル基、イミダゾリル基、ピラゾリル基、ピロリジノ基、ピペリジノ基、モルホリノ基)、アルキニル基(2−プロピニル基、1,3−ブタジイニル基、2−フェニルエチニル基)、ならびにこれらとメチロール基の1つ以上の組み合わせであり、好ましくはアルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、メチルオキシアルキル基、メチルオキシアルケニル基、メチルオキシシクロアルキル基であり、アルキル基、シクロアルキル基、メチルオキシアルキル基、メチルオキシシクロアルキル基が特に好ましく、これらの置換基のメチレン鎖中にエーテル構造またはケイ素原子が含まれる物(エトキシメチル基、プロポキシメチル基、ブトキシメチル基、ヘキシルオキシメチル基、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリブチルシリル基、3−トリメチルシリルプロピル基、2−トリメチルシリルエチル基、6−トリエチルシリルヘキシル基、トリエチルシリルプロピル基)はとりわけ好ましい。
これらの置換基は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基を有していてもよい。置換基としては、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、アミノ基(好ましくは炭素数0〜20、例えば、アミノ基、ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基、ジブチルアミノ基、アニリノ基)、シアノ基、ニトロ基、ヒドロキシル基、メルカプト基、カルボキシル基、スルホ基、ホスホン酸基、アシル基(好ましくは炭素数1〜20、例えば、アルコキシ基(好ましくは炭素数1〜20、例えば、メトキシ基、ブトキシ基、シクロヘキシルオキシ基)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6〜26、例えば、フェノキシ基、1−ナフトキシ基)、アルキルチオ基(好ましくは炭素数1〜20、例えば、メチルチオ基、エチルチオ基)、アリールチオ基(好ましくは炭素数6〜20、例えば、フェニルチオ基、4−クロロフェニルチオ基)、アルキルスルホニル基(好ましくは炭素数1〜20、例えば、メタンスルホニル基、ブタンスルホニル基)、アリールスルホニル基(好ましくは炭素数6〜20、例えば、ベンゼンスルホニル基、パラトルエンンスルホニル基)が挙げられる。
In formula (5), E 1 represents a substituent having high oxygen permeability. Here, the substituent having a high oxygen permeability means a substituent having a negative permacol value. For permacall values of substituents, see M.M. By Salame, ACS Polymer Preprints 8, 137 (1967). The permacol value of E 1 is preferably −10 / N or less, more preferably −20 / N or less, and particularly preferably −50 / N or less. Here, N represents the total number of structural units constituting the polymer main chain, and is synonymous with N described in the above document. More specifically, E 1 is preferably composed of 3 or more carbon atoms. E 1 is preferably a low-polarity substituent, and particularly preferably contains a silicon atom or a fluorine atom. The total number of carbon atoms in E 1 present on two repeating units, preferably from 3 to 60, more preferably 5 to 40, 6 to 30 are particularly preferred.
E 1 is, for example, an alkyl group (n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, n-pentyl group, benzyl group, 3-sulfopropyl group, 4-sulfobutyl group, carboxymethyl group, carboxypentyl group), Alkoxy groups (ethoxy group, n-propoxy group, n-butoxy group, tert-butoxy group, pentyloxy group, neopentyloxy group), alkenyl group (allyl group, 2-butenyl group, 1,3-butadienyl group), A cycloalkyl group (cyclopentyl group, cyclohexyl group), aryl group (phenyl group, 2-chlorophenyl group, 4-methoxyphenyl group, 3-methylphenyl group, 1-naphthyl group, 2-nitrophenyl group), heterocyclic group ( Pyridyl, thienyl, furyl, thiazolyl, imidazolyl, pyrazolyl, pyrrolidino , Piperidino group, morpholino group), alkynyl group (2-propynyl group, 1,3-butadiynyl group, 2-phenylethynyl group), and a combination of these and a methylol group, preferably an alkyl group, alkenyl group Group, cycloalkyl group, methyloxyalkyl group, methyloxyalkenyl group, methyloxycycloalkyl group, alkyl group, cycloalkyl group, methyloxyalkyl group, and methyloxycycloalkyl group are particularly preferable. Compounds having an ether structure or silicon atom in the methylene chain (ethoxymethyl group, propoxymethyl group, butoxymethyl group, hexyloxymethyl group, trimethylsilyl group, triethylsilyl group, tributylsilyl group, 3-trimethylsilylpropyl group, 2- Trimethi Rusilylethyl group, 6-triethylsilylhexyl group, triethylsilylpropyl group) are particularly preferred.
These substituents may have a substituent without departing from the gist of the present invention. Examples of the substituent include a halogen atom (for example, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom), an amino group (preferably having 0 to 20 carbon atoms, for example, an amino group, a dimethylamino group, a diethylamino group, a dibutylamino group, Anilino group), cyano group, nitro group, hydroxyl group, mercapto group, carboxyl group, sulfo group, phosphonic acid group, acyl group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, for example, alkoxy group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, For example, methoxy group, butoxy group, cyclohexyloxy group), aryloxy group (preferably having 6 to 26 carbon atoms, such as phenoxy group, 1-naphthoxy group), alkylthio group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, such as methylthio group) Group, ethylthio group), arylthio group (preferably having 6 to 20 carbon atoms, such as phenylthio group) 4-chlorophenylthio group), alkylsulfonyl group (preferably having 1 to 20 carbon atoms, such as methanesulfonyl group, butanesulfonyl group), arylsulfonyl group (preferably having 6 to 20 carbon atoms, such as benzenesulfonyl group, para Toluenesulfonyl group).

ポリマー系列Aのポリマーの重量平均分子量は、500〜20万であることが好ましく、1000〜10万であることがさらに好ましく、1500〜5万であることが特に好ましい。   The weight average molecular weight of the polymer of the polymer series A is preferably 500 to 200,000, more preferably 1000 to 100,000, and particularly preferably 1500 to 50,000.

ポリマー系列Aの製造方法およびカーボン材料への導入法
ポリマー系列Aの製造方法としては、1.式(2)で表される繰り返し単位を含む主鎖を形成後、式(3)、式(4)および/または式(5)で表される部分構造を、主鎖の芳香環に導入する方法(以後この方法を方法A−1とする。)、および2.式(13)で表される化合物、式(14)で表される化合物および式(15)で表される化合物の少なくとも1種を重合させる工程を含む方法(以後この方法を方法A−2とする。)が好ましい。また、ポリマー系列Aのカーボン材料への連結法は、ポリマー系列Aの製造方法としてA−1を用いる場合とA−2を用いる場合では異なる。以下、ポリマー系列Aの製造方法A−1、製造方法A−2およびそれぞれの製法を用いた際のポリマー系列Aのカーボン材料への連結法について詳しく説明する。
Production method of polymer series A and introduction method to carbon material After forming the main chain containing the repeating unit represented by formula (2), the partial structure represented by formula (3), formula (4) and / or formula (5) is introduced into the aromatic ring of the main chain. 1. Method (hereinafter, this method is referred to as Method A-1), and 2. A method comprising polymerizing at least one of a compound represented by formula (13), a compound represented by formula (14) and a compound represented by formula (15) (hereinafter, this method is referred to as method A-2). Is preferred). In addition, the method of linking the polymer series A to the carbon material is different between the case where A-1 is used as the production method of the polymer series A and the case where A-2 is used. Hereinafter, the production method A-1 and the production method A-2 of the polymer series A and the method of linking the polymer series A to the carbon material when using the respective production methods will be described in detail.

方法A−1
方法A−1は、式(2)で表される繰り返し単位を含む主鎖を形成後、式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造を、主鎖の芳香環に導入する方法である。ここで、主鎖部分の形成方法としては、"第四版 実験化学講座、29巻、4.1 耐熱性材料"にあるような公知の方法を用いることが好ましい。また、市販のポリマーを主鎖として利用することもできる。
Method A-1
Method A-1 introduces at least one partial structure selected from formulas (3) to (5) into the aromatic ring of the main chain after forming a main chain containing the repeating unit represented by formula (2). Is the method. Here, as a method for forming the main chain portion, it is preferable to use a known method as described in "Fourth Edition Experimental Chemistry Course, Vol. 29, 4.1 Heat resistant material". Commercially available polymers can also be used as the main chain.

式(3)で表される部分構造の主鎖への導入法としては、例えば、イオン官能基がスルホ基の場合には、後述するクロロメチルメチルエーテル等のハロゲノメチル化剤を用いてハロゲノメチル化ポリマーとし、次いでハロゲン部位をアセチルチオ化した後、酸化してスルホ基にする方法、またはハロゲノメチル化ポリマーと亜硫酸ナトリウムを反応してスルホ基にする方法などが挙げられる。また、より炭素数の多いスルホアルキル基の場合には例えばCl−(CH2n−COCl(nは例えば2〜6)で示されるクロロ置換酸クロライドで常法、例えば塩化アルミニウムや塩化鉄などのルイス酸を用いたフリーデルクラフツ反応によりクロロ置換アシル基を導入し、次いでジメチルチオエーテルとチオ硫酸ナトリウムで、クロロ原子をスルホ基とした後、カルボニル基をヒドラジンで還元する方法またはJ.Org.Chem.45.2717(1980)に記載されている方法に準じて、芳香環の水素をリチウム化し、次いでジハロゲノアルカンでハロゲノアルキル化し、その後は上記の方法でクロロ原子をスルホ基に変換する方法などが挙げられる。 As a method for introducing the partial structure represented by the formula (3) into the main chain, for example, when the ionic functional group is a sulfo group, a halogenomethylating agent such as chloromethylmethyl ether described below is used by using a halogenomethylating agent. Examples thereof include a method in which a halogenated polymer is converted into a sulfo group after the halogen moiety is acetylthiolated, or a method in which a halogenomethylated polymer and sodium sulfite are reacted to form a sulfo group. In the case of a sulfoalkyl group having a larger number of carbon atoms, for example, a chloro-substituted acid chloride represented by Cl— (CH 2 ) n —COCl (n is, for example, 2 to 6), for example, aluminum chloride, iron chloride, etc. A method in which a chloro-substituted acyl group is introduced by a Friedel-Crafts reaction using a Lewis acid, and then the chloro atom is converted to a sulfo group with dimethylthioether and sodium thiosulfate, and then the carbonyl group is reduced with hydrazine. Org. Chem. 45.2717 (1980), a method in which hydrogen of an aromatic ring is lithiated, then halogenoalkylated with a dihalogenoalkane, and then a chloro atom is converted to a sulfo group by the above method. Can be mentioned.

本発明において好ましいハロゲノメチル基を芳香環に導入(芳香環のハロゲノメチル化反応)するには、公知反応が広範囲に使用できる。例えば、クロロメチル化剤として、クロロメチルメチルエーテル、1,4−ビス(クロロメトキシ)ブタン、1−クロロメトキシ−4−クロロブタンなどを用い、触媒として塩化スズ、塩化亜鉛、塩化アルミニウム、塩化チタンなどのルイス酸やフッ化水素酸などを用いてクロロメチル化反応を行うことにより、芳香環にクロロメチル基を導入することができる。溶媒には、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ニトロベンゼンなどを用い、均一系で反応を行うことが好ましい。また、パラホルムアルデヒドと塩化水素または臭化水素などを用いてハロゲノメチル化反応を行うこともできる。   In order to introduce a preferred halogenomethyl group in the present invention into an aromatic ring (halogenomethylation reaction of an aromatic ring), known reactions can be widely used. For example, chloromethyl methyl ether, 1,4-bis (chloromethoxy) butane, 1-chloromethoxy-4-chlorobutane, etc. are used as chloromethylating agents, and tin chloride, zinc chloride, aluminum chloride, titanium chloride, etc. are used as catalysts. A chloromethyl group can be introduced into an aromatic ring by carrying out a chloromethylation reaction using a Lewis acid or hydrofluoric acid. The solvent is preferably dichloroethane, trichloroethane, tetrachloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, nitrobenzene, etc., and the reaction is preferably carried out in a homogeneous system. Alternatively, the halogenomethylation reaction can be performed using paraformaldehyde and hydrogen chloride or hydrogen bromide.

さらにスルホ基の導入方法としては、一般的な方法としては例えば下記に示されるようなスルトン類とルイス酸(例えば、AlCl3)を用いたフリーデルクラフツ反応(Journal of Applied Polymer Science, Vol. 36, 1753−1767, 1988)もまた用いることができる。 Furthermore, as a method for introducing a sulfo group, as a general method, for example, a Friedel-Crafts reaction using a sultone as shown below and a Lewis acid (for example, AlCl 3 ) (Journal of Applied Polymer Science, Vol. 36). , 1753-1767, 1988) can also be used.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

フリーデルクラフツ反応を行う場合は、溶媒としては炭化水素(ベンゼン、トルエン、ニトロベンゼン、アセトフェノン等)、ハロゲン化アルキル(塩化メチレン、クロロホルム、ジクロロエタン、四塩化炭素、トリクロロエタン、ジクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロベンゼン、トリクロロベンゼン等)等を用いることができる。反応温度は、室温(例えば、18℃)から250℃の範囲で選べばよい。これらの反応において溶媒は2種以上を混合して用いてもよい。   When performing the Friedel-Crafts reaction, the solvents are hydrocarbons (benzene, toluene, nitrobenzene, acetophenone, etc.), alkyl halides (methylene chloride, chloroform, dichloroethane, carbon tetrachloride, trichloroethane, dichloroethane, tetrachloroethane, chlorobenzene, Chlorobenzene etc.) can be used. The reaction temperature may be selected in the range of room temperature (for example, 18 ° C.) to 250 ° C. In these reactions, a mixture of two or more solvents may be used.

なお、本発明のスルホン基含有高分子化合物の構造は、主鎖がポリスルホンの場合、赤外線吸収スペクトルによって、1,030〜1,045cm-1、1,160〜1,190cm-1のS=O吸収、1,130〜1,250cm-1のC−O−C吸収、1,640〜1,660cm-1のC=O吸収などにより確認でき、これらの組成比は、スルホン酸の中和滴定や、元素分析により知ることができる。また、核磁気共鳴スペクトル( 1H−NMR)により、6.8〜8.0ppmの芳香族プロトンのピークから、その構造を確認することができる。 In addition, when the main chain is polysulfone, the structure of the sulfone group-containing polymer compound of the present invention has S = 0 of 1,030 to 1,045 cm −1 and 1,160 to 1,190 cm −1 according to the infrared absorption spectrum. Absorption, 1,130 to 1,250 cm −1 C—O—C absorption, 1,640 to 1,660 cm −1 C═O absorption, and the like. These composition ratios are determined by neutralization titration of sulfonic acid. Or by elemental analysis. Moreover, the structure can be confirmed from the peak of aromatic protons at 6.8 to 8.0 ppm by nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR).

式(4)で表される部分構造の主鎖への導入方法で、イオン官能基がスルホ基以外の場合には、クロロメチルメチルエーテル等のハロゲノメチル化剤を用いてハロゲノメチル化ポリマーとし、ウィリアムソンエーテル合成を用い、各イオン性官能基含有成分をエーテル結合を介して導入する公知の方法が好ましく用いられる。   In the method of introducing the partial structure represented by the formula (4) into the main chain, when the ionic functional group is other than a sulfo group, a halogenomethylated polymer using a halogenomethylating agent such as chloromethylmethyl ether is used. A known method of introducing each ionic functional group-containing component via an ether bond using Williamson ether synthesis is preferably used.

式(4)で表される部分構造の主鎖への導入法としては、主鎖に連結基を介してラジカル重合開始点を形成し、該開始点を利用して、式(16)および/または式(17)で表されるスチレン誘導体をモノマーに用いた、原子移動ラジカル重合あるいは安定フリーラジカル重合を行う方法が好ましく用いられる。連結基およびラジカル重合開始点は、前記記載の主鎖芳香族環のハロゲノアルキル化など、公知の方法を用いて形成することができる。   As a method for introducing the partial structure represented by the formula (4) into the main chain, a radical polymerization starting point is formed in the main chain via a linking group, and using the starting point, the formula (16) and / or Alternatively, a method of performing atom transfer radical polymerization or stable free radical polymerization using a styrene derivative represented by the formula (17) as a monomer is preferably used. The linking group and the radical polymerization initiation point can be formed by a known method such as halogenoalkylation of the main chain aromatic ring described above.

原子移動ラジカル重合の開始点としては、ハロゲノアルキル、ハロゲノベンジル、α−ハロケトン、α−ハロニトリル、スルホニルハライドなどが挙げられ、スルホニルハライド、ハロゲノベンジルが特に好ましい。「安定フリーラジカル重合の開始点」としては、2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル、4−オキソ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル、4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル、4−アミノ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル、2,2,5,5−テトラメチルピロリジニルオキシアルキル、N,N−ジ−tert−ブチルアミノオキシアルキル、1,1,3,3−テトラメチルイソインドリン−オキシアルキル、N−tert−ブチル−N−(2−メチル−1−フェニルプロピル)アミノオキシアルキルなどが挙げられ、2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル、4−オキソ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキルが特に好ましい。   Examples of the starting point of atom transfer radical polymerization include halogenoalkyl, halogenobenzyl, α-haloketone, α-halonitrile, sulfonyl halide and the like, and sulfonyl halide and halogenobenzyl are particularly preferable. “Starting point of stable free radical polymerization” includes 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl, 4-oxo-2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl, 4- Hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl, 4-amino-2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl, 2,2,5,5-tetramethylpyrrolidini Ruoxyalkyl, N, N-di-tert-butylaminooxyalkyl, 1,1,3,3-tetramethylisoindoline-oxyalkyl, N-tert-butyl-N- (2-methyl-1-phenylpropyl) Aminooxyalkyl and the like, and 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl and 4-oxo-2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl are particularly preferred. Arbitrariness.

以下に、該連結基およびラジカル重合開始点の好ましい例を例示するが、本発明はこれらに限定されない。なお、化合物中Lpはポリマー主鎖との連結箇所を表す。 Although the preferable example of this coupling group and radical polymerization starting point is illustrated below, this invention is not limited to these. Incidentally, L p in compound represents a connecting portion between the polymer backbone.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

ラジカル重合を行う際の溶媒としては以下のようなものが挙げられる。
1)エーテル系溶媒
1,2−ジメトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、1,2−ビス(2−メトキシエトキシ)エタン、テトラヒドロフラン、ビス[2−(2−メトキシエトキシ)エチル]エーテル、1,4−ジオキサン等。
2)非プロトン性アミド系溶媒
N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルカプロラクタム、ヘキサメチルホスホロトリアミド等。
3)アミン系溶媒
ピリジン、キノリン、イソキノリン、α−ピコリン、β−ピコリン、γ−ピコリン、イソホロン、ピペリジン、2,4−ルチジン、2,6−ルチジン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミンン等。
4)その他の溶媒
ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、ジフェニルエーテル、スルホラン、ジフェニルスルホン、テトラメチル尿素、アニソール等。
The following are mentioned as a solvent at the time of performing radical polymerization.
1) ether solvent 1,2-dimethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, 1,2-bis (2-methoxyethoxy) ethane, tetrahydrofuran, bis [2- (2-methoxyethoxy) ethyl] ether, 1,4-dioxane and the like.
2) Aprotic amide solvents N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N -Methylcaprolactam, hexamethylphosphorotriamide and the like.
3) Amine solvents pyridine, quinoline, isoquinoline, α-picoline, β-picoline, γ-picoline, isophorone, piperidine, 2,4-lutidine, 2,6-lutidine, trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine etc.
4) Other solvents: dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfone, diphenyl ether, sulfolane, diphenyl sulfone, tetramethyl urea, anisole and the like.

上記の溶媒中で、特に好ましい溶媒は、上記2)項の非プロトン性アミド系溶媒と4)項のジメチルスルホキシド、スルホランが挙げられ、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホランは特に好ましい。また、これらの溶媒は、単独または2種以上混合して用いても差し支えない。   Among the above-mentioned solvents, particularly preferred solvents include the aprotic amide solvent described in the above item 2) and the dimethyl sulfoxide and sulfolane described in the item 4). N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N -Methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane are particularly preferred. These solvents may be used alone or in combination of two or more.

反応の雰囲気は窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンが用いられ特に制限はないが、不活性気体である窒素やアルゴンが特に好ましい。   Nitrogen, helium, neon, and argon are used as the reaction atmosphere, and there is no particular limitation, but an inert gas such as nitrogen or argon is particularly preferable.

式(5)で表される部分構造の主鎖への導入法としては、主鎖芳香族環のハロメチル化後、ウィリアムソンエーテル合成を用いる公知の方法を利用することができる。   As a method for introducing the partial structure represented by the formula (5) into the main chain, a known method using Williamson ether synthesis after halomethylation of the main chain aromatic ring can be used.

方法A−1を用いてポリマー系列Aを合成する場合、カーボン材料へのポリマー連結法としては、例えば、(方法A1−1)〜(方法A1−3)で表される3通りの方法が挙げられ、いずれの方法も好ましく用いることができる。以下、(方法A1−1)〜(方法A1−3)について詳細に説明する。   In the case of synthesizing the polymer series A using the method A-1, examples of the polymer linking method to the carbon material include three methods represented by (Method A1-1) to (Method A1-3). Any of these methods can be preferably used. Hereinafter, (Method A1-1) to (Method A1-3) will be described in detail.

(方法A1−1)
方法A1−1は、前記方法にてポリマー主鎖の形成および式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造、およびカーボン材料との連結部位を導入し、該ポリマーをカーボン材料に連結する方法である。
(方法A1−2)
方法A1−2は、前記方法にてポリマー主鎖の形成を行い、ポリマー主鎖を一つの連結点によってカーボン材料に連結後、カーボン材料との連結部位をさらに導入して二段目の連結反応を行い、その後式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造を導入する方法である。
(方法A1−3)
方法A1−3は、カーボン材料存在下で、前記方法にてポリマー主鎖の形成を行うことにより、ポリマー主鎖の形成と1つの連結点によるカーボン材料への連結を同時に行い、その後、式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造、およびカーボン材料との連結部位を導入し、二段目の連結反応を行う方法である。
(Method A1-1)
Method A1-1 introduces the polymer main chain formation and at least one partial structure selected from the formulas (3) to (5) and a connecting portion with the carbon material by the above method, and the polymer is converted into the carbon material. It is a method of connecting.
(Method A1-2)
In method A1-2, the main chain of the polymer is formed by the above method, the main chain of the polymer is connected to the carbon material by one connection point, and then a connection site with the carbon material is further introduced to perform the second-stage connection reaction. And then introducing at least one partial structure selected from the formulas (3) to (5).
(Method A1-3)
In the method A1-3, by forming the polymer main chain by the above method in the presence of the carbon material, the formation of the polymer main chain and the connection to the carbon material by one connection point are simultaneously performed, and then the formula ( In this method, at least one partial structure selected from 3) to (5) and a connecting portion with a carbon material are introduced to perform a second-stage connecting reaction.

方法A−2
方法A−2は、式(13)で表される化合物、式(14)で表される化合物および式(15)で表される化合物から選ばれる1種類以上の化合物を重合させる工程を含む方法である。ここで、式(13)で表される化合物、式(14)で表される化合物および式(15)で表される化合物は、それぞれ、1種類のみを用いてもよいし、2種類以上を用いてもよい。これらの化合物について説明する。
Method A-2
Method A-2 includes a step of polymerizing one or more compounds selected from the compound represented by Formula (13), the compound represented by Formula (14), and the compound represented by Formula (15). It is. Here, each of the compound represented by the formula (13), the compound represented by the formula (14), and the compound represented by the formula (15) may be used alone, or two or more of them may be used. It may be used. These compounds will be described.

式(13) Formula (13)

Figure 2007242554
(式(13)中、X4は単結合または2価の連結基であり、R6およびR7はそれぞれ芳香環を含む2〜6価の連結基を表す。B6およびB7はそれぞれ単結合または2〜6価の連結基を表す。A5およびA6はそれぞれイオン性官能基である。n19およびn20はそれぞれ1〜5の整数を表し、n21およびn22はそれぞれ0〜4の整数を表し、n21とn22の和は2以上の整数である。Z1およびZ2は、それぞれ、水酸基、ハロゲン基、アルキルスルホネート基またはニトロ基を表す。)
Figure 2007242554
(In Formula (13), X 4 is a single bond or a divalent linking group, and R 6 and R 7 each represent a divalent to hexavalent linking group containing an aromatic ring. B 6 and B 7 are each a single bond. Represents a bond or a bivalent to hexavalent linking group, A 5 and A 6 each represent an ionic functional group, n 19 and n 20 each represent an integer of 1 to 5, and n 21 and n 22 each represents 0 to 4 represents an integer of 4, and the sum of n 21 and n 22 is an integer of 2 or more, and Z 1 and Z 2 each represent a hydroxyl group, a halogen group, an alkyl sulfonate group, or a nitro group.

式(13)中、X4は、好ましくは、単結合、または、−C(Q101202)−、−O−、−CO−、−S−、−SO−および−SO2−からなる群から選択される1つ若しくは2つ以上の組み合わせからなる2価の基である。Q101およびQ202は、それぞれ、水素原子または置換基を表し、置換基としては、フッ素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、トリフルオロメチル基、フェニル基が好ましい例として挙げられる。Q101とQ202は同一ある方が好ましい。
6およびR7は、芳香環を含む2〜6価の連結基であり、芳香環を構成する炭素原子の総数は1〜50が好ましく、1〜30がより好ましく、1〜15がさらに好ましい。また、該芳香環上の水素原子は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、置換基(例えば、ハロゲン原子、好ましくはフッ素原子など)で置換されていてもよい。
以下にR6およびR7の好ましい構造を例示する。ここで、−B6−(A5)n19および−B7−(A6)n20との連結部位については特に構造式中に記載していないが、芳香環上のいずれかの位置で所望の個数が連結されていてもよいものとし、下記構造式においては2価の連結基の構造として示す。ここで、−B6−(A5)n19または−B7−(A6)n20はそれぞれ1〜4個連結しているのが好ましく、1〜2個連結しているのがさらに好ましく、1個連結しているのが特に好ましい。
これらの中で、(A−2)、(A−5)、(A−8)、(A−12)がさらに好ましく、(A−1)、(A−4)が特に好ましい。
In formula (13), X 4 is preferably composed of a single bond or —C (Q 101 Q 202 ) —, —O—, —CO—, —S—, —SO— and —SO 2 —. It is a divalent group consisting of one or a combination of two or more selected from the group. Q 101 and Q 202 each represent a hydrogen atom or a substituent, and preferred examples of the substituent include a fluorine atom, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a trifluoromethyl group, and a phenyl group. Q 101 and Q 202 are preferably the same.
R 6 and R 7 are divalent to hexavalent linking groups containing an aromatic ring, and the total number of carbon atoms constituting the aromatic ring is preferably 1-50, more preferably 1-30, and even more preferably 1-15. . Further, the hydrogen atom on the aromatic ring may be substituted with a substituent (for example, a halogen atom, preferably a fluorine atom, etc.) without departing from the spirit of the present invention.
Examples of preferred structures of R 6 and R 7 are shown below. Here, -B 6 - (A 5) n 19 and -B 7 - although not specifically described in the structural formulas for the connecting portion between (A 6) n 20, at any position on the aromatic ring A desired number may be linked, and in the following structural formula, it is shown as a divalent linking group structure. Here, -B 6 - (A 5) n 19 or -B 7 - (A 6) n 20 is preferably linked 1-4 respectively, more preferably are you 1-2 linked It is particularly preferable that one is connected.
Among these, (A-2), (A-5), (A-8), and (A-12) are more preferable, and (A-1) and (A-4) are particularly preferable.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

1およびZ2はそれぞれ水酸基、フッ素原子、塩素原子、メタンスルホネート基、p−トルエンスルホネート基が好ましい。
6およびB7は、それぞれ、式(3)中のB1と同義であり、好ましい範囲も同義である。
5およびA6は、式(3)中のA1と同義であり、好ましい範囲も同義である。
19およびn20は、好ましくは、それぞれ1〜4の整数を表し、n21およびn22は、好ましくは、それぞれ、1〜3の整数を表す。n21とn22の和は、好ましくは、2〜4である。n19〜n22が2以上であって、B6、B7、A5および/またはA6が2以上存在する場合、これらのB6、B7、A5および/またはA6は、それぞれ、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
以下に、式(13)の好ましい例を例示するが、本発明はこれらに限定されない。
Z 1 and Z 2 are each preferably a hydroxyl group, a fluorine atom, a chlorine atom, a methanesulfonate group, or a p-toluenesulfonate group.
B 6 and B 7 each have the same meaning as B 1 in formula (3), and the preferred range is also the same.
A 5 and A 6 have the same meaning as A 1 in formula (3), and the preferred range is also the same.
n 19 and n 20 are preferably each an integer of 1 to 4, n 21 and n 22 are preferably each represent an integer of 1-3. The sum of n 21 and n 22 is preferably 2 to 4. When n 19 to n 22 is 2 or more and B 6 , B 7 , A 5 and / or A 6 is 2 or more, these B 6 , B 7 , A 5 and / or A 6 are respectively May be the same or different.
Although the preferable example of Formula (13) is illustrated below, this invention is not limited to these.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
Figure 2007242554

式(14) Formula (14)

Figure 2007242554
(式(14)中、Z3およびZ4は、それぞれ、水酸基、ハロゲン基、アルキルスルホネート基またはニトロ基を表し、R8は芳香環を含む基を表す。)
Figure 2007242554
(In formula (14), Z 3 and Z 4 each represent a hydroxyl group, a halogen group, an alkyl sulfonate group or a nitro group, and R 8 represents a group containing an aromatic ring.)

式(14)中、R8は、好ましくは、芳香環を含む2価の連結基であり、式(2)中のR3と同義であり、好ましい範囲も同義である。
3およびZ4はそれぞれ水酸基、フッ素原子、塩素原子、メタンスルホネート基、p−トルエンスルホネート基が好ましい。
In formula (14), R 8 is preferably a divalent linking group containing an aromatic ring, has the same definition as R 3 in formula (2), and the preferred range is also the same.
Z 3 and Z 4 are each preferably a hydroxyl group, a fluorine atom, a chlorine atom, a methanesulfonate group, or a p-toluenesulfonate group.

式(14)で表される化合物の具体例としては、ハイドロキノン、レゾルシン、2−メチルハイドロキノン、2−エチルハイドロキノン、2−プロピルハイドロキノン、2−ブチルハイドロキノン、2−ヘキシルハイドロキノン、2−オクチルハイドロキノン、2−デカニルハイドロキノン、2,3−ジメチルハイドロキノン、2,3−ジエチルハイドロキノン、2,5−ジメチルハイドロキノン、2,5−ジエチルハイドロキノン、2,6−ジメチルハイドロキノン、2,3,5−トリメチルハイドロキノン、2,3,5,6−テトラメチルハイドロキノン、4,4'−ジヒドロキシビフェニル、2,2'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、2,2'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、2,2'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、2,2'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(2−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジクロロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジジブロモ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−フルオロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジフルオロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、α,α'−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(2−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(2−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、2,2'−ジクロロジフェニルスルホン、3,3'−ジメチル−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、3,3'−ジヒドロキシ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、2,2'−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3'−ジメチル−4,4'−フルオロジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3'−ジヒドロキシ−4,4'−ジフルオロフェニルスルホン、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、パーフルオロビフェニル、4,4'−ジフルオロベンゾフェノン、4,4'−ジクロロベンゾフェノン、4,4'−ジヒドロキシベンゾフェノン、3,3'−ジフルオロベンゾフェノン、3,3'−ジクロロベンゾフェノン、3,3'−ジヒドロキシベンゾフェノン、4,4'−ジフルオロ−3,3'−ジメチルベンゾフェノン、4,4'−ジクロロ−3,3'−ジメチルベンゾフェノン等が挙げられる。   Specific examples of the compound represented by the formula (14) include hydroquinone, resorcin, 2-methylhydroquinone, 2-ethylhydroquinone, 2-propylhydroquinone, 2-butylhydroquinone, 2-hexylhydroquinone, 2-octylhydroquinone, 2 -Decanyl hydroquinone, 2,3-dimethylhydroquinone, 2,3-diethylhydroquinone, 2,5-dimethylhydroquinone, 2,5-diethylhydroquinone, 2,6-dimethylhydroquinone, 2,3,5-trimethylhydroquinone, 2 , 3,5,6-tetramethylhydroquinone, 4,4′-dihydroxybiphenyl, 2,2′-dihydroxybiphenyl, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxybiphenyl, 3,3 ′, 5,5 '-Tetramethyl-4,4'-dihydride Roxybiphenyl, 3,3′-dichloro-4,4′-dihydroxybiphenyl, 3,3 ′, 5,5′-tetrachloro-4,4′-dihydroxybiphenyl, 3,3′-dibromo-4,4 ′ -Dihydroxybiphenyl, 3,3 ', 5,5'-tetrabromo-4,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3'-difluoro-4,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3', 5,5'-tetra Fluoro-4,4′-dihydroxybiphenyl, 4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 2,2′-dihydroxydiphenylmethane, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 3,3 ′, 5,5 ′ -Tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3 ', 5,5'-tetrachloro-4, '-Dihydroxydiphenylmethane, 3,3'-dibromo-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3', 5,5'-tetrabromo-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3'-difluoro-4,4 '-Dihydroxydiphenylmethane, 3,3'5,5'-tetrafluoro-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 2,2'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3'-dimethyl-4, 4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3 ', 5,5'-tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3', 5,5 '-Tetrachloro-4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3'-dibromo-4,4'-dihi Roxydiphenyl ether, 3,3 ′, 5,5′-tetrabromo-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3′-difluoro-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3 ′, 5,5′-tetrafluoro -4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 2,2'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3'-dimethyl-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ', 5 5'-tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ', 5,5'-tetrachloro-4,4'-dihydroxy Diphenyl sulfide, 3,3′-dibromo-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ′, 5,5 ′ -Tetrabromo-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3'-difluoro-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ', 5,5'-tetrafluoro-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 2,2′-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4 '-Dihydroxydiphenylsulfone, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3', 5,5'-tetrachloro-4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3'-dibromo -4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3 ', 5,5'-tetrabromo-4,4'-dihydroxydiphenyls Hong, 3,3′-difluoro-4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3 ′, 5,5′-tetrafluoro-4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ) Propane, 2,2-bis (2-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-chloro-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dichloro-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-bromo-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-didibromo-4- Hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-fluoro-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-difluoro-4-hydroxyphenyl) ) Propane, 2,2-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) propane, α, α′-bis (4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis ( 2-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, α, α′-bis (2-hydroxyphenyl) -1,3- Diisopropylbenzene, α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) -1,4- Diisopropylbenzene, α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxy Phenyl) -1,3-diisopropylbenzene, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 2,2′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-dimethyl-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3 ′, 5 , 5′-tetramethyl-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-dihydroxy-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-dibromo-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3, 3'-difluoro-4,4'-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3 ', 5,5'-tetrafluoro-4,4'-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 2,2'- Difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-dimethyl-4,4′-fluorodiphenyl sulfone, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-difluoro Diphenylsulfone, 3,3′-dihydroxy-4,4′-difluorophenylsulfone, 3,3′-dibromo-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-difluoro-4,4′-difluorodiphenylsulfone 3,3 ′, 5,5′-tetrafluoro-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, perfluorobiphenyl, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dihydroxybenzophenone 3,3′-difluorobenzophenone, 3,3′-dichlorobenzophenone, 3,3′-dihydroxybenzophenone, 4,4′-difluoro-3,3′-dimethylbenzophenone, 4,4′-dichloro-3,3 Examples include '-dimethylbenzophenone.

式(15) Formula (15)

Figure 2007242554
(式(15)中、X5は単結合または2価の連結基であり、R9およびR10はそれぞれ芳香環を含む基を表す。E6、E7およびE8はそれぞれ酸素透過性の高い置換基を表す。n23、n24およびn25はそれぞれ0〜4の整数を表し、n23とn24とn25の和は1以上である。Z5およびZ6は、それぞれ、水酸基、ハロゲン基、アルキルスルホネート基またはニトロ基を表す。)
Figure 2007242554
(In Formula (15), X 5 is a single bond or a divalent linking group, and R 9 and R 10 each represent a group containing an aromatic ring. E 6 , E 7 and E 8 are each oxygen-permeable. N 23 , n 24 and n 25 each represents an integer of 0 to 4, and the sum of n 23 , n 24 and n 25 is at least 1. Z 5 and Z 6 are each a hydroxyl group Represents a halogen group, an alkyl sulfonate group or a nitro group.)

式(15)中、X5は式(2)のX1と同義であり、好ましい範囲も同義である。
9およびR10は、好ましくは、芳香環を含む2〜6価の連結基であり、式(13)中のR6およびR7と同義であり、B6−(A5)n19およびB7−(A6)n20との連結部位をE6およびE8との連結部位に置き換えた他は、好ましい範囲もR6およびR7と同義である。
5およびZ6はそれぞれ水酸基、フッ素原子、塩素原子、メタンスルホネート基、p−トルエンスルホネート基が好ましい。
23、n24およびn25はそれぞれ0〜4の整数を表し、n23とn24とn25の和は1以上である。
6、E7およびE8はそれぞれ酸素透過性の高い置換基を表し、それぞれ式(5)のE1に同義であり、好ましい範囲も同義である。
23、n24またはn25が2以上の場合、それぞれのE6、E7またはE8は、それぞれ、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
以下に、式(15)の好ましい例を例示するが、本発明はこれらに限定されない。
In formula (15), X 5 has the same meaning as X 1 in formula (2), and the preferred range is also the same.
R 9 and R 10 are preferably divalent to hexavalent linking groups containing an aromatic ring, and have the same meanings as R 6 and R 7 in formula (13), and B 6- (A 5 ) n19 and B The preferred range is the same as R 6 and R 7 except that the linking site with 7- (A 6 ) n20 is replaced with the linking site with E 6 and E 8 .
Z 5 and Z 6 are each preferably a hydroxyl group, a fluorine atom, a chlorine atom, a methanesulfonate group, or a p-toluenesulfonate group.
n 23 , n 24 and n 25 each represent an integer of 0 to 4, and the sum of n 23 , n 24 and n 25 is 1 or more.
E 6 , E 7 and E 8 each represent a substituent having high oxygen permeability, each having the same meaning as E 1 in formula (5), and the preferred range is also the same.
When n 23 , n 24 or n 25 is 2 or more, each E 6 , E 7 or E 8 may be the same or different.
Although the preferable example of Formula (15) is illustrated below, this invention is not limited to these.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
Figure 2007242554

方法A−2を用いてポリマー系列Aを合成する場合、カーボン材料へのポリマー系列A連結法としては、例えば、(方法A2−1)および(方法A2−2)で表される2通りの方法が挙げられ、いずれの方法も好ましく用いることができる。以下、(方法A2−1)および(方法A2−2)について詳細に説明する。   When synthesizing the polymer series A using the method A-2, as the polymer series A linking method to the carbon material, for example, two methods represented by (Method A2-1) and (Method A2-2) Any of these methods can be preferably used. Hereinafter, (Method A2-1) and (Method A2-2) will be described in detail.

(方法A2−1)
方法A2−1は、前記方法にてポリマー主鎖の形成を行った後、ポリマー系列A中にカーボン材料との連結部位を複数導入し、ポリマー系列Aをカーボン材料に複数の連結点を介して連結する方法である。
(方法A2−2)
方法A2−2は、カーボン材料存在下で、前記方法にてポリマー主鎖の形成を行うことにより、ポリマー主鎖の形成と1つの連結点によるカーボン材料への連結を同時に行った後、ポリマー系列A中にカーボン材料との連結部位を複数導入し、二段目の反応でポリマー系列Aをカーボン材料に複数の連結点により連結する方法である。
(Method A2-1)
In method A2-1, after the formation of the polymer main chain by the above-described method, a plurality of connecting parts with the carbon material are introduced into the polymer series A, and the polymer series A is connected to the carbon material via a plurality of connecting points. It is a method of connecting.
(Method A2-2)
In the method A2-2, the polymer main chain is formed by the above-described method in the presence of the carbon material, so that the formation of the polymer main chain and the connection to the carbon material at one connection point are simultaneously performed, and then the polymer series In this method, a plurality of connecting portions with a carbon material are introduced into A, and the polymer series A is connected to the carbon material through a plurality of connecting points in the second-stage reaction.

ポリマー系列A中のカーボン材料との連結部位、および連結部位のポリマー系列Aへの導入法
ポリマー系列A中のカーボン材料との連結部位、および該連結部位のポリマー系列Aへの導入法としては、大別して以下の通りである。
(1)ハロゲノベンジル部位
ハロゲノベンジル部位はカーボン材料中の水酸基と求核置換により反応し、カーボン材料と連結する。また、ハロゲノベンジル部位は、ハロゲン化銅(I)の2、2’−ビピリジン錯体など、原子移動ラジカル重合に用いる触媒(例えば、Chem. Rev. 2001,101,2921−2990 に記載の触媒)存在下で炭素ラジカルを発生するため、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。
ハロゲノベンジル部位については、ポリマー系列Aの主鎖の芳香環を、クロロメチルメチルエーテル等のハロゲノメチル化剤を用いてハロゲノメチル化することによって得られる。
(2)スルホニルハライド部位
スルホニルハライド部位は、ハロゲン化銅(I)の2、2’−ビピリジン錯体など、原子移動ラジカル重合に用いる触媒(例えば、Chem. Rev. 2001,101,2921−2990 に記載の触媒)存在下でラジカルを発生するため、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。
スルホニルハライド部位の導入法については、ポリマー系列Aの主鎖の芳香環にクロロスルホン酸などを作用させることによって得られる。
(3)2、2、6、6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル誘導体部位
2、2、6、6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル誘導体のような、安定フリーラジカル重合に用いる開始剤を導入すれば、加熱により炭素ラジカルが発生し、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。上記誘導体の好ましい例は、上述の「安定フリーラジカル重合の開始点」の好ましい例と同義である。
上記誘導体部位の導入法については、ポリマー系列Aの主鎖の芳香環を、クロロメチルメチルエーテル等のハロゲノメチル化剤を用いてハロゲノメチル化し、求核置換反応によって上記誘導体を導入することができる。
(4)ジアゾニウム塩部位
カーボン材料存在下、アニリン誘導体よりジアゾニウム塩を形成すると、ジアゾニウム塩の分解により生じたラジカルがカーボン材料にトラップされることでカーボン材料と連結する。ジアゾニウム塩の導入法としては、ポリマー系列Aの主鎖の芳香環を、クロロメチルメチルエーテル等のハロゲノメチル化剤を用いてハロゲノメチル化し、求核置換反応によってアニリン誘導体を導入後、亜硝酸ナトリウムと反応させる方法、または、ニトロ基を有するモノマーを用いてポリマー系列Aの主鎖形成を行い、酸性条件下で鉄によりニトロ基をアニリンに還元し、亜硝酸ナトリウムと反応させる方法が挙げられる。
(5)過酸エステル部位
過酸エステルを加熱すると、脱炭酸反応と共に炭素ラジカルが生成し、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。過酸エステルの導入法としては、ポリマー系列Aの主鎖にカルボン酸を導入し、塩化チオニルにより酸塩化物を形成後、tert−ブチルハイドロパーオキシドなどの過酸化物と反応させる方法が挙げられる。
(6)アゾ化合物誘導体部位
アゾ化合物も加熱により分解して炭素ラジカルを生成し、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。アゾ化合物の導入法としては、ポリマー系列Aの主鎖をハロゲノメチル化し、4、4’−アゾビス(4−シアノペンタノール)などのアゾ化合物誘導体と反応させる方法が挙げられる。
(7)ヒドロキシル基含有部位
ヒドロキシル基含有部位は、酸性条件下、四価のセリウムイオンと反応して炭素ラジカル、または酸素ラジカルを生成し、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。ヒドロキシル基含有部位の導入法としては、ポリマー系列Aの主鎖をヒドロキシメチル化する方法が挙げられる。
The connecting part with the carbon material in the polymer series A, and the method of introducing the connecting part into the polymer series A The connecting part with the carbon material in the polymer series A and the introducing method of the connecting part into the polymer series A include: Broadly divided as follows.
(1) Halogenobenzyl moiety The halogenobenzyl moiety reacts with a hydroxyl group in the carbon material by nucleophilic substitution and is linked to the carbon material. Further, the halogenobenzyl moiety is present in a catalyst used for atom transfer radical polymerization (for example, the catalyst described in Chem. Rev. 2001, 101, 2921-2990) such as a 2,2′-bipyridine complex of copper (I) halide. In order to generate carbon radicals underneath, it is linked to the carbon material by a radical trapping reaction.
The halogenobenzyl moiety is obtained by halogenomethylating the aromatic ring of the main chain of the polymer series A using a halogenomethylating agent such as chloromethylmethyl ether.
(2) Sulfonyl halide moiety The sulfonyl halide moiety is a catalyst used for atom transfer radical polymerization such as 2,2′-bipyridine complex of copper (I) halide (for example, described in Chem. Rev. 2001, 101, 2921-2990). In order to generate radicals in the presence of a catalyst, it is linked to a carbon material by a radical trapping reaction.
The method for introducing a sulfonyl halide moiety can be obtained by allowing chlorosulfonic acid or the like to act on the aromatic ring of the main chain of the polymer series A.
(3) 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl derivative moiety Introduced an initiator for stable free radical polymerization such as 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl derivative Then, carbon radicals are generated by heating and are linked to the carbon material by radical trapping reaction. Preferred examples of the derivative are the same as the preferred examples of the “starting point of stable free radical polymerization” described above.
As for the method of introducing the derivative moiety, the aromatic ring of the main chain of the polymer series A can be halogenomethylated using a halogenomethylating agent such as chloromethylmethyl ether, and the derivative can be introduced by a nucleophilic substitution reaction. .
(4) Diazonium salt site When a diazonium salt is formed from an aniline derivative in the presence of a carbon material, radicals generated by the decomposition of the diazonium salt are trapped in the carbon material and linked to the carbon material. As a method for introducing the diazonium salt, the aromatic ring of the main chain of the polymer series A is halogenomethylated using a halogenomethylating agent such as chloromethylmethyl ether, and an aniline derivative is introduced by a nucleophilic substitution reaction, followed by sodium nitrite. Or a method of forming a main chain of the polymer series A using a monomer having a nitro group, reducing the nitro group to aniline with iron under acidic conditions, and reacting with sodium nitrite.
(5) Peracid ester site When the peracid ester is heated, a carbon radical is generated together with a decarboxylation reaction, and is linked to a carbon material by a radical trapping reaction. Examples of the method for introducing a peracid ester include a method in which a carboxylic acid is introduced into the main chain of the polymer series A, an acid chloride is formed with thionyl chloride, and then reacted with a peroxide such as tert-butyl hydroperoxide. .
(6) Azo compound derivative site An azo compound is also decomposed by heating to generate a carbon radical, and is linked to a carbon material by a radical trapping reaction. Examples of the method for introducing the azo compound include a method in which the main chain of the polymer series A is halogenomethylated and reacted with an azo compound derivative such as 4,4′-azobis (4-cyanopentanol).
(7) Hydroxyl group-containing site The hydroxyl group-containing site reacts with tetravalent cerium ions under acidic conditions to generate carbon radicals or oxygen radicals, and is linked to the carbon material by radical trapping reaction. Examples of the method for introducing a hydroxyl group-containing site include a method in which the main chain of the polymer series A is hydroxymethylated.

上記連結基を反応形式で分類すると、求核置換反応による連結部位が(1)ハロゲノベンジル部位、ラジカルトラッピングによる連結部位が(1)ハロゲノベンジル部位、(2)スルホニルハライド部位、(3)2、2、6、6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル誘導体部位、(4)ジアゾニウム塩、(5)過酸エステル、(6)アゾ化合物誘導体、(7)ヒドロキシル基含有部位であり、これらはいずれも好ましく用いることができる。また、(1)〜(7)の部位はいずれも容易にラジカルを生成することができ、以後(1)〜(7)の部位をラジカル発生基ということがある。(1)〜(7)の部位の導入量としては、式(2)で表される繰り返し単位8つに対し1つ以上導入されることが好ましく、式(2)で表される繰り返し単位4つに対し1つ以上導入されることがさらに好ましく、式(2)で表される繰り返し単位2つに対し1つ以上導入されることが特に好ましい。   When the above linking groups are classified according to the reaction format, the linking site by nucleophilic substitution reaction is (1) a halogenobenzyl site, the linking site by radical trapping is (1) a halogenobenzyl site, (2) a sulfonyl halide site, (3) 2, 2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl derivative moiety, (4) diazonium salt, (5) peracid ester, (6) azo compound derivative, (7) hydroxyl group-containing moiety, It can be preferably used. In addition, any of the sites (1) to (7) can easily generate radicals, and the sites (1) to (7) may be referred to as radical generating groups hereinafter. As the amount of introduction of the sites (1) to (7), it is preferable that one or more is introduced with respect to eight repeating units represented by the formula (2). The repeating unit 4 represented by the formula (2) It is more preferable that one or more is introduced per one, and it is particularly preferable that one or more is introduced for two repeating units represented by the formula (2).

ポリマー系列Bの構造 Structure of polymer series B

Figure 2007242554
(式(6)中、W11、W12およびW13はそれぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基またはヘテロ環基を表す。式(7)中、B3は単結合または2〜6価の連結基を表し、A2はイオン性官能基を表し、n7は1〜5の整数である。式(8)中、E2は酸素透過性の高い置換基を表す。)
Figure 2007242554
(In the formula (6), W 11 , W 12 and W 13 each represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group. In the formula (7), B 3 is a single bond or 2-6. Represents a valent linking group, A 2 represents an ionic functional group, and n 7 represents an integer of 1 to 5. In formula (8), E 2 represents a substituent having high oxygen permeability.

式(6)中、W11、W12およびW13はそれぞれ水素原子、ハロゲン原子またはアルキル基が好ましい。
11、W12およびW13がハロゲン原子の場合、それぞれ、塩素原子またはフッ素原子が好ましく、フッ素原子がより好ましい。
11、W12およびW13がアルキル基の場合、それぞれ、直鎖、分岐鎖または環状アルキル基のいずれでもよく、その炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜6である。具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、2−エチルヘキシル基、デシル基、シクロプロピル基、シクロヘキシル基、シクロドデシル基等が挙げられる。
11、W12およびW13がアリール基の場合、それぞれ、炭素数6〜20の置換もしくは無置換のフェニル基およびナフチル基等が挙げられる。
11、W12およびW13がヘテロ環基の場合、それぞれ、置換もしくは無置換のへテロ6員環(例えばピリジル基、モルホリノ基等)、置換もしくは無置換のヘテロ5員環(フリル基、チオフェン基等)等が好ましい例として挙げられる。
式(10)で表される繰り返し単位は、1種類のみ含んでいてもよく、2種類以上含んでいてもよい。
In formula (6), W 11 , W 12 and W 13 are each preferably a hydrogen atom, a halogen atom or an alkyl group.
When W 11 , W 12 and W 13 are halogen atoms, each is preferably a chlorine atom or a fluorine atom, more preferably a fluorine atom.
When W 11 , W 12 and W 13 are alkyl groups, each may be a linear, branched or cyclic alkyl group, and the carbon number thereof is preferably 1-20, more preferably 1-6. Specific examples include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a 2-ethylhexyl group, a decyl group, a cyclopropyl group, a cyclohexyl group, and a cyclododecyl group.
When W 11 , W 12 and W 13 are aryl groups, examples thereof include a substituted or unsubstituted phenyl group and naphthyl group having 6 to 20 carbon atoms.
When W 11 , W 12 and W 13 are heterocyclic groups, each is a substituted or unsubstituted hetero 6-membered ring (eg, pyridyl group, morpholino group, etc.), substituted or unsubstituted hetero 5-membered ring (furyl group, A preferred example is a thiophene group.
The repeating unit represented by formula (10) may contain only one type, or may contain two or more types.

式(6)の繰り返し単位数は、2〜2000であることが好ましく、5〜1000であることがさらに好ましく、10〜400であることが特に好ましい。   The number of repeating units of the formula (6) is preferably 2 to 2000, more preferably 5 to 1000, and particularly preferably 10 to 400.

式(7)中、B3は式(3)のB1と同義であり、好ましい範囲も同義である。
2はイオン性官能基を表し、式(3)のA1と同義であり、好ましい範囲も同義である。n6が2以上の場合、2以上のA2は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
In formula (7), B 3 has the same meaning as B 1 in formula (3), and the preferred range is also the same.
A 2 represents an ionic functional group and has the same meaning as A 1 in formula (3), and the preferred range is also the same. When n 6 is 2 or more, two or more A 2 s may be the same or different.

式(7)のポリマー主鎖への導入量は、導入されたイオン性官能基の含量が、0.1meq/g〜7meq/gとなる量であることが好ましく、0.5meq/g〜4meq/gとなる量であることがさらに好ましく、1meq/g〜3meq/gとなる量であることが特に好ましい。   The amount introduced into the polymer main chain of the formula (7) is preferably such that the content of the introduced ionic functional group is 0.1 meq / g to 7 meq / g, 0.5 meq / g to 4 meq. / G is more preferable, and an amount of 1 meq / g to 3 meq / g is particularly preferable.

式(8)中、E2は酸素透過性の高い置換基であり、式(5)のE1と同義であり、好ましい範囲も同義である。 Wherein (8), E 2 is a substituent of high oxygen permeability, has the same meanings as E 1 of the formula (5), and the preferred range is also the same.

ポリマー系列Bのポリマーの重量平均分子量は、500〜20万であることが好ましく、1000〜10万であることがさらに好ましく、1500〜5万であることが特に好ましい。   The weight average molecular weight of the polymer of the polymer series B is preferably 500 to 200,000, more preferably 1000 to 100,000, and particularly preferably 1500 to 50,000.

ポリマー系列Bの製造方法およびカーボン材料への導入法
ポリマー系列Bの製造方法としては、例えば、1.式(6)からなる繰り返し単位を含む主鎖を形成後、式(7)または式(8)で表される部分構造を、主鎖の芳香環に導入する方法(以後この方法を方法B−1とする。)、および2.式(16)で表される化合物、および式(17)で表される化合物を重合させる工程を含む方法(以後この方法を方法B−2とする。)が挙げられ、いずれの方法も好ましく用いることができる。また、ポリマー系列Bのカーボン材料への導入方法は、ポリマー系列Bの製造方法としてB−1を用いる場合とB−2を用いる場合では異なる。以下、ポリマー系列Bの製造方法B−1、B−2およびそれぞれの製法を用いた際のポリマー系列Bのカーボン材料への導入法について詳しく説明する。
Production method of polymer series B and introduction method to carbon material Examples of the production method of polymer series B include: A method of introducing a partial structure represented by formula (7) or formula (8) into an aromatic ring of the main chain after forming a main chain containing a repeating unit of formula (6) (hereinafter, this method is referred to as method B- 1), and 2. And a method comprising polymerizing the compound represented by formula (16) and the compound represented by formula (17) (hereinafter, this method is referred to as method B-2), and any of these methods is preferably used. be able to. In addition, the method of introducing the polymer series B into the carbon material differs depending on whether B-1 is used or B-2 is used as the production method of the polymer series B. Hereinafter, the production methods B-1 and B-2 of the polymer series B and the method of introducing the polymer series B into the carbon material when using the respective production methods will be described in detail.

方法B−1
方法B−1は、式(6)よりなる繰り返し単位を含む主鎖を形成後、式(7)または式(8)で表される部分構造を、該主鎖の芳香環に導入する方法である。ここで、主鎖部分の形成方法としては、スチレン誘導体をモノマーに用いたラジカル重合、カチオン重合またはアニオン重合など、公知の方法を用いることができる。
Method B-1
Method B-1 is a method of introducing a partial structure represented by formula (7) or formula (8) into an aromatic ring of the main chain after forming a main chain containing a repeating unit of formula (6). is there. Here, as a method for forming the main chain portion, a known method such as radical polymerization, cation polymerization or anion polymerization using a styrene derivative as a monomer can be used.

式(7)で表される部分構造の主鎖への導入法としては、スルトン類のフリーデルクラフツ反応、主鎖芳香族環のハロメチル化後、亜硫酸ナトリウムによるスルホン化反応、主鎖芳香族環のハロメチル化後、ウィリアムソンエーテル合成によるスルホ基の導入など、公知の方法を用いることができる。   For introducing the partial structure represented by formula (7) into the main chain, Friedel-Crafts reaction of sultones, halomethylation of the main chain aromatic ring, sulfonation reaction with sodium sulfite, main chain aromatic ring After halomethylation, a known method such as introduction of a sulfo group by Williamson ether synthesis can be used.

式(8)で表される部分構造の主鎖への導入法としては、主鎖芳香族環のハロメチル化後、ウィリアムソンエーテル合成を用いる公知の方法を利用することができる。   As a method for introducing the partial structure represented by the formula (8) into the main chain, a known method using Williamson ether synthesis after halomethylation of the main chain aromatic ring can be used.

方法B−1を用いてポリマー系列Bを合成する場合、カーボン材料へのポリマー連結法としては、例えば、(方法B1−1)および(方法B1−2)で表される2通りの方法が挙げられ、いずれの方法も好ましく用いることができる。以下、(方法B1−1)および(方法B1−2)について詳細に説明する。   When synthesizing the polymer series B using the method B-1, examples of the polymer linking method to the carbon material include two methods represented by (Method B1-1) and (Method B1-2). Any of these methods can be preferably used. Hereinafter, (Method B1-1) and (Method B1-2) will be described in detail.

(方法B1−1)
方法B1−1は、ポリマー主鎖形成時に例えば4−クロロメチルスチレンなどを共重合して連結部位を複数導入し、ポリマー系列Bを複数の連結点を介してカーボン材料に連結後、式(7)または式(8)で表される部分構造を導入する方法である。
(方法B1−2)
方法B1−2は、カーボン材料にラジカル重合の開始点を形成し、該開始点を利用してスチレン誘導体をモノマーに用いた、原子移動ラジカル重合あるいは安定フリーラジカル重合を行うことで、ポリマー主鎖の形成・1つの連結点によるカーボン材料への連結・二段目の連結反応に用いる連結部位の導入を同時に行い、二段目の連結反応により複数の連結点を介してカーボン材料に連結後、カーボン材料にグラフトされたポリマー主鎖に式(7)または式(8)で表される部分構造を導入する方法である。
(Method B1-1)
In the method B1-1, when a polymer main chain is formed, for example, 4-chloromethylstyrene is copolymerized to introduce a plurality of linking sites, and after connecting the polymer series B to a carbon material via a plurality of linking points, the formula (7 ) Or a partial structure represented by the formula (8).
(Method B1-2)
Method B1-2 is a method in which a radical polymerization initiation point is formed in a carbon material, and atom transfer radical polymerization or stable free radical polymerization is performed using a styrene derivative as a monomer using the initiation point.・ Connecting to a carbon material at one connection point ・ Introducing a connection site used for the second-stage connection reaction at the same time, and connecting to the carbon material through a plurality of connection points by the second-stage connection reaction, In this method, a partial structure represented by the formula (7) or the formula (8) is introduced into the polymer main chain grafted to the carbon material.

以下に、カーボン材料に形成されるラジカル重合の開始点、およびカーボン材料との連結基の好ましい例を例示するが、本発明はこれらに限定されない。なお、化合物中LCはカーボン材料との連結箇所を表す。 Although the preferable example of the starting point of the radical polymerization formed in a carbon material below and a coupling group with a carbon material is illustrated below, this invention is not limited to these. In addition, L C in the compound represents a connecting portion with the carbon material.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

方法B−2
方法B−2は、式(16)で表される化合物および式(17)で表される化合物を重合させる工程を含む方法である。式(16)で表される化合物および式(17)で表される化合物は、それぞれ、1種類のみ用いてもよいし、2種類以上用いてもよい。以下、これらの化合物について説明する。
Method B-2
Method B-2 is a method including a step of polymerizing the compound represented by formula (16) and the compound represented by formula (17). As for the compound represented by Formula (16) and the compound represented by Formula (17), only 1 type may respectively be used, and 2 or more types may be used. Hereinafter, these compounds will be described.

Figure 2007242554
(式(16)および(17)中、W21、W22、W23、W24、W25およびW26はそれぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基またはヘテロ環基を表し、B8は単結合または2〜6価の連結基を表し、A7はイオン性官能基を表し、n26は1〜5の整数を表し、n27は1〜5の整数を表す。E10は酸素透過性の高い置換基を表し、n28は1〜5の整数を表す。)
Figure 2007242554
(Expressed in the formula (16) and (17), W 21, W 22, W 23, W 24, W 25 and W 26 are each a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group, B 8 Represents a single bond or a bivalent to hexavalent linking group, A 7 represents an ionic functional group, n 26 represents an integer of 1 to 5, n 27 represents an integer of 1 to 5. E 10 represents oxygen Represents a highly permeable substituent, and n 28 represents an integer of 1 to 5.)

式(16)および式(17)中、W21、W22、W23、W24、W25およびW26は、それぞれ、式(6)におけるW11と同義であり、好ましい範囲も同義である。
8は式(3)のB1と同義であり、好ましい範囲も同義である。
7はイオン性官能基を表し、式(3)におけるA1と同義であり、好ましい範囲も同義である。
10は酸素透過性の高い置換基を表し、式(5)におけるE1と同義であり、好ましい範囲も同義である。
26は、好ましくは1〜4の整数である。n27およびn28は、好ましくは、それぞれ、1〜3の整数である。
26、n27、n28が2以上であって、A7、B8および/またはE10が2以上存在する場合、それぞれのA7、B8および/またはE10は同一であってもよいし、異なっていてもよい、
式(16)および式(17)の好ましい例を以下に例示するが、本発明はこれらに限定されない。
In formula (16) and formula (17), W 21 , W 22 , W 23 , W 24 , W 25 and W 26 are respectively synonymous with W 11 in formula (6), and the preferred range is also synonymous. .
B 8 has the same meaning as B 1 in formula (3), and the preferred range is also the same.
A 7 represents an ionic functional group and has the same meaning as A 1 in formula (3), and the preferred range is also the same.
E 10 represents a substituent having high oxygen permeability, and has the same meaning as E 1 in formula (5), and the preferred range is also the same.
n 26 is preferably an integer of 1 to 4. n 27 and n 28 are preferably each an integer of 1 to 3.
When n 26 , n 27 and n 28 are 2 or more and A 7 , B 8 and / or E 10 are 2 or more, each A 7 , B 8 and / or E 10 may be the same Good or different,
Although the preferable example of Formula (16) and Formula (17) is illustrated below, this invention is not limited to these.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

Figure 2007242554
Figure 2007242554

式(16)および式(17)で表される化合物の重合は、ラジカル重合、カチオン重合、アニオン重合、配位重合が好ましく用いられ、ラジカル重合またはカチオン重合がより好ましく、ラジカル重合がさらに好ましい。ラジカル重合の中でも、原子移動ラジカル重合、安定フリーラジカル重合のようなリビングラジカル重合が最も好ましい。重合は、ランダム共重合でもブロック共重合でも好ましく用いられる。 生成ポリマー中に含まれる式(16)で表される化合物由来の成分と式(17)で表される化合物由来の成分の組成比Xは、0〜10であることが好ましく、0〜5であることがさらに好ましく、0〜2であることが特に好ましい。   For the polymerization of the compounds represented by the formulas (16) and (17), radical polymerization, cationic polymerization, anionic polymerization, and coordination polymerization are preferably used, radical polymerization or cationic polymerization is more preferable, and radical polymerization is more preferable. Among radical polymerizations, living radical polymerization such as atom transfer radical polymerization and stable free radical polymerization is most preferable. The polymerization is preferably used for random copolymerization or block copolymerization. The composition ratio X of the component derived from the compound represented by formula (16) and the component derived from the compound represented by formula (17) contained in the produced polymer is preferably 0 to 10, preferably 0 to 5. More preferably, it is particularly preferably 0-2.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

方法B−2を用いてポリマー系列Bを合成する場合、カーボン材料へのポリマー導入法として(方法B2−1)および(方法B2−2)がある。以下、これらについて説明する。   When the polymer series B is synthesized using the method B-2, there are (Method B2-1) and (Method B2-2) as a method for introducing a polymer into the carbon material. Hereinafter, these will be described.

(方法B2−1)
方法B2−1は、カーボン材料にラジカル重合の開始点を形成し、該開始点を利用して式(16)で表される化合物、式(17)で表される化合物および4−クロロメチルスチレンをモノマーに用いた、原子移動ラジカル重合または安定フリーラジカル重合を行うことで、ポリマー系列Bの主鎖の形成・1点によるカーボン材料への連結・二段目の連結反応に用いる連結部位の導入を同時に行い、二段目の連結反応により複数の連結点を介してカーボン材料に連結させる方法である。ここで、カーボン材料に形成されるラジカル重合の開始点、およびカーボン材料との連結基としては前記に示した化合物を利用することが好ましい。
(Method B2-1)
Method B2-1 forms a starting point of radical polymerization in the carbon material, and using the starting point, the compound represented by formula (16), the compound represented by formula (17), and 4-chloromethylstyrene Performs atom transfer radical polymerization or stable free radical polymerization using as a monomer to form the main chain of the polymer series B, to connect to a carbon material at one point, and to introduce a connecting site used for the second-stage connecting reaction Is performed at the same time, and is connected to the carbon material through a plurality of connection points by a second-stage connection reaction. Here, it is preferable to use the compound shown above as the starting point of radical polymerization formed in the carbon material and the linking group with the carbon material.

(方法B2−2)
方法B2−2は、式(16)で表される化合物、式(17)で表される化合物および4−クロロメチルスチレンなどを共重合してポリマー主鎖形成および複数の連結部位の導入を行い、ポリマー系列Bを複数の連結点を介してカーボン材料に連結する方法である。
(Method B2-2)
Method B2-2 copolymerizes the compound represented by formula (16), the compound represented by formula (17) and 4-chloromethylstyrene to form a polymer main chain and introduce a plurality of linking sites. The polymer series B is connected to the carbon material through a plurality of connection points.

ポリマー系列B中のカーボン材料との連結部位、および連結部位のポリマー系列Bへの導入法
ポリマー系列B中のカーボン材料との連結部位、および該連結部位のポリマー系列Bへの導入法としては、大別して以下の通りである。
(1)ハロゲノベンジル部位
ハロゲノベンジル部位はカーボン材料中の水酸基と求核置換により反応し、カーボン材料と連結する。また、ハロゲノベンジル部位は、ハロゲン化銅(I)の2、2’−ビピリジン錯体など、原子移動ラジカル重合に用いる触媒(例えば、Chem. Rev. 2001,101,2921−2990に記載の触媒)存在下で炭素ラジカルを発生するため、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。ハロゲノベンジル部位の導入法としては、例えば4−クロロメチルスチレンを共重合する方法が挙げられる。
(2)スルホニルハライド部位
スルホニルハライド部位は、ハロゲン化銅(I)の2、2’−ビピリジン錯体など、原子移動ラジカル重合に用いる触媒(例えば、Chem. Rev. 2001,101,2921−2990に記載の触媒)存在下でラジカルを発生するため、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。
スルホニルハライド部位の導入法については、例えば、p−スチレンスルホン酸を共重合し、塩化チオニルにより処理する方法が挙げられる。
(3)2、2、6、6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル誘導体部位
2、2、6、6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル誘導体のような、安定フリーラジカル重合に用いる開始剤を導入すれば、加熱により炭素ラジカルが発生し、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。上記誘導体の好ましい例は、上述の「安定フリーラジカル重合の開始点」の好ましい例と同義である。
上記誘導体部位の導入法については、例えば4−クロロメチルスチレンを共重合し、求核置換反応によって上記誘導体を導入することができる。
(4)ジアゾニウム塩部位
カーボン材料存在下、アニリン誘導体よりジアゾニウム塩を形成すると、ジアゾニウム塩の分解により生じたラジカルがカーボン材料にトラップされることでカーボン材料と連結する。ジアゾニウム塩の導入法としては、例えば、4−クロロメチルスチレンを共重合し、求核置換反応によってアニリン誘導体を導入後、亜硝酸ナトリウムと反応させる方法が挙げられる。
(5)過酸エステル部位
過酸エステルを加熱すると、脱炭酸反応と共に炭素ラジカルが生成し、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。過酸エステルの導入法としては、例えば、4−ビニル安息香酸を共重合し、塩化チオニルにより酸塩化物を形成後、tert−ブチルハイドロパーオキシドなどの過酸化物と反応させる方法が挙げられる。
(6)アゾ化合物誘導体部位
アゾ化合物も加熱により分解して炭素ラジカルを生成し、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。アゾ化合物の導入法としては、例えば、4−クロロメチルスチレンを共重合し、4、4’−アゾビス(4−シアノペンタノール)などのアゾ化合物誘導体と反応させる方法が挙げられる。
(7)ヒドロキシル基含有部位
ヒドロキシル基含有部位は、酸性条件下、四価のセリウムイオンと反応して炭素ラジカル、または酸素ラジカルを生成し、ラジカルトラッピング反応によりカーボン材料と連結する。ヒドロキシル基含有部位の導入法としては、ポリマー系列Aの主鎖をヒドロキシメチル化する方法が挙げられる。
The connecting part with the carbon material in the polymer series B, and the method of introducing the connecting part into the polymer series B. The connecting part with the carbon material in the polymer series B and the introducing method of the connecting part into the polymer series B include: Broadly divided as follows.
(1) Halogenobenzyl moiety The halogenobenzyl moiety reacts with a hydroxyl group in the carbon material by nucleophilic substitution and is linked to the carbon material. Further, the halogenobenzyl moiety is present in a catalyst used for atom transfer radical polymerization such as a 2,2′-bipyridine complex of copper (I) halide (for example, a catalyst described in Chem. Rev. 2001, 101, 2921-2990). In order to generate carbon radicals underneath, it is linked to the carbon material by a radical trapping reaction. Examples of the method for introducing the halogenobenzyl moiety include a method of copolymerizing 4-chloromethylstyrene.
(2) Sulfonyl halide moiety The sulfonyl halide moiety is a catalyst used for atom transfer radical polymerization such as 2,2′-bipyridine complex of copper (I) halide (for example, described in Chem. Rev. 2001, 101, 2921-2990). In order to generate radicals in the presence of a catalyst, it is linked to a carbon material by a radical trapping reaction.
Examples of the method for introducing a sulfonyl halide moiety include a method in which p-styrenesulfonic acid is copolymerized and treated with thionyl chloride.
(3) 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl derivative moiety Introduced an initiator for stable free radical polymerization such as 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl derivative Then, carbon radicals are generated by heating and are linked to the carbon material by radical trapping reaction. Preferred examples of the derivative are the same as the preferred examples of the “starting point of stable free radical polymerization” described above.
As for the method of introducing the derivative site, for example, 4-chloromethylstyrene can be copolymerized and the derivative can be introduced by a nucleophilic substitution reaction.
(4) Diazonium salt site When a diazonium salt is formed from an aniline derivative in the presence of a carbon material, radicals generated by the decomposition of the diazonium salt are trapped in the carbon material and linked to the carbon material. Examples of the method for introducing a diazonium salt include a method in which 4-chloromethylstyrene is copolymerized, an aniline derivative is introduced by a nucleophilic substitution reaction, and then reacted with sodium nitrite.
(5) Peracid ester site When the peracid ester is heated, a carbon radical is generated together with a decarboxylation reaction, and is linked to a carbon material by a radical trapping reaction. Examples of the method for introducing the peracid ester include a method in which 4-vinylbenzoic acid is copolymerized, an acid chloride is formed with thionyl chloride, and then reacted with a peroxide such as tert-butyl hydroperoxide.
(6) Azo compound derivative site An azo compound is also decomposed by heating to generate a carbon radical, and is linked to a carbon material by a radical trapping reaction. Examples of the method for introducing the azo compound include a method in which 4-chloromethylstyrene is copolymerized and reacted with an azo compound derivative such as 4,4′-azobis (4-cyanopentanol).
(7) Hydroxyl group-containing site The hydroxyl group-containing site reacts with tetravalent cerium ions under acidic conditions to generate carbon radicals or oxygen radicals, and is linked to the carbon material by radical trapping reaction. Examples of the method for introducing a hydroxyl group-containing site include a method in which the main chain of the polymer series A is hydroxymethylated.

上記連結基を反応形式で分類すると、求核置換反応による連結部位が(1)ハロゲノベンジル部位、ラジカルトラッピングによる連結が(1)ハロゲノベンジル部位、(2)スルホニルハライド部位、(3)2、2、6、6−テトラメチルピペリジニルオキシアルキル誘導体部位、(4)ジアゾニウム塩部位、(5)過酸エステル部位、(6)アゾ化合物誘導体部位、(7)ヒドロキシル基含有部位であり、これらはいずれも好ましく用いることができる。また、(1)〜(7)の部位はいずれも容易にラジカルを生成することができ、以後(1)〜(7)の部位をラジカル発生基ということがある。(1)〜(7)の部位の導入量としては、式(6)で表される繰り返し単位20つに対し1つ以上導入されることが好ましく、式(6)で表される繰り返し単位10つに対し1つ以上導入されることがさらに好ましく、式(2)で表される繰り返し単位5つに対し1つ以上導入されることが特に好ましい。   When the above linking groups are classified by reaction type, the linking site by nucleophilic substitution reaction is (1) a halogenobenzyl moiety, the linkage by radical trapping is (1) a halogenobenzyl moiety, (2) a sulfonyl halide moiety, (3) 2, 2 , 6,6-tetramethylpiperidinyloxyalkyl derivative site, (4) diazonium salt site, (5) peracid ester site, (6) azo compound derivative site, (7) hydroxyl group-containing site, Either can be preferably used. In addition, any of the sites (1) to (7) can easily generate radicals, and the sites (1) to (7) may be referred to as radical generating groups hereinafter. As the amount of introduction of the sites of (1) to (7), it is preferable to introduce at least one repeating unit represented by the formula (6), and the repeating unit represented by the formula (6) 10 It is more preferable to introduce one or more per one, and it is particularly preferable to introduce one or more to five repeating units represented by the formula (2).

(7)触媒粒子の担持方法
本発明の燃料電池用触媒材料は、白金粒子等の触媒金属(電極触媒)の担体として好ましく用いられる。触媒金属を担持する方法としては、熱還元法、スパッタ法、パルスレーザーデポジション法、真空蒸着法などが挙げられる(例えば、国際公開WO2002/054514号パンフレットなど)。
(7) Method for supporting catalyst particles The catalyst material for a fuel cell of the present invention is preferably used as a carrier for a catalyst metal (electrode catalyst) such as platinum particles. Examples of the method for supporting the catalytic metal include a thermal reduction method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a vacuum deposition method, and the like (for example, International Publication No. WO2002 / 0545414).

本発明において、燃料電池用触媒材料の作製方法としては、カーボン材料にイオン官能基を導入後、触媒金属を担持する方法と、カーボン材料に触媒金属を担持した後にイオン官能基を導入する方法があるが、いずれの方法も好ましく用いられる。また、市販の触媒担持カーボン材料(例えば、白金担持ケッチェンブラック、田中貴金属工業(株)製、または、白金担持XC−72、E−TEK社製など)にイオン官能基を導入することによっても得られる。   In the present invention, as a method for producing a catalyst material for a fuel cell, there are a method of supporting a catalytic metal after introducing an ionic functional group into the carbon material, and a method of introducing an ionic functional group after supporting the catalytic metal on the carbon material. However, either method is preferably used. Alternatively, by introducing an ionic functional group into a commercially available catalyst-supported carbon material (for example, platinum-supported ketjen black, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., or platinum-supported XC-72, manufactured by E-TEK). can get.

燃料電池用触媒材料に触媒金属を担持後にイオン官能基を導入する場合、または市販の触媒担持カーボン材料にイオン官能基を導入する場合には、反応を無酸素条件下で行う方法、反応を難燃性溶媒中で行う方法、または反応系中に難燃剤を添加する方法が安全上好ましい。反応を無酸素条件下で行う方法としては、反応を不活性ガス雰囲気下で行う方法が挙げられ、不活性ガスとしてはヘリウム、アルゴン、ネオン、窒素などが挙げられ、アルゴン、窒素が特に好ましい。   When an ionic functional group is introduced after a catalytic metal is supported on a catalyst material for fuel cells, or when an ionic functional group is introduced into a commercially available catalyst-supporting carbon material, a method of performing the reaction under an oxygen-free condition or the reaction is difficult. A method of performing in a flammable solvent or a method of adding a flame retardant to the reaction system is preferable for safety. Examples of the method for carrying out the reaction under an oxygen-free condition include a method for carrying out the reaction in an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include helium, argon, neon, nitrogen, and the like, and argon and nitrogen are particularly preferable.

不燃性溶媒としては、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、1,1,1−トリクロロエタン、1,1,2−トリクロロエタン、1,1,1,2−テトラクロロエタン、1,1,2,2−テトラクロロエタン、水などが挙げられる。これらは、反応試薬の溶解性・反応の温度・溶媒の沸点などを考慮して適宜選択して用いられる。また、これらの溶媒は単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。   Nonflammable solvents include dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, 1,1,1-trichloroethane, 1,1,2-trichloroethane, 1,1,1,2-tetrachloroethane, 1,1,2,2-tetra. Examples include chloroethane and water. These are appropriately selected and used in consideration of the solubility of the reaction reagent, the reaction temperature, the boiling point of the solvent, and the like. In addition, these solvents may be used alone or in combination.

難燃剤としては、ヘキサメチルホスホルアミド、トリメチルホスフェート、トリエチルホスフェート、トリクレジルホスフェート、トリキシレニルホスフェート、クレジルジフェニルホスフェート、ビスフェノールAビス(ジフェニル)ホスフェート、ヒドロキノールビス(ジフェニル)ホスフェート、フェニルジキシレニルホスフェート、キシレニルジフェニルホスフェート、レゾルシノールビス(ジフェニル)ホスフェート、2−エチルヘキシルジフェニルホスフェートなどのリン酸エステル系の難燃剤が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。これらの難燃剤を添加する割合は反応溶媒に対して5%以上であることが好ましく10%以上であることがさらに好ましく、15%以上であることが特に好ましい。また、上記難燃剤の中で液体のものについては反応溶媒として使用してもよい。  Flame retardants include hexamethylphosphoramide, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tricresyl phosphate, trixylenyl phosphate, cresyl diphenyl phosphate, bisphenol A bis (diphenyl) phosphate, hydroquinol bis (diphenyl) phosphate, phenyl dialkyl. Examples include phosphoric acid ester-based flame retardants such as silenyl phosphate, xylenyl diphenyl phosphate, resorcinol bis (diphenyl) phosphate, and 2-ethylhexyl diphenyl phosphate. These may be used alone or in combination. The proportion of these flame retardants added is preferably 5% or more, more preferably 10% or more, and particularly preferably 15% or more with respect to the reaction solvent. Moreover, you may use as a reaction solvent about the liquid thing in the said flame retardant.

また、本発明の燃料電池用触媒材料は、ポリマー(X)を複数の連結点を介してカーボン材料の表面に導入した触媒材料(以後このような触媒材料を触媒材料Aと記載する)のみで構成されていても良いし、上記触媒材料Aと、表面にポリマー(X)を有していない触媒材料(以後このような触媒材料を触媒材料Bと記載する)の混合物を用いてもよい。触媒材料Aと触媒材料Bの混合物を利用すると、触媒材料Bの犠牲的腐食によって触媒材料Aの腐食を抑制し、耐久性により優れたものが得られる。触媒材料Aと触媒材料Bの混合物を利用する場合、触媒材料Aの含有量は、50〜95重量%が好ましく、70〜95重量%がさらに好ましく、80〜95重量%が特に好ましい。   Further, the fuel cell catalyst material of the present invention is only a catalyst material in which the polymer (X) is introduced to the surface of the carbon material through a plurality of connection points (hereinafter, such a catalyst material is referred to as catalyst material A). Alternatively, a mixture of the catalyst material A and a catalyst material having no polymer (X) on the surface (hereinafter, such a catalyst material will be referred to as catalyst material B) may be used. When the mixture of the catalyst material A and the catalyst material B is used, the catalyst material A is prevented from being corroded by sacrificial corrosion of the catalyst material B, and a material superior in durability can be obtained. When the mixture of the catalyst material A and the catalyst material B is used, the content of the catalyst material A is preferably 50 to 95% by weight, more preferably 70 to 95% by weight, and particularly preferably 80 to 95% by weight.

(8)燃料電池
本発明の燃料電池用触媒材料は、燃料電池用電極、電極膜接合体(Membrane and Electrode Assembly)(以下「MEA」という)および、該電極膜接合体を用いた燃料電池に用いることができる。
図1は本発明の電極膜接合体の断面概略図の一例を示したものである。MEA10は、固体電解質膜11と、それを挟んで対向するアノード電極12及カソード電極13を備える。ここでいう固体電解質膜11はナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、側鎖にリン酸基を有するポリ(メタ)アクリレート、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリベンズイミダゾール等の耐熱芳香族高分子、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリオキセタン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンスルフィド、スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化ポリフェニレンの膜が挙げられ、具体的には、特開2002−110174号公報、特開2002−105200号公報、特開2004−10677号公報、特開2003−132908号公報、特開2004−179154号公報、特開2004−175997号公報、特開2004−247182号公報、特開2003−147074号公報、特開2004−234931号公報、特開2002−289222号公報、特開2003−208816号公報に記載の膜が挙げられる。これらの中でも、ナフィオン112、ナフィオン1135、ナフィオン115、ナフィオン117、特開2002−110174号公報に記載の膜および、前記式(2)で表される繰り返し単位を主鎖構造として含み、かつ、前記主鎖が有する芳香環には、前記式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造が結合しているポリマーよりなる膜が特に好ましい。
(8) Fuel cell The fuel cell catalyst material of the present invention is applied to a fuel cell electrode, an electrode membrane assembly (hereinafter referred to as “MEA”), and a fuel cell using the electrode membrane assembly. Can be used.
FIG. 1 shows an example of a schematic cross-sectional view of the electrode membrane assembly of the present invention. The MEA 10 includes a solid electrolyte membrane 11 and an anode electrode 12 and a cathode electrode 13 that are opposed to each other with the solid electrolyte membrane 11 interposed therebetween. The solid electrolyte membrane 11 referred to here is a perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by Nafion (registered trademark), poly (meth) acrylate having a phosphate group in the side chain, sulfonated polyether ether ketone, sulfonated polyether ketone, Heat-resistant aromatic polymers such as sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, and sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polystyrene, sulfonated polyoxetane, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene oxide, and sulfonated polyphenylene. Specific examples include membranes, and specifically, JP-A No. 2002-110174, JP-A No. 2002-105200, JP-A No. 2004-10777, JP-A No. 2003-132908, and JP-A No. 200. JP-A-179154, JP-A-2004-175997, JP-A-2004-247182, JP-A-2003-147074, JP-A-2004-234931, JP-A-2002-289222, JP-A-2003-208816. And the membrane described in the publication No .. Among these, the membrane described in Nafion 112, Nafion 1135, Nafion 115, Nafion 117, JP-A-2002-110174, and the repeating unit represented by the formula (2) are included as a main chain structure, and The aromatic ring of the main chain is particularly preferably a film made of a polymer in which at least one partial structure selected from the above formulas (3) to (5) is bonded.

アノード電極12とカソード電極13は、多孔質導電シート(例えば、カーボンペーパー)12a、13aと触媒層12b、13bからなる。触媒層12b、13bは、本発明の触媒膜を用いることができる。ここで、本発明の触媒膜は、例えば、白金粒子等の触媒金属を担持した本発明の燃料電池用触媒材料を、固体電解質に分散させた分散物からなる。   The anode electrode 12 and the cathode electrode 13 are composed of porous conductive sheets (for example, carbon paper) 12a and 13a and catalyst layers 12b and 13b. As the catalyst layers 12b and 13b, the catalyst film of the present invention can be used. Here, the catalyst membrane of the present invention is made of, for example, a dispersion in which the fuel cell catalyst material of the present invention carrying a catalyst metal such as platinum particles is dispersed in a solid electrolyte.

電極の作製方法について説明する。ナフィオンに代表される固体電解質を溶媒に溶解し、触媒金属を担持した本発明の燃料電池用触媒材料と混合した分散液を分散する。分散液の溶媒はヘテロ環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、N−メチルピロリドン等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等)、多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)、塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)、アミド類(N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、アセタミド等)、水等が好ましく用いられ、この中でもヘテロ環化合物、アルコール類、多価アルコール類、アミド類が好ましく用いられる。   A method for manufacturing the electrode will be described. A solid electrolyte typified by Nafion is dissolved in a solvent, and a dispersion mixed with the catalyst material for a fuel cell of the present invention carrying a catalyst metal is dispersed. Solvents of the dispersion are heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, N-methylpyrrolidone, etc.), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl) Ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether, etc.), alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, polypropylene glycol monoalkyl ether, etc.), many Polyhydric alcohols (ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, poly Pyrene glycol, glycerin, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.), chlorinated solvents (methylene chloride, ethylene chloride, etc.), Amides (N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, acetamide and the like), water and the like are preferably used, and among these, heterocyclic compounds, alcohols, polyhydric alcohols and amides are preferably used.

分散方法は、攪拌による方法でも良いが、超音波分散、ボールミル等を用いることもできる。得られた分散液はカーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法等の塗布法を用いて塗布することができる。   The dispersion method may be a method using stirring, but ultrasonic dispersion, ball mill, or the like can also be used. The resulting dispersion is applied using a coating method such as curtain coating, extrusion coating, roll coating, spin coating, dip coating, bar coating, spray coating, slide coating, or print coating. be able to.

分散液の塗布について説明する。塗布工程においては、上記分散液を用いて、押出成型によって製膜してもよいし、これらの分散液をキャストまたは塗布して製膜してもよい。この場合の支持体は特に限定されないが、好ましい例としては、ガラス基板、金属基板、高分子フィルム、反射板等を挙げることができる。高分子フィルムとしては、トリアセチルセルロース(TAC)等のセルロース系高分子フィルム、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のエステル系高分子フィルム、ポリトリフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系高分子フィルム、ポリイミドフィルム等が挙げられる。塗布方式は公知の方法でよく、例えば、カーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法等を用いることができる。特に、支持体として導電性多孔質体(カーボンペーパー、カーボンクロス)を用いると直接触媒電極が作製できる。   Application of the dispersion will be described. In the coating step, the dispersion may be used to form a film by extrusion molding, or these dispersions may be cast or applied to form a film. The support in this case is not particularly limited, but preferred examples include a glass substrate, a metal substrate, a polymer film, a reflector and the like. Examples of polymer films include cellulose polymer films such as triacetylcellulose (TAC), ester polymer films such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN), and fluorine such as polytrifluoroethylene (PTFE). Examples thereof include a polymer film and a polyimide film. The coating method may be a known method, for example, using curtain coating method, extrusion coating method, roll coating method, spin coating method, dip coating method, bar coating method, spray coating method, slide coating method, print coating method, etc. Can do. In particular, when a conductive porous body (carbon paper, carbon cloth) is used as a support, a catalyst electrode can be directly produced.

これらの操作はカレンダーロール、キャストロール等のロールまたはTダイを用いたフィルム成形機で行なうこともでき、プレス機器を用いたプレス成形とすることもできる。さらに延伸工程を追加し、膜厚制御、膜特性改良を行ってもよい。  These operations can be performed by a film forming machine using a roll such as a calendar roll or a cast roll or a T die, or can be a press forming using a press machine. Further, a stretching process may be added to control film thickness and improve film characteristics.

塗布工程の乾燥温度は乾燥速度に関連し、材料の性質に応じて選択することができる。好ましくは−20℃〜150℃であり、より好ましくは20℃〜120℃であり、さらに好ましくは50℃〜100℃である。乾燥時間は短時間であるほうが生産性の観点から好ましいが、あまり短時間であると気泡、表面の凹凸等の欠陥の原因となる。このため、乾燥時間は1分〜48時間が好ましく、5分〜10時間がより好ましく、10分〜5時間がさらに好ましい。また湿度の制御も重要であり、25〜100%RHが好ましく、50〜95%RHがさらに好ましい。   The drying temperature of the coating process is related to the drying speed and can be selected according to the properties of the material. Preferably it is -20 degreeC-150 degreeC, More preferably, it is 20 degreeC-120 degreeC, More preferably, it is 50 degreeC-100 degreeC. A short drying time is preferable from the viewpoint of productivity. However, if the drying time is too short, defects such as bubbles and surface irregularities are caused. For this reason, the drying time is preferably 1 minute to 48 hours, more preferably 5 minutes to 10 hours, and further preferably 10 minutes to 5 hours. Control of humidity is also important, and is preferably 25 to 100% RH, more preferably 50 to 95% RH.

塗布工程における塗布液(分散液)中には金属イオンの含量が少ない物が好ましく、特に遷移金属イオン、中でも鉄イオン、ニッケルイオン、コバルトイオンは少ない物が好ましい。遷移金属イオンの含量は500ppm以下が好ましく、100ppm以下がより好ましい。従って、前述の工程で使用する溶媒も、これらのイオンの含量の低い物が好ましい。   A coating liquid (dispersion) in the coating step preferably has a low content of metal ions, and particularly preferably has a low transition metal ion content, especially iron ions, nickel ions, and cobalt ions. The content of transition metal ions is preferably 500 ppm or less, and more preferably 100 ppm or less. Therefore, the solvent used in the above-mentioned process is also preferably a solvent having a low content of these ions.

さらに塗布工程を経た後に表面処理を行なってもよい。表面処理としては、粗面処理、表面切削処理、除去処理、コーティング処理を行なってもよく、これらは固体電解質膜あるいは多孔質導電体との密着を改良できることがある。   Further, the surface treatment may be performed after the coating process. As the surface treatment, rough surface treatment, surface cutting treatment, removal treatment, and coating treatment may be performed, which may improve the adhesion with the solid electrolyte membrane or the porous conductor.

本発明の電極膜接合体が有する触媒層の厚さは5〜200μmが好ましく、10〜100μmが特に好ましい。   The thickness of the catalyst layer of the electrode membrane assembly of the present invention is preferably 5 to 200 μm, particularly preferably 10 to 100 μm.

触媒層12b、13bを固体電解質膜11に密着させるために、多孔質導電シート12a、13aに触媒層12b、13bを塗布(塗設)したものを、固体電解質膜11にホットプレス法(好ましくは120〜130℃、2〜100 kg/cm2)で圧着するか、適当な支持体に触媒層12b、13bを塗設したものを、固体電解質膜11に転写しながら圧着した後、多孔質導電シート12a、13aで挟み込む方法を一般が好ましく用いられる。 In order to bring the catalyst layers 12b and 13b into close contact with the solid electrolyte membrane 11, the porous conductive sheets 12a and 13a coated (coated) with the catalyst layers 12b and 13b are applied to the solid electrolyte membrane 11 with a hot press method (preferably Pressure bonding at 120 to 130 ° C. and 2 to 100 kg / cm 2 ), or after applying the catalyst layers 12b and 13b coated on a suitable support to the solid electrolyte membrane 11 while being transferred, In general, a method of sandwiching between the sheets 12a and 13a is preferably used.

図2は燃料電池構造の一例を示す。燃料電池はMEA10と、MEA10を挟持する一対のセパレータ21、22と、セパレータ21、22に取り付けられたステンレスネットからなる集電体17およびパッキン14とを有する。アノード極側のセパレータ21にはアノード極側開口部15が設けられ、カソード極側のセパレータ22にはカソード極側開口16設けられている。アノード極側開口部15からは、水素、アルコール類(メタノール等)等のガス燃料またはアルコール水溶液等の液体燃料が供給され、カソード極側開口部16からは、酸素ガス、空気等の酸化剤ガスが供給される。   FIG. 2 shows an example of a fuel cell structure. The fuel cell includes an MEA 10, a pair of separators 21 and 22 that sandwich the MEA 10, and a current collector 17 and a packing 14 made of a stainless steel net attached to the separators 21 and 22. An anode pole side opening 15 is provided in the anode pole side separator 21, and a cathode pole side opening 16 is provided in the cathode pole side separator 22. Gas fuel such as hydrogen and alcohols (such as methanol) or liquid fuel such as an alcohol aqueous solution is supplied from the anode electrode side opening 15, and oxidant gas such as oxygen gas and air is supplied from the cathode electrode side opening 16. Is supplied.

アノード電極およびカソード電極には、本発明の燃料電池用触媒材料が用いられる。通常用いられる活性金属の粒子サイズは、好ましくは、2〜10nmの範囲であり、粒子サイズを小さくすることにより、単位質量当りの表面積を大きくでき、活性がより高まり有利であり、また、ある程度大きくすることにより、凝集して分散しにくくなるのをより効果的に抑止できる。   The fuel cell catalyst material of the present invention is used for the anode electrode and the cathode electrode. The particle size of the normally used active metal is preferably in the range of 2 to 10 nm. By reducing the particle size, the surface area per unit mass can be increased, and the activity is advantageously increased. By doing so, it is possible to more effectively suppress aggregation and difficulty in dispersion.

水素−酸素系燃料電池における活性分極はアノード極(水素極)に比べ、カソード極(空気極)が大きい。これは、アノード極に比べ、カソード極の反応(酸素の還元)が遅いためである。酸素極の活性向上を目的として、Pt−Cr、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Cu、Pt−Feなどのさまざまな白金基二元金属を好ましく用いることができる。アノード燃料にメタノール水溶液を用いる直接メタノール燃料電池においては、メタノールの酸化過程で生じるCOによる触媒被毒を抑制することが重要である。この目的のために、Pt−Ru、Pt−Fe、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Moなどの白金基二元金属、Pt−Ru−Mo、Pt−Ru−W、Pt−Ru−Co、Pt−Ru−Fe、Pt−Ru−Ni、Pt−Ru−Cu、Pt−Ru−Sn、Pt−Ru−Auなどの白金基三元金属を好ましく用いることができる。   The active polarization in the hydrogen-oxygen fuel cell is larger in the cathode electrode (air electrode) than in the anode electrode (hydrogen electrode). This is because the cathode electrode reaction (oxygen reduction) is slower than the anode electrode. For the purpose of improving the activity of the oxygen electrode, various platinum-based binary metals such as Pt—Cr, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Cu, and Pt—Fe can be preferably used. In a direct methanol fuel cell using an aqueous methanol solution as an anode fuel, it is important to suppress catalyst poisoning due to CO that occurs during the oxidation process of methanol. For this purpose, platinum-based binary metals such as Pt—Ru, Pt—Fe, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Mo, Pt—Ru—Mo, Pt—Ru—W, Pt—Ru—Co Platinum group ternary metals such as Pt—Ru—Fe, Pt—Ru—Ni, Pt—Ru—Cu, Pt—Ru—Sn, Pt—Ru—Au can be preferably used.

活性金属を担持させるカーボン材料としては、本発明の燃料電池用触媒材料が好ましく用いられる。   As the carbon material for supporting the active metal, the fuel cell catalyst material of the present invention is preferably used.

触媒層の機能は、(1)燃料を活性金属に輸送すること、(2)燃料の酸化(アノード極)、還元(カソード極)反応の場を提供すること、(3)酸化還元により生じた電子を集電体に伝達すること、(4)反応により生じたプロトンを固体電解質に輸送すること、である。(1)のために触媒層は、液体および気体燃料が奥まで透過できる多孔質性であることが必要である。(2)は上記で述べた活性金属触媒が、(3)は同じく本発明の燃料電池用触媒材料が担う。(4)の機能は本発明の燃料電池用触媒材料が担うが、充分な機能を果たすためには、触媒層に固体電解質を混在させることが好ましい。   The function of the catalyst layer was caused by (1) transporting the fuel to the active metal, (2) providing a field for the oxidation (anode electrode) and reduction (cathode electrode) reaction of the fuel, and (3) redox. (4) transporting protons generated by the reaction to the solid electrolyte. For (1), the catalyst layer needs to be porous so that liquid and gaseous fuel can permeate deeply. (2) is responsible for the active metal catalyst described above, and (3) is also responsible for the fuel cell catalyst material of the present invention. The function (4) is performed by the fuel cell catalyst material of the present invention, but in order to perform a sufficient function, it is preferable to mix a solid electrolyte in the catalyst layer.

触媒層の固体電解質としては、プロトン供与基を持った固体であれば制限はないが、ナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、側鎖にリン酸基を有するポリ(メタ)アクリレート、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリベンズイミダゾール等の耐熱芳香族高分子、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリオキセタン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンスルフィド、スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化ポリフェニレンなどが挙げられ、具体的には、特開2002−110174号公報、特開2002−105200号公報、特開2004−10677号公報、特開2003−132908号公報、特開2004−179154号公報、特開2004−175997号公報、特開2004−247182号公報、特開2003−147074号公報、特開2004−234931号公報、特開2002−289222号公報、特開2003−208816号公報に記載のポリマーが挙げられる。これらの中でも、ナフィオン、特開2002−110174号公報に記載のポリマーおよび、前記式(2)で表される繰り返し単位を主鎖構造として含み、かつ、前記主鎖が有する芳香環には、前記式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造が結合しているポリマーが特に好ましい。固体電解質膜11と同種の材料を用いると、固体電解質膜11と触媒層との電気化学的密着性が高まりより有利である。   The solid electrolyte of the catalyst layer is not limited as long as it is a solid having a proton donating group, but is a perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by Nafion (registered trademark), and a poly (meth) having a phosphate group in the side chain. Heat-resistant aromatic polymers such as acrylate, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyetherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polystyrene, sulfonated polyoxetane, sulfonated polyimide Sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyphenylene, and the like. Specific examples include JP-A No. 2002-110174, JP-A No. 2002-105200, JP-A No. 2004-10777. JP-A 2003-132908, JP-A 2004-179154, JP-A 2004-175997, JP-A 2004-247182, JP-A 2003-147074, JP-A 2004-234931, Examples thereof include the polymers described in JP-A No. 2002-289222 and JP-A No. 2003-208816. Among these, Nafion, the polymer described in JP-A-2002-110174, and the repeating unit represented by the formula (2) as a main chain structure, and the aromatic ring of the main chain include A polymer in which at least one partial structure selected from the formulas (3) to (5) is bonded is particularly preferable. Use of the same type of material as the solid electrolyte membrane 11 is more advantageous because the electrochemical adhesion between the solid electrolyte membrane 11 and the catalyst layer is increased.

活性金属の使用量は、0.03〜10mg/cm2の範囲が電池出力と経済性の観点から適している。活性金属を担持する燃料電池用触媒材料の量は、活性金属の質量に対して、1〜10倍が適している。触媒層の固体電解質の量は、本発明の燃料電池用触媒材料の質量に対して、0.1〜0.7倍が好ましく、0.3〜3倍がより好ましい。 The amount of active metal used is suitably in the range of 0.03 to 10 mg / cm 2 from the viewpoint of battery output and economy. The amount of the catalyst material for the fuel cell supporting the active metal is suitably 1 to 10 times the mass of the active metal. 0.1-0.7 times is preferable with respect to the mass of the catalyst material for fuel cells of this invention, and, as for the quantity of the solid electrolyte of a catalyst layer, 0.3-3 times is more preferable.

電極基材、透過層、あるいは裏打ち材とも呼ばれ、集電機能および水がたまりガスの透過が悪化するのを防ぐ役割を担う。通常は、カーボンペーパーやカーボン布を使用し、撥水化のためにPTFE処理を施したものを使用することもできる。   It is also called an electrode base material, a permeable layer, or a backing material, and plays a role of collecting current and preventing water from accumulating and deteriorating gas permeation. Usually, carbon paper or carbon cloth is used, and PTFE treatment for water repellency can also be used.

MEAの作製には、次の4つの方法が好ましい。
(1)触媒層塗布法:本発明の燃料電池用触媒材料、触媒層用の固体電解質および溶媒を含む触媒層塗布液(インク)を固体電解質膜11の両側に直接塗布し、多孔質導電シートを(熱)圧着して5層構成のMEAを作製する。
(2)多孔質導電シート塗布法:触媒層塗布液を多孔質導電シート表面に塗布し、触媒層を形成させた後、固体電解質膜11と圧着し、5層構成のMEAを作製する。
(3)Decal法:触媒層塗布液をPTFE上に塗布し、触媒層を形成させた後、固体電解質膜11に触媒層のみを転写させ3層のMEAを形成させ、多孔質導電シートを圧着し、5層構成のMEAを作製する。
(4)触媒後担持法:白金未担持の本発明の燃料電池用触媒材料を触媒層用の固体電解質とともに混合した触媒層塗布液を固体電解質膜11、多孔質導電シートまたはPTFE上に塗布・製膜した後、白金イオンを当該固体電解質膜に含浸させ、白金粒子を膜中で還元析出させて触媒層を形成させる。触媒層を形成させた後は、上記(1)〜(3)の方法にてMEAを作製する。
The following four methods are preferable for the production of MEA.
(1) Catalyst layer coating method: a catalyst material for fuel cell of the present invention, a catalyst layer coating liquid (ink) containing a solid electrolyte for a catalyst layer and a solvent is directly applied to both sides of the solid electrolyte membrane 11, and a porous conductive sheet (Thermal) is bonded to produce a 5-layer MEA.
(2) Porous conductive sheet coating method: After a catalyst layer coating solution is applied to the surface of the porous conductive sheet to form a catalyst layer, it is pressure-bonded to the solid electrolyte membrane 11 to produce a MEA having a five-layer structure.
(3) Decal method: After a catalyst layer coating solution is applied onto PTFE to form a catalyst layer, only the catalyst layer is transferred to the solid electrolyte membrane 11 to form a three-layer MEA, and the porous conductive sheet is pressure-bonded. Then, an MEA having a five-layer structure is manufactured.
(4) Post-catalyst loading method: A catalyst layer coating solution obtained by mixing the catalyst material for fuel cells of the present invention not loaded with platinum together with a solid electrolyte for the catalyst layer is applied onto the solid electrolyte membrane 11, the porous conductive sheet or PTFE. After film formation, the solid electrolyte membrane is impregnated with platinum ions, and platinum particles are reduced and precipitated in the membrane to form a catalyst layer. After forming the catalyst layer, the MEA is produced by the above methods (1) to (3).

本発明の燃料電池用触媒材料を用いる燃料電池の燃料として用いることのできるのは、アノード燃料としては、水素、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールなど)、エーテル類(ジメチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタンなど)、ギ酸、水素化ホウ素錯体、アスコルビン酸などが挙げられ、水素、メタノールが特に好ましい。カソード燃料としては、酸素(大気中の酸素も含む)、過酸化水素などが挙げられる。   The anode fuel that can be used as fuel for the fuel cell using the fuel cell catalyst material of the present invention is hydrogen, alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol, etc.), ethers (dimethyl ether, dimethoxymethane). , Trimethoxymethane, etc.), formic acid, borohydride complexes, ascorbic acid and the like, and hydrogen and methanol are particularly preferred. Examples of the cathode fuel include oxygen (including oxygen in the atmosphere) and hydrogen peroxide.

上記アノード燃料およびカソード燃料を、それぞれの触媒層に供給する方法には、(1)ポンプ等の補機を用いて強制循環させる方法(アクティブ型)と、(2)補機を用いない方法(例えば、液体の場合には毛管現象や自然落下により、気体の場合には大気に触媒層を晒し供給するパッシブ型)の2通りがあり、これらを組み合わせることも可能である。高出力が得られるアクティブ型が好ましい。   The methods for supplying the anode fuel and the cathode fuel to the respective catalyst layers include (1) a method of forced circulation using an auxiliary device such as a pump (active type), and (2) a method not using an auxiliary device ( For example, in the case of a liquid, there are two types, ie, a passive type in which a catalyst layer is exposed to the atmosphere and supplied to the atmosphere in the case of a gas due to capillary action or natural fall, and these can be combined. An active type capable of obtaining a high output is preferable.

燃料電池の単セル電圧は一般的に1V以下であるので、負荷の必要電圧に合わせて、単セルを直列スタッキングして用いる。スタッキングの方法としては、単セルを平面上に並べる「平面スタッキング」および、単セルを、両側に燃料流路の形成されたセパレータを介して積み重ねる「バイポーラースタッキング」が用いられる。後者は、熱効率が高く、電池がコンパクトになるため燃料電池に適している。この他にも、MEMS技術を応用し、シリコンウェハー上に微細加工を施し、スタッキングする方法も提案されている。   Since the single cell voltage of the fuel cell is generally 1 V or less, the single cells are used by stacking in series according to the required voltage of the load. As the stacking method, “planar stacking” in which single cells are arranged on a plane and “bipolar stacking” in which single cells are stacked via separators having fuel flow paths formed on both sides thereof are used. The latter is suitable for a fuel cell because of its high thermal efficiency and a compact battery. In addition to this, a method of applying MEMS technology, performing fine processing on a silicon wafer, and stacking has been proposed.

燃料電池は、運輸用、家庭用、携帯機器用など様々な利用が考えられているが、例えば、好ましく適用できる運輸用途としては、自動車(乗用車、貨物車、二輪車、個人用ビーグル)、船舶、家庭用としてはコジェネシステム、掃除機、ロボット、携帯機器としては携帯電話、ノートパソコン、電子スチルカメラ、PDA、ビデオカメラ、携帯ゲーム機、などが挙げられる。さらに、ポータブル発電機、野外照明機器などにも用いることができる。また、産業用や家庭用などのロボットあるいはその他の玩具の電源としても好ましく用いることができる。さらには、これらの機器に搭載された2次電池、キャパシタの充電用電源としても有用である。   The fuel cell is considered for various uses such as transportation, home use, and portable equipment. For example, preferable transportation applications include automobiles (passenger cars, freight cars, motorcycles, personal beagles), ships, For home use, cogeneration systems, vacuum cleaners, robots, and portable devices include mobile phones, notebook computers, electronic still cameras, PDAs, video cameras, and portable game machines. Furthermore, it can be used for portable generators, outdoor lighting devices, and the like. It can also be preferably used as a power source for industrial or household robots or other toys. Furthermore, it is also useful as a power source for charging secondary batteries and capacitors mounted on these devices.

以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the specific examples shown below.

実施例1 燃料電池用触媒材料の作製(1)
[カーボン材料 M−1の作製]
(カーボン材料の改質)
カーボン材料として、カーボンブラック(商品名:カーボンECP、ケッチェン・ブラックインターナショナル社製)を用い、以下のスキーム1に従って反応を行った。(下記スキーム1中、CBはカーボンブラックの一部を示しており、1つのカーボンブラックの表面の任意2点を特記している。以下、CBについて同じ。)
Example 1 Production of catalyst material for fuel cell (1)
[Production of carbon material M-1]
(Modification of carbon material)
Carbon black (trade name: Carbon ECP, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) was used as the carbon material, and the reaction was performed according to the following scheme 1. (In the scheme 1 below, CB indicates a part of carbon black, and two arbitrary points on the surface of one carbon black are noted. The same applies to CB.)

Figure 2007242554
所定量の上記カーボンブラック、N,N−ジメチルホルムアミド、ジブロモペンタン、炭酸カリウムを加え、窒素気流下で攪拌しながら110℃で24時間反応した。反応後、生成物を水、次いでアセトンで洗浄し、減圧乾燥して、ブロモペンチル基を導入したカーボン材料c−1を得た。
Figure 2007242554
A predetermined amount of the carbon black, N, N-dimethylformamide, dibromopentane, and potassium carbonate were added, and the reaction was performed at 110 ° C. for 24 hours with stirring under a nitrogen stream. After the reaction, the product was washed with water and then with acetone and dried under reduced pressure to obtain a carbon material c-1 having a bromopentyl group introduced.

(イオン官能基含有ポリマーの合成)
公知の方法に従い、所定量の炭酸カリウム、N−メチル−2−ピロリドン、トルエンに、ビスフェノールAと3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン二ナトリウム塩とを20:19の割合で加え、窒素気流下200℃の油浴中で8時間攪拌した。反応後、反応液を大過剰のアセトニトリル中に注ぐと沈殿が得られた。上澄みを除去して沈殿をアセトニトリルで洗浄後、減圧乾燥し、ポリマー末端にフェノール基を有するスルホ基含有ポリマーp−1を得た。
(Synthesis of ionic functional group-containing polymer)
According to a known method, a predetermined amount of potassium carbonate, N-methyl-2-pyrrolidone, toluene and bisphenol A and 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt in a ratio of 20:19 And stirred for 8 hours in an oil bath at 200 ° C. under a nitrogen stream. After the reaction, the reaction solution was poured into a large excess of acetonitrile to obtain a precipitate. The supernatant was removed, and the precipitate was washed with acetonitrile and then dried under reduced pressure to obtain a sulfo group-containing polymer p-1 having a phenol group at the polymer terminal.

(カーボン材料へのイオン官能基含有ポリマーの導入)
スキーム(2)に従って反応した。すなわち、所定量のカーボン材料c−1、スルホ基含有ポリマーp−1、N,N−ジメチルアセトアミド、炭酸カリウムを加え、窒素気流下110℃で36時間攪拌した。反応後、生成物を水で洗浄し、減圧乾燥して、(B−9)で表される連結基を介してスルホ基含有ポリマーを導入したカーボン材料c−2を得た。
(Introduction of ionic functional group-containing polymers into carbon materials)
Reacted according to scheme (2). That is, a predetermined amount of the carbon material c-1, sulfo group-containing polymer p-1, N, N-dimethylacetamide and potassium carbonate were added, and the mixture was stirred at 110 ° C. for 36 hours under a nitrogen stream. After the reaction, the product was washed with water and dried under reduced pressure to obtain a carbon material c-2 into which a sulfo group-containing polymer was introduced via the linking group represented by (B-9).

Figure 2007242554
Figure 2007242554

(ポリマーの多点連結形成)
スキーム(3)に従って行った。すなわち、所定量の前記カーボン材料c−2に塩化チオニルを加え、窒素気流下で24時間還流した。反応後、減圧して塩化チオニルを除去したのち、所定量のN−メチル−2−ピロリドン、塩化銅(I)、2,2'−ビピリジンを加え、窒素気流下、150℃の油浴中で15時間反応した。反応後、系中に水を加え、100℃の油浴でさらに2時間攪拌したのち、生成物を濾別した。得られた固体を水、次いでアセトニトリルで洗浄し、減圧乾燥した。次に、得られた固体を、ヘキサアミン白金(IV)塩化物水溶液に室温で1時間浸漬し、洗浄・乾燥後、水素気流中180℃にて還元してカーボン材料に白金を担持した。以上により、スルホ基含有ポリマーが(B−9)で表される連結基、および(B−70)で表される連結基で連結された触媒担持カーボン材料(燃料電池用触媒材料)M−1を得た。なお、M−1とc−2のESRスペクトルを測定したところ、M−1の方がスペクトル面積が大きいことから、ラジカルトラッピング反応が進行し、(B−70)で表される連結基による連結が進行したことが確認された。
(Polymer multi-point connection formation)
Performed according to Scheme (3). That is, thionyl chloride was added to a predetermined amount of the carbon material c-2 and refluxed for 24 hours under a nitrogen stream. After the reaction, the pressure is reduced to remove thionyl chloride, and then a predetermined amount of N-methyl-2-pyrrolidone, copper (I) chloride and 2,2′-bipyridine are added, and in an oil bath at 150 ° C. under a nitrogen stream. Reacted for 15 hours. After the reaction, water was added to the system, and the mixture was further stirred for 2 hours in an oil bath at 100 ° C., and then the product was separated by filtration. The obtained solid was washed with water and then acetonitrile and dried under reduced pressure. Next, the obtained solid was immersed in an aqueous hexaamine platinum (IV) chloride solution at room temperature for 1 hour, washed and dried, then reduced at 180 ° C. in a hydrogen stream, and platinum was supported on the carbon material. By the above, the catalyst-supporting carbon material (fuel cell catalyst material) M-1 in which the sulfo group-containing polymer is linked by the linking group represented by (B-9) and the linking group represented by (B-70). Got. In addition, when the ESR spectrum of M-1 and c-2 was measured, since the spectrum area of M-1 is larger, the radical trapping reaction proceeds and the linking group represented by (B-70) is linked. Was confirmed to have progressed.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

尚、スキーム(3)中、M−1のグラフト鎖は、グラフト鎖の繰り返し単位1つごとに1つのカーボンとの連結点を有するかのように記述されているが、実際には(B−70)で表される連結基による連結はグラフト鎖中のどの位置にどの程度存在するか特定することはできなかった。但し、ESR測定により、少なくとも1つ以上の(B−70)で表される連結基による連結点が存在することは確認された。  In scheme (3), the graft chain of M-1 is described as if it has one carbon attachment point for each repeating unit of the graft chain. It was not possible to specify how much and where in the graft chain the linkage by the linking group represented by 70) was present. However, it was confirmed by ESR measurement that at least one linking point represented by (B-70) was present.

[カーボン材料 M−2の作製]
スキーム(4)に従って行った。すなわち、所定量のカーボン材料c−2、塩化スズ、クロロメチルメチルエーテル、1,1,2,2−テトラクロロエタンを加え、窒素気流下110℃で24時間攪拌した。反応後、生成物を濾別し、得られた粉体をクロロホルム、アセトニトリルで洗浄し、減圧乾燥した。得られた粉体に、塩化銅(I)、2,2'−ビピリジン、N−メチル−2−ピロリドンを加え、窒素気流下で160℃の油浴中で10時間攪拌した。その後、反応系中にハイドロキノンを加えてさらに2時間攪拌した。反応後、生成物をN,N−ジメチルアセトアミド、アセトニトリル、水で洗浄し、次いで1規定の硫酸水溶液中に室温で30分浸漬した。その後、生成物を水で洗浄し、減圧乾燥した。次に、得られた固体を、ヘキサアミン白金(IV)塩化物水溶液に室温で1時間浸漬し、洗浄・乾燥後、水素気流中180℃にて還元してカーボン材料に白金を担持した。以上により、スルホ基含有ポリマーが(B−9)で表される連結基、および(B−43)で表される連結基で連結された触媒担持カーボン材料(燃料電池用触媒材料)M−2を得た。
なお、M−2とc−2のESRスペクトルを測定したところ、M−2の方がスペクトル面積が大きいことから、ラジカルトラッピング反応が進行し、(B−43)で表される連結基による連結が進行したことが確認された。
[Production of carbon material M-2]
Performed according to Scheme (4). That is, a predetermined amount of carbon material c-2, tin chloride, chloromethyl methyl ether, and 1,1,2,2-tetrachloroethane were added and stirred at 110 ° C. for 24 hours under a nitrogen stream. After the reaction, the product was filtered off, and the resulting powder was washed with chloroform and acetonitrile and dried under reduced pressure. To the obtained powder, copper (I) chloride, 2,2′-bipyridine and N-methyl-2-pyrrolidone were added and stirred in a 160 ° C. oil bath for 10 hours under a nitrogen stream. Thereafter, hydroquinone was added to the reaction system and further stirred for 2 hours. After the reaction, the product was washed with N, N-dimethylacetamide, acetonitrile and water, and then immersed in 1N aqueous sulfuric acid solution at room temperature for 30 minutes. Thereafter, the product was washed with water and dried under reduced pressure. Next, the obtained solid was immersed in an aqueous hexaamine platinum (IV) chloride solution at room temperature for 1 hour, washed and dried, then reduced at 180 ° C. in a hydrogen stream, and platinum was supported on the carbon material. As described above, the sulfo group-containing polymer is a linking group represented by (B-9) and a catalyst-supported carbon material (fuel cell catalyst material) M-2 linked by a linking group represented by (B-43). Got.
In addition, when the ESR spectrum of M-2 and c-2 was measured, since the spectrum area of M-2 was larger, the radical trapping reaction proceeded and the linking group represented by (B-43) was linked. Was confirmed to have progressed.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

尚、スキーム(4)中、M−2のグラフト鎖は、グラフト鎖の繰り返し単位1つごとに1つのカーボンとの連結点を有するかのように記述されているが、実際には(B−43)で表される連結基による連結はグラフト鎖中のどの位置にどの程度存在するか特定することはできなかった。但し、ESR測定により、少なくとも1つ以上の(B−43)で表される連結基による連結点が存在することは確認された。  In the scheme (4), the graft chain of M-2 is described as if it has one carbon linking point for each repeating unit of the graft chain. 43) It was not possible to specify how much and at what position in the graft chain the linkage by the linking group was present. However, it was confirmed by ESR measurement that at least one or more linking points represented by (B-43) are present.

[カーボン材料 M−3の作製]
(グラフトポリマーの合成)
公知の方法に従い、所定量の炭酸カリウム、N−メチル−2−ピロリドン、トルエンに、ビスフェノールAと4,4'−ジクロロジフェニルスルホンとを20:19の割合で加え、窒素気流下200℃の油浴中で8時間攪拌した。反応後、反応液を大過剰のアセトニトリル中に注ぐと沈殿が得られた。上澄みを除去して沈殿を水で洗浄後、減圧乾燥し、ポリマー主鎖p−2を得た。
次に所定量のポリマーp−2を導入したカーボン材料、塩化スズ、クロロメチルメチルエーテル、1,1,2,2−テトラクロロエタンを加え、窒素気流下110℃で6時間攪拌した。反応後、生成物をクロロホルム、アセトニトリルで洗浄して側鎖にクロロメチル基を有するポリマーp−3を得た。
(グラフトポリマーのカーボン表面への導入およびスルホ基の導入)
触媒担持カーボン材料として、白金担持カーボンブラック(商品名:TEC10E50E、田中貴金属社製)(a)を用い、スキーム(5)に従って反応を行った。すなわち、所定量のカーボンブラック(a)、塩化銅(I)、2,2'−ビピリジン、ポリマーp−3、N−メチル−2−ピロリドンを加え、窒素気流下、150℃の湯浴中で6時間攪拌した。反応液を室温に戻したのち、反応液を濾別し、得られた粉体をアセトニトリルで洗浄してカーボン材料c−3を得た。
次にN,N−ジメチルホルムアミド中に3−ヒドロキシプロパンスルホン酸ナトリウム塩、水素化ナトリウムを加え、室温で30分攪拌後、カーボン材料c−3を添加して、80℃で12時間攪拌した。その後、反応液を濾別し、得られた粉体を水で洗浄し、次いで1規定の硫酸水溶液中に室温で30分浸漬した。その後、生成物を水で洗浄し、減圧乾燥して、スルホ基含有ポリマーが(B−43)で表される連結基で連結された触媒担持カーボン材料(燃料電池用触媒材料)M−3を得た。なお、M−3とカーボンブラック(a)のESRスペクトルを測定したところ、M−3の方がスペクトル面積が大きいことから、ラジカルトラッピング反応が進行し、(B−43)で表される連結基による連結が進行したことが確認された。
[Production of carbon material M-3]
(Synthesis of graft polymer)
According to a known method, bisphenol A and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone are added at a ratio of 20:19 to a predetermined amount of potassium carbonate, N-methyl-2-pyrrolidone, and toluene, and an oil at 200 ° C. under a nitrogen stream is added. Stir in the bath for 8 hours. After the reaction, the reaction solution was poured into a large excess of acetonitrile to obtain a precipitate. The supernatant was removed and the precipitate was washed with water and then dried under reduced pressure to obtain a polymer main chain p-2.
Next, a carbon material into which a predetermined amount of polymer p-2 was introduced, tin chloride, chloromethyl methyl ether, and 1,1,2,2-tetrachloroethane were added, and the mixture was stirred at 110 ° C. for 6 hours in a nitrogen stream. After the reaction, the product was washed with chloroform and acetonitrile to obtain a polymer p-3 having a chloromethyl group in the side chain.
(Introduction of graft polymer to carbon surface and introduction of sulfo group)
Reaction was performed according to scheme (5) using platinum-supported carbon black (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) (a) as the catalyst-supported carbon material. That is, a predetermined amount of carbon black (a), copper (I) chloride, 2,2′-bipyridine, polymer p-3, N-methyl-2-pyrrolidone was added, and a 150 ° C. hot water bath in a nitrogen stream. Stir for 6 hours. After returning the reaction solution to room temperature, the reaction solution was separated by filtration, and the obtained powder was washed with acetonitrile to obtain a carbon material c-3.
Next, 3-hydroxypropanesulfonic acid sodium salt and sodium hydride were added to N, N-dimethylformamide, and after stirring at room temperature for 30 minutes, carbon material c-3 was added and stirred at 80 ° C. for 12 hours. Thereafter, the reaction solution was separated by filtration, the obtained powder was washed with water, and then immersed in a 1 N aqueous sulfuric acid solution at room temperature for 30 minutes. Thereafter, the product is washed with water, dried under reduced pressure, and a catalyst-carrying carbon material (fuel cell catalyst material) M-3 in which the sulfo group-containing polymer is linked by a linking group represented by (B-43) is obtained. Obtained. In addition, when the ESR spectrum of M-3 and carbon black (a) was measured, since the spectrum area of M-3 is larger, the radical trapping reaction proceeds, and the linking group represented by (B-43) It was confirmed that the connection by

Figure 2007242554
Figure 2007242554

尚、スキーム(5)中、M−3のグラフト鎖は、グラフト鎖の繰り返し単位2つごとに2つのカーボンとの連結点を有するかのように記述されているが、実際には(B−43)で表される連結基による連結はグラフト鎖中のどの位置にどの程度存在するか特定することはできなかった。但し、ESR測定により、少なくとも2つ以上の(B−43)で表される連結基による連結点が存在することは確認された。  In the scheme (5), the graft chain of M-3 is described as if it has two carbon connection points for every two repeating units of the graft chain. It was not possible to specify how much and where in the graft chain the linkage by the linking group represented by 43) was present. However, it was confirmed by ESR measurement that at least two or more connecting points by the connecting group represented by (B-43) exist.

[カーボン材料 M−4の作製]
(グラフトポリマーの合成)
カーボン材料M−3の作製におけるグラフトポリマーの合成中、4,4'−ジクロロジフェニルスルホンを4,4'−ジフルオロベンゾフェノンに置き換えた他は同様にしてポリマーp−4を得た。
(グラフトポリマーのカーボン表面への導入およびスルホ基の導入)
カーボン材料M−3の作製における、グラフトポリマーのカーボン表面への導入およびスルホ基の導入中、ポリマーp−3をポリマーp−4に置き換えた他は同様にしてカーボン材料M−4を得た。なお、M−4とカーボンブラック(a)のESRスペクトルを測定したところ、M−4の方がスペクトル面積が大きいことから、ラジカルトラッピング反応が進行し、(B−43)で表される連結基による連結が進行したことが確認された。
[Production of carbon material M-4]
(Synthesis of graft polymer)
Polymer p-4 was obtained in the same manner except that 4,4′-dichlorodiphenylsulfone was replaced with 4,4′-difluorobenzophenone during the synthesis of the graft polymer in the production of carbon material M-3.
(Introduction of graft polymer to carbon surface and introduction of sulfo group)
The carbon material M-4 was obtained in the same manner except that the polymer p-3 was replaced with the polymer p-4 during the introduction of the graft polymer onto the carbon surface and the introduction of the sulfo group in the production of the carbon material M-3. In addition, when the ESR spectrum of M-4 and carbon black (a) was measured, since M-4 has a larger spectrum area, the radical trapping reaction proceeds, and the linking group represented by (B-43) It was confirmed that the connection by

Figure 2007242554
Figure 2007242554

M−4のグラフト鎖は、グラフト鎖の繰り返し単位2つごとに2つのカーボンとの連結点を有するかのように記述されているが、実際には(B−43)で表される連結基による連結はグラフト鎖中のどの位置にどの程度存在するか特定することはできなかった。但し、ESR測定により、少なくとも2つ以上の(B−43)で表される連結基による連結点が存在することは確認された。  The graft chain of M-4 is described as if it has two carbon linking points for every two repeating units of the graft chain, but the linking group represented by (B-43) is actually used. It was not possible to specify how much and where the ligation was due to in the graft chain. However, it was confirmed by ESR measurement that at least two or more connecting points by the connecting group represented by (B-43) exist.

[カーボン材料 M−5の作製]
(イオン官能基含有ポリマーの合成)
カーボン材料M−1の作製におけるイオン官能基含有ポリマーの合成中、ビスフェノールAを4,4'−ジヒドロキシビフェニルに置き換えた以外は同様にして、スルホ基含有ポリマーp−5を得た。
(カーボン材料へのイオン官能基含有ポリマーの導入)
前記カーボン材料M−1の作製中、p−1をp−5に置き換えた他は同様にしてイオン官能基含有ポリマーの導入されたカーボン材料c−4を得た。
(ポリマーの多点連結形成)
前記カーボン材料M−1の作製中、c−2をc−4に置き換えた他は同様にしてカーボン材料M−5を得た。なお、M−5とc−4のESRスペクトルを測定したところ、M−5の方がスペクトル面積が大きいことから、ラジカルトラッピング反応が進行し、(B−70)で表される連結基による連結が進行したことが確認された。
[Production of carbon material M-5]
(Synthesis of ionic functional group-containing polymer)
A sulfo group-containing polymer p-5 was obtained in the same manner except that bisphenol A was replaced with 4,4′-dihydroxybiphenyl during the synthesis of the ionic functional group-containing polymer in the production of the carbon material M-1.
(Introduction of ionic functional group-containing polymers into carbon materials)
A carbon material c-4 into which an ion functional group-containing polymer was introduced was obtained in the same manner except that p-1 was replaced with p-5 during the production of the carbon material M-1.
(Polymer multi-point connection formation)
A carbon material M-5 was obtained in the same manner except that c-2 was replaced with c-4 during the production of the carbon material M-1. In addition, when the ESR spectrum of M-5 and c-4 was measured, since the spectrum area of M-5 is larger, the radical trapping reaction proceeds and the linking group represented by (B-70) is linked. Was confirmed to have progressed.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

尚、M−5のグラフト鎖は、グラフト鎖の繰り返し単位1つごとに1つのカーボンとの連結点を有するかのように記述されているが、実際には(B−70)で表される連結基による連結はグラフト鎖中のどの位置にどの程度存在するか特定することはできなかった。但し、ESR測定により、少なくとも1つ以上の(B−70)で表される連結基による連結点が存在することは確認された。  In addition, although the graft chain of M-5 is described as if it has one connection point with carbon for each repeating unit of the graft chain, it is actually represented by (B-70). It was not possible to determine how much and where in the graft chain the linkage by the linking group was present. However, it was confirmed by ESR measurement that at least one linking point represented by (B-70) was present.

[カーボン材料 M−6の作製]
カーボン材料M−2を80重量%、市販の白金担持カーボンブラック(商品名:TEC10E50E、田中貴金属社製)を20重量%の割合で混合し、カーボン材料M−6を得た。
[Production of carbon material M-6]
Carbon material M-6 was obtained by mixing 80% by weight of carbon material M-2 and 20% by weight of commercially available platinum-supported carbon black (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.).

[カーボン材料 M−7の作製]
カーボン材料M−2を90重量%、市販の白金担持カーボンブラック(商品名:TEC10E50E、田中貴金属社製)を10重量%の割合で混合し、カーボン材料M−7を得た。
[Production of carbon material M-7]
90% by weight of carbon material M-2 and commercially available platinum-supported carbon black (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) were mixed at a ratio of 10% by weight to obtain carbon material M-7.

[カーボン材料 M−8の作製]
(イオン官能基含有ポリマーの合成)
所定量の過酸化ベンゾイル、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル、N−メチル−2−ピロリドンに、4−スルホプロピルオキシスチレンリチウム塩、4−クロロメチルスチレンを15:1の割合で加え、窒素気流下にて150℃の湯浴中で24時間攪拌した。室温に戻した後、反応液を大量のアセトニトリル中に注ぎ、得られた沈殿を濾別した。この沈殿をアセトニトリルで洗浄し、減圧乾燥することで、イオン官能基含有ポリマーp−6を得た。
[Production of carbon material M-8]
(Synthesis of ionic functional group-containing polymer)
A predetermined amount of benzoyl peroxide, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl, N-methyl-2-pyrrolidone, 4-sulfopropyloxystyrene lithium salt, 4-chloromethylstyrene 15: 1 And stirred for 24 hours in a 150 ° C. hot water bath under a nitrogen stream. After returning to room temperature, the reaction solution was poured into a large amount of acetonitrile, and the resulting precipitate was filtered off. This precipitate was washed with acetonitrile and dried under reduced pressure to obtain an ion functional group-containing polymer p-6.

(イオン官能基含有ポリマーのカーボン表面への導入)
カーボン材料として、カーボンブラック(商品名:カーボンECP、ケッチェン・ブラックインターナショナル社製)を用い、スキーム6に従って反応を行った。すなわち、所定量のカーボンブラック、ポリマーp−6、N−メチル−2−ピロリドンを加え、窒素気流下にて150℃の油浴中で6時間攪拌した。室温に戻した後、反応液を濾別し、得られた粉体をN,N−ジメチルアセトアミドで洗浄後、減圧乾燥することでカーボン材料c−5を得た。
次に所定量のカーボン材料c−5に、塩化銅(I)、2,2'−ビピリジン、N−メチル−2−ピロリドンを加え、窒素気流下にて150℃で8時間攪拌した。反応液を濾別し、得られた粉体をアセトニトリル、水で洗浄し、次いで1規定の硫酸水溶液中に室温で30分浸漬した。その後、生成物を水で洗浄し、減圧乾燥した。次に、得られた固体を、ヘキサアミン白金(IV)塩化物水溶液に室温で1時間浸漬し、洗浄・乾燥後、水素気流中180℃にて還元してカーボン材料に白金を担持した。以上により、スルホ基含有ポリマーが(B−69)で表される連結基、および(B−43)で表される連結基で連結された触媒担持カーボン材料(燃料電池用触媒材料)M−8を得た。なお、M−8とc−5のESRスペクトルを測定したところ、M−8の方がスペクトル面積が大きいことから、ラジカルトラッピング反応が進行し、(B−43)で表される連結基による連結が進行したことが確認された。
(Introduction of ion functional group-containing polymer onto carbon surface)
Reaction was performed according to Scheme 6 using carbon black (trade name: Carbon ECP, manufactured by Ketjen Black International) as the carbon material. That is, a predetermined amount of carbon black, polymer p-6, and N-methyl-2-pyrrolidone were added and stirred for 6 hours in an oil bath at 150 ° C. under a nitrogen stream. After returning to room temperature, the reaction solution was filtered off, and the resulting powder was washed with N, N-dimethylacetamide and then dried under reduced pressure to obtain carbon material c-5.
Next, copper (I) chloride, 2,2′-bipyridine, and N-methyl-2-pyrrolidone were added to a predetermined amount of the carbon material c-5, and the mixture was stirred at 150 ° C. for 8 hours under a nitrogen stream. The reaction solution was filtered off, and the resulting powder was washed with acetonitrile and water, and then immersed in a 1N aqueous sulfuric acid solution at room temperature for 30 minutes. Thereafter, the product was washed with water and dried under reduced pressure. Next, the obtained solid was immersed in an aqueous hexaamine platinum (IV) chloride solution at room temperature for 1 hour, washed and dried, then reduced at 180 ° C. in a hydrogen stream, and platinum was supported on the carbon material. As described above, the catalyst-supporting carbon material (fuel cell catalyst material) M-8 in which the sulfo group-containing polymer is linked by the linking group represented by (B-69) and the linking group represented by (B-43). Got. In addition, when the ESR spectrum of M-8 and c-5 was measured, since the spectrum area of M-8 is larger, the radical trapping reaction proceeds and the linking group represented by (B-43) is linked. Was confirmed to have progressed.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

尚、M−8のグラフト鎖は、ブロック共重合体であるかのように記述してあるが、実際にはランダム共重合体・ブロック共重合体・交互共重合体のいずれであるか特定していない。また、グラフト鎖の繰り返し単位1つごとに1つのカーボンとの連結点を有するかのように記述されているが、実際には(B−43)で表される連結基による連結はグラフト鎖中のどの位置にどの程度存在するか特定することはできない。但し、ESR測定により、少なくとも1つ以上の(B−43)で表される連結基による連結点が存在することは確認された。  Although the graft chain of M-8 is described as if it were a block copolymer, it was actually specified whether it was a random copolymer, block copolymer or alternating copolymer. Not. In addition, each graft chain repeating unit is described as if it has one carbon linking point. Actually, however, linking by the linking group represented by (B-43) is not present in the graft chain. It is not possible to specify how much and where it exists. However, it was confirmed by ESR measurement that at least one or more linking points represented by (B-43) are present.

比較例1 単一の連結点によりスルホ基含有ポリマーが連結されたカーボン材料
[カーボン材料 R−1の作製]
前記カーボン材料c−2を1規定の硫酸水溶液に室温で30分含侵後、水洗し、減圧乾燥した。次に、得られた固体を、ヘキサアミン白金(IV)塩化物水溶液に室温で1時間浸漬し、洗浄・乾燥後、水素気流中180℃にて還元してカーボン材料に白金を担持した。以上により、カーボン材料R−1を得た。
Comparative Example 1 Carbon material in which a sulfo group-containing polymer is connected by a single connection point
[Production of carbon material R-1]
The carbon material c-2 was impregnated in a 1N sulfuric acid aqueous solution at room temperature for 30 minutes, washed with water, and dried under reduced pressure. Next, the obtained solid was immersed in an aqueous hexaamine platinum (IV) chloride solution at room temperature for 1 hour, washed and dried, then reduced at 180 ° C. in a hydrogen stream, and platinum was supported on the carbon material. The carbon material R-1 was obtained by the above.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

実施例2 燃料電池の作製
[作製方法1]
前記実施例1の触媒担持カーボンを用い、燃料電池を作製した。各触媒担持カーボン材料2gと、バインダーとしてのナフィオン溶液(5%アルコール水溶液)15gを混合し、超音波分散器で30分間分散させた。得られた分散物をカーボンペーパー(厚さ350μm)上に塗設し、乾燥した後、直径9mmの円形に打ち抜き、触媒膜を作製した。
固体電解質膜としてはナフィオン117膜を用い、ナフィオン117膜の両面に上記で得られた触媒膜を塗布面がナフィオン117膜に接するように張り合わせ、ホットプレスにより熱圧着し、MEAを作製した。
Example 2 Fabrication of a fuel cell
[Production Method 1]
A fuel cell was prepared using the catalyst-supported carbon of Example 1. 2 g of each catalyst-supporting carbon material and 15 g of a Nafion solution (5% alcohol aqueous solution) as a binder were mixed and dispersed for 30 minutes with an ultrasonic disperser. The obtained dispersion was coated on carbon paper (thickness 350 μm), dried, and then punched out into a circle having a diameter of 9 mm to produce a catalyst film.
A Nafion 117 membrane was used as the solid electrolyte membrane, and the catalyst membrane obtained above was bonded to both sides of the Nafion 117 membrane so that the coated surface was in contact with the Nafion 117 membrane, and thermocompression bonded by hot pressing to prepare an MEA.

[作製方法2]
作製方法1において、固体電解質膜およびバインダーを、下記繰り返し単位より構成される高分子E−1より作製した他は同様にしてMEAを作製した。尚、高分子E−1は、バインダーとして用いる場合は、重量平均分子量は3〜10万のものを、固体電解質膜として用いる場合は、重量平均分子量は10〜30万のものを用いた。
[Production Method 2]
An MEA was produced in the same manner as in Production Method 1, except that the solid electrolyte membrane and the binder were produced from the polymer E-1 composed of the following repeating units. When the polymer E-1 was used as a binder, a polymer having a weight average molecular weight of 30,000 to 100,000 was used. When the polymer E-1 was used as a solid electrolyte membrane, a polymer having a weight average molecular weight of 100,000 to 300,000 was used.

高分子E−1 Polymer E-1

Figure 2007242554
Figure 2007242554

[作製方法3]
作製方法1において、固体電解質膜を高分子E−1、バインダーを下記繰り返し単位より構成される高分子E−2より作製した他は同様にしてMEAを作製した。ここで、高分子E−1の重量平均分子量は10〜30万のものを、高分子E−2の重量平均分子量は3〜10万のものを採用した。
[Production Method 3]
An MEA was produced in the same manner as in Production Method 1, except that the solid electrolyte membrane was produced from Polymer E-1, and the binder was produced from Polymer E-2 composed of the following repeating units. Here, the polymer E-1 has a weight average molecular weight of 100,000 to 300,000, and the polymer E-2 has a weight average molecular weight of 30,000 to 100,000.

高分子E−2 Polymer E-2

Figure 2007242554
Figure 2007242554

実施例3 燃料電池評価
実施例2で得られたMEAを図2に示す燃料電池にセットし、アノード側開口部15に水素ガスをフローした。この時カソード側開口部16は大気をフローした。アノード電極12とカソード電極13間に、ポテンシオスタットを接続し400mVにおける電流値を記録した。結果を表1に示した。
Example 3 Fuel Cell Evaluation The MEA obtained in Example 2 was set in the fuel cell shown in FIG. 2, and hydrogen gas was flowed into the anode side opening 15. At this time, the cathode side opening 16 flowed air. A potentiostat was connected between the anode electrode 12 and the cathode electrode 13, and the current value at 400 mV was recorded. The results are shown in Table 1.

Figure 2007242554
Figure 2007242554

本発明の燃料電池用触媒材料は、燃料電池起動時に想定される強酸・高温下の条件においても耐久性を有し、また、高電流密度領域においても高い出力を維持できることが認められた。特に本発明の燃料電池用触媒材料は、バインダーとしての固体電解質として、本発明のポリマー主鎖と同一の主鎖を有するものを採用することにより、より効果的であることが認められた。   It was confirmed that the fuel cell catalyst material of the present invention has durability even under the conditions of strong acid and high temperature assumed at the start of the fuel cell and can maintain a high output even in a high current density region. In particular, it was confirmed that the fuel cell catalyst material of the present invention is more effective by adopting a solid electrolyte as a binder having the same main chain as the polymer main chain of the present invention.

本発明の燃料電池用触媒材料は、細孔中へのガス透過性を維持しつつ、高いプロトン伝導性を有しており、高電流密度領域においても高い出力を維持できることが認められた。   It was confirmed that the fuel cell catalyst material of the present invention has high proton conductivity while maintaining gas permeability into the pores, and can maintain high output even in a high current density region.

本発明の高分子電解質を用いた触媒電極接合膜の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the catalyst electrode bonding film using the polymer electrolyte of this invention. 本発明の燃料電池の構造の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the structure of the fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・燃料電池電極膜複合体(MEA)
11・・・固体電解質膜
12・・・アノード電極
12a・・・アノード極多孔質導電シート
12b・・・アノード極触媒層
13・・・カソード電極
13a・・・カソード極多孔質導電シート
13b・・・カソード極触媒層
14・・・パッキン
15・・・アノード極側開口部
16・・・カソード極側開口部
17・・・集電体
21,22・・・セパレータ
10 ... Fuel cell electrode membrane composite (MEA)
11 ... Solid electrolyte membrane
12 ... Anode electrode
12a ... Anode porous conductive sheet
12b ... Anode electrode catalyst layer
13 ... Cathode electrode
13a ... Cathode porous conductive sheet
13b ... Cathode electrode catalyst layer
14 ... Packing
15 ... Anode pole side opening
16 ... Cathode pole side opening
17 ... current collector
21,22 ... Separator

Claims (17)

カーボン材料と、該カーボン材料の表面と少なくとも2点以上の点で、耐加溶媒分解性および耐熱性を有する連結基を介して連結している、イオン性官能基を有する耐加溶媒分解性および耐熱性ポリマー(X)とを含む、燃料電池用触媒材料。 Solvolysis resistance having an ionic functional group, which is connected to the carbon material via a linking group having solvolysis resistance and heat resistance at least at two or more points on the surface of the carbon material, and A fuel cell catalyst material comprising a heat-resistant polymer (X). 前記ポリマー(X)が、同一構造の連結基を介して、少なくとも2点以上の点で、前記カーボン材料の表面と連結している、請求項1に記載の燃料電池用触媒材料。 The catalyst material for a fuel cell according to claim 1, wherein the polymer (X) is connected to the surface of the carbon material at at least two points via a connecting group having the same structure. 前記ポリマー(X)が、異なる構造の連結基を介して、少なくとも2点以上の点で、前記カーボン材料の表面と連結している、請求項1に記載の燃料電池用触媒材料。 2. The catalyst material for a fuel cell according to claim 1, wherein the polymer (X) is connected to the surface of the carbon material at at least two points via connecting groups having different structures. 前記カーボン材料が電極触媒を含有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。 The fuel cell catalyst material according to claim 1, wherein the carbon material contains an electrode catalyst. 前記カーボン材料が、カーボンブラックまたはカーボンナノチューブである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。 The catalyst material for fuel cells according to any one of claims 1 to 4, wherein the carbon material is carbon black or carbon nanotubes. 前記連結基の少なくとも1種が下記式(1)で表される連結基である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。
式(1)
Figure 2007242554
(式(1)中、R1およびR2はそれぞれ2〜4価の連結基を表し、Ar1は芳香族炭化水素および/またはヘテロ環を含む2〜6価の連結基を表し、n1、n2およびn3はそれぞれ0以上の整数であり、n1とn2とn3との和は1以上の整数である。n4は1〜10の整数であり、n5は1〜3の整数である。Lcはカーボン材料側と連結する連結箇所を、Lpは前記ポリマー(X)側と連結する連結箇所を表す。)
The fuel cell catalyst material according to any one of claims 1 to 5, wherein at least one of the linking groups is a linking group represented by the following formula (1).
Formula (1)
Figure 2007242554
(In formula (1), R 1 and R 2 each represent a divalent to tetravalent linking group, Ar 1 represents a divalent to hexavalent linking group containing an aromatic hydrocarbon and / or a heterocycle, and n 1 , N 2 and n 3 are each an integer of 0 or more, and the sum of n 1 , n 2 and n 3 is an integer of 1 or more, n 4 is an integer of 1 to 10, and n 5 is 1 to (It is an integer of 3. Lc represents a connection point connected to the carbon material side, and Lp represents a connection point connected to the polymer (X) side.)
前記ポリマー(X)は、下記式(2)で表される繰り返し単位を主鎖構造として含み、かつ、前記主鎖が有する芳香環には、下記式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造が結合している、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。
Figure 2007242554
Figure 2007242554
(上記式(2)中、R3は芳香環を含む2価の基であり、X1は2価の連結基である。式(3)中、B1は単結合または2〜6価の連結基、A1はイオン性官能基を表し、n6は1〜5の整数を表す。式(4)中、B2は単結合または2〜6価の連結基を、Dは少なくとも1つのイオン性官能基を有するラジカル重合性モノマーの重合物を表す。式(5)においてE1は酸素透過性の高い置換基を表す。)
The polymer (X) includes a repeating unit represented by the following formula (2) as a main chain structure, and the aromatic ring of the main chain is at least selected from the following formulas (3) to (5) The fuel cell catalyst material according to any one of claims 1 to 6, wherein one partial structure is bonded.
Figure 2007242554
Figure 2007242554
(In the above formula (2), R 3 is a divalent group containing an aromatic ring, and X 1 is a divalent linking group. In formula (3), B 1 is a single bond or a 2-6 valent group. A linking group, A 1 represents an ionic functional group, n 6 represents an integer of 1 to 5. In formula (4), B 2 represents a single bond or a bivalent to hexavalent linking group, and D represents at least one This represents a polymer of a radically polymerizable monomer having an ionic functional group.In formula (5), E 1 represents a substituent having high oxygen permeability.
前記ポリマー(X)の主鎖部分が、ポリエーテルスルホン系化合物、ポリエーテルエーテルスルホン系化合物、ポリエーテルエーテルケトン系化合物、ポリフェニレンスルフィド系化合物、ポリフェニレンエーテル系化合物、ポリスルホン系化合物またはポリエーテルケトン系化合物である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。 The main chain portion of the polymer (X) is a polyether sulfone compound, a polyether ether sulfone compound, a polyether ether ketone compound, a polyphenylene sulfide compound, a polyphenylene ether compound, a polysulfone compound or a polyether ketone compound. The catalyst material for fuel cells according to any one of claims 1 to 7, wherein 前記ポリマー(X)の主鎖部分が、下記式(6)で表される繰り返し単位を含み、かつ、前記主鎖が有する芳香環に、下記式(7)で表される部分構造および/または下記式(8)で表される部分構造が結合している、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料。
Figure 2007242554
(式(6)中、W11、W12およびW13はそれぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基またはヘテロ環基を表す。式(7)中、B3は単結合または2〜6価の連結基を表し、A2はイオン性官能基を表し、n7は1〜5の整数である。式(8)中、E2は酸素透過性の高い置換基を表す。)
The main chain portion of the polymer (X) contains a repeating unit represented by the following formula (6), and the aromatic ring of the main chain has a partial structure represented by the following formula (7) and / or The fuel cell catalyst material according to any one of claims 1 to 6, wherein a partial structure represented by the following formula (8) is bonded.
Figure 2007242554
(In the formula (6), W 11 , W 12 and W 13 each represent a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group. In the formula (7), B 3 is a single bond or 2-6. Represents a valent linking group, A 2 represents an ionic functional group, and n 7 represents an integer of 1 to 5. In formula (8), E 2 represents a substituent having high oxygen permeability.
少なくとも2つ以上のラジカル発生基を有するポリマーからラジカルを発生させ、カーボン材料に前記ラジカルを捕捉させることにより、ポリマー−カーボン材料間を少なくとも2点以上で連結させることを含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料の製造方法。 The method includes generating a radical from a polymer having at least two radical generating groups and capturing the radical in a carbon material, thereby connecting the polymer and the carbon material at at least two points. The manufacturing method of the catalyst material for fuel cells of any one of these. 耐加溶媒分解性および耐熱性を有する連結基を有するポリマーを、該連結基を介してカーボン材料に連結させ、前記ポリマーに少なくとも1つ以上のラジカル発生基を導入してラジカルを発生させ、前記カーボン材料に前記ラジカルを捕捉させることにより、ポリマー−カーボン材料間を少なくとも2点以上で連結させることを含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料の製造方法。 A polymer having a linking group having solvolysis resistance and heat resistance is linked to a carbon material through the linking group, and at least one radical generating group is introduced into the polymer to generate a radical, The method for producing a catalyst material for a fuel cell according to any one of claims 1 to 9, comprising connecting the polymer and the carbon material at at least two points by capturing the radicals in the carbon material. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料と、固体電解質を含む触媒膜。 The catalyst film containing the catalyst material for fuel cells of any one of Claims 1-9, and a solid electrolyte. 第一の燃料電池用触媒材料と、第二の燃料電池用触媒材料と、固体電解質を含む触媒膜であって、前記第一の燃料電池用触媒材料は、請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒材料であり、前記第二の燃料電池用触媒材料は、カーボン表面に、イオン性官能基を有する耐加溶媒分解性および耐熱性ポリマーを有さない燃料電池用触媒材料である、触媒膜。 A catalyst film comprising a first fuel cell catalyst material, a second fuel cell catalyst material, and a solid electrolyte, wherein the first fuel cell catalyst material is any one of claims 1 to 9. The fuel cell catalyst material according to item 2, wherein the second fuel cell catalyst material has no solvolysis-resistant and heat-resistant polymer having an ionic functional group on the carbon surface. The catalyst membrane that is the material. 前記固体電解質が、下記式(2)で表される繰り返し単位を主鎖構造として含み、かつ、前記主鎖が有する芳香環には、下記式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造が結合しているポリマーを含む、請求項12または13に記載の触媒膜。
Figure 2007242554
Figure 2007242554
(上記式(2)中、R3は芳香環を含む2価の基であり、X1は2価の連結基である。式(3)中、B1は単結合または2〜6価の連結基、A1はイオン性官能基を表し、n6は1〜5の整数を表す。式(4)中、B2は単結合または2〜6価の連結基を、Dは少なくとも1つのイオン性官能基を有するラジカル重合性モノマーの重合物を表す。式(5)においてE1は酸素透過性の高い置換基を表す。)
The solid electrolyte includes a repeating unit represented by the following formula (2) as a main chain structure, and the aromatic ring included in the main chain includes at least one selected from the following formulas (3) to (5). The catalyst membrane of Claim 12 or 13 containing the polymer which the partial structure has couple | bonded.
Figure 2007242554
Figure 2007242554
(In the above formula (2), R 3 is a divalent group containing an aromatic ring, and X 1 is a divalent linking group. In formula (3), B 1 is a single bond or a 2-6 valent group. A linking group, A 1 represents an ionic functional group, n 6 represents an integer of 1 to 5. In formula (4), B 2 represents a single bond or a bivalent to hexavalent linking group, and D represents at least one This represents a polymer of a radically polymerizable monomer having an ionic functional group.In formula (5), E 1 represents a substituent having high oxygen permeability.
多孔質導電シートと、該多孔質導電シートに接して設けられた触媒膜と、該触媒膜に接して設けられた固体電解質膜とを有し、かつ、前記触媒膜が、請求項12〜14のいずれか1項に記載の触媒膜である、電極膜接合体。 It has a porous conductive sheet, a catalyst film provided in contact with the porous conductive sheet, and a solid electrolyte film provided in contact with the catalyst film, and the catalyst film comprises claims 12 to 14. An electrode membrane assembly, which is the catalyst membrane according to any one of the above. 前記固体電解質膜が、下記式(2)で表される繰り返し単位を主鎖構造として含み、かつ、前記主鎖が有する芳香環には、下記式(3)〜(5)より選ばれる少なくとも1つの部分構造が結合しているポリマーを含む、請求項15に記載の電極膜接合体。
Figure 2007242554
Figure 2007242554
(上記式(2)中、R3は芳香環を含む2価の基であり、X1は2価の連結基である。式(3)中、B1は単結合または2〜6価の連結基、A1はイオン性官能基を表し、n6は1〜5の整数を表す。式(4)中、B2は単結合または2〜6価の連結基を、Dは少なくとも1つのイオン性官能基を有するラジカル重合性モノマーの重合物を表す。式(5)においてE1は酸素透過性の高い置換基を表す。)
The solid electrolyte membrane includes a repeating unit represented by the following formula (2) as a main chain structure, and the aromatic ring included in the main chain is at least one selected from the following formulas (3) to (5). The electrode membrane assembly according to claim 15, comprising a polymer having two partial structures bonded thereto.
Figure 2007242554
Figure 2007242554
(In the above formula (2), R 3 is a divalent group containing an aromatic ring, and X 1 is a divalent linking group. In formula (3), B 1 is a single bond or a 2-6 valent group. A linking group, A 1 represents an ionic functional group, n 6 represents an integer of 1 to 5. In formula (4), B 2 represents a single bond or a bivalent to hexavalent linking group, and D represents at least one This represents a polymer of a radically polymerizable monomer having an ionic functional group.In formula (5), E 1 represents a substituent having high oxygen permeability.
請求項15または16に記載の電極膜接合体を有する、燃料電池。

A fuel cell comprising the electrode membrane assembly according to claim 15 or 16.

JP2006066419A 2006-03-10 2006-03-10 Catalyst material for fuel cell, production method thereof, catalyst membrane, electrode membrane assembly, and fuel cell Expired - Fee Related JP4939084B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006066419A JP4939084B2 (en) 2006-03-10 2006-03-10 Catalyst material for fuel cell, production method thereof, catalyst membrane, electrode membrane assembly, and fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006066419A JP4939084B2 (en) 2006-03-10 2006-03-10 Catalyst material for fuel cell, production method thereof, catalyst membrane, electrode membrane assembly, and fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007242554A true JP2007242554A (en) 2007-09-20
JP4939084B2 JP4939084B2 (en) 2012-05-23

Family

ID=38587872

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006066419A Expired - Fee Related JP4939084B2 (en) 2006-03-10 2006-03-10 Catalyst material for fuel cell, production method thereof, catalyst membrane, electrode membrane assembly, and fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4939084B2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010061977A (en) * 2008-09-03 2010-03-18 Toshiba Corp Fuel cell
US8135902B2 (en) 2008-12-24 2012-03-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile semiconductor memory drive, information processing apparatus and management method of storage area in nonvolatile semiconductor memory drive
JP2013157178A (en) * 2012-01-30 2013-08-15 Shunichi Uchiyama Method of manufacturing electrode material whose base substance is carbon and fuel battery using electrode material manufactured by the method
JP2017014318A (en) * 2015-06-26 2017-01-19 昭和電工株式会社 Manufacturing method of elastomer composition, elastomer composition, master batch and elastomer mixture
CN117819975A (en) * 2024-03-05 2024-04-05 西安理工大学 Carbon/carbon nitride superhigh temperature ceramic solid solution and preparation method thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1021943A (en) * 1996-06-28 1998-01-23 Sumitomo Chem Co Ltd Polymer electrolytic substance for fuel cell, and fuel cell
JPH1045913A (en) * 1996-04-18 1998-02-17 Sumitomo Chem Co Ltd High-molecular electrolyte, its production and fuel cell made by using the same
JP2000228204A (en) * 1999-02-05 2000-08-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd Electrode for fuel cell and its manufacture
JP2004022346A (en) * 2002-06-17 2004-01-22 Norio Tsubokawa Electrode catalyst for fuel cell, electrode for fuel cell and fuel cell using same
JP2004311060A (en) * 2003-04-02 2004-11-04 Toyota Motor Corp Electrode for fuel cell, its manufacturing method, and solid polymer fuel cell equipped with electrode
JP2006049244A (en) * 2004-08-09 2006-02-16 Canon Inc Polymer fuel cell and its manufacturing method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1045913A (en) * 1996-04-18 1998-02-17 Sumitomo Chem Co Ltd High-molecular electrolyte, its production and fuel cell made by using the same
JPH1021943A (en) * 1996-06-28 1998-01-23 Sumitomo Chem Co Ltd Polymer electrolytic substance for fuel cell, and fuel cell
JP2000228204A (en) * 1999-02-05 2000-08-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd Electrode for fuel cell and its manufacture
JP2004022346A (en) * 2002-06-17 2004-01-22 Norio Tsubokawa Electrode catalyst for fuel cell, electrode for fuel cell and fuel cell using same
JP2004311060A (en) * 2003-04-02 2004-11-04 Toyota Motor Corp Electrode for fuel cell, its manufacturing method, and solid polymer fuel cell equipped with electrode
JP2006049244A (en) * 2004-08-09 2006-02-16 Canon Inc Polymer fuel cell and its manufacturing method

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010061977A (en) * 2008-09-03 2010-03-18 Toshiba Corp Fuel cell
JP4444355B2 (en) * 2008-09-03 2010-03-31 株式会社東芝 Fuel cell
US7892701B2 (en) 2008-09-03 2011-02-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell
US8135902B2 (en) 2008-12-24 2012-03-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile semiconductor memory drive, information processing apparatus and management method of storage area in nonvolatile semiconductor memory drive
JP2013157178A (en) * 2012-01-30 2013-08-15 Shunichi Uchiyama Method of manufacturing electrode material whose base substance is carbon and fuel battery using electrode material manufactured by the method
JP2017014318A (en) * 2015-06-26 2017-01-19 昭和電工株式会社 Manufacturing method of elastomer composition, elastomer composition, master batch and elastomer mixture
CN117819975A (en) * 2024-03-05 2024-04-05 西安理工大学 Carbon/carbon nitride superhigh temperature ceramic solid solution and preparation method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP4939084B2 (en) 2012-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2007258111A (en) Catalyst material for fuel cell, catalyst membrane, membrane electrode assembly, and fuel cell
EP1788655B1 (en) Polymer membrane for fuel cell, method of preparing same, and membrane-electrode assemby for fuel cell comprising same
JP6464541B2 (en) Polymer electrolyte membrane
JP5713335B2 (en) POLYSULFONE POLYMER, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE CONTAINING THE SAME, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY CONTAINING THE SAME, FUEL CELL USING THE SAME, AND METHOD FOR PRODUCING THE POLYMER
EP1739780A1 (en) Solid electrolyte, membrane and electrode assembly, and fuel cell
JPWO2007007767A1 (en) Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, production method thereof and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
CN107004880B (en) Polymer electrolyte membrane
JP2007053082A (en) Catalyst material for fuel cell, catalyst film, electrode-membrane assembly, and fuel cell
JP2008027890A (en) Solid electrolyte, membrane electrode assembly, and fuel cell
JP4939084B2 (en) Catalyst material for fuel cell, production method thereof, catalyst membrane, electrode membrane assembly, and fuel cell
JP4999039B2 (en) Ion conductive binder
JP2007053086A (en) Catalyst material for fuel cell, catalyst film, electrode-membrane assembly, and fuel cell
JP2007220370A (en) Catalyst material, catalyst film for fuel cell, membrane electrode assembly, and fuel cell
JP2007294436A (en) Solid electrolyte, membrane electrode junction, and fuel cell
JP2006310159A (en) Solid electrolyte, electrode membrane assembly, fuel cell, and manufacturing method of solid electrolyte
JP2006031970A (en) Proton conductive polymer electrolyte membrane, polymer electrolyte membrane-electrode assembly, manufacturing method for them, and fuel cell using it
EP2036927B1 (en) Ionic polymer particle dispersion liquid and method for producing the same
JP2007287675A (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
JP2009021234A (en) Membrane/electrode conjugant, its manufacturing method, and solid high polymer fuel cell
JP2009021231A (en) Catalyst ink, catalyst ink producing method, membrane-electrode assembly producing method, membrane-electrode assembly produced by the method, and fuel cell
EP3228643B1 (en) Polymer and polymer electrolyte membrane comprising same
KR102629899B1 (en) Compound, polymer comprising monomer derived from same, polymer separation membrane using same, membrane electrode assembly, fuel cell and redox flow cell using same
JP2006310158A (en) Solid electrolyte, electrode membrane assembly, fuel cell, and manufacturing method of solid electrolyte
JP2002373674A (en) Electrode assembly for solid polymer fuel cell
KR102055965B1 (en) Compound, polymer electrolyte membrane comprising the same and method for preparing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080714

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110209

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110222

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110419

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20111220

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120206

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120221

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120224

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150302

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4939084

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees