JP2008258151A - Electrode catalyst for fuel cell - Google Patents

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Tatsuhiro Okada
達弘 岡田
Tadashi Matsunaga
忠史 松永
Nobuyoshi Koshino
伸能 古志野
Hideyuki Higashimura
秀之 東村
Masatoshi Iwata
真叔 岩田
Katsuhiro Suenobu
克浩 末信
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Sumitomo Chemical Co Ltd
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Sumitomo Chemical Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode catalyst for a fuel cell excellent in catalyst activity and stability. <P>SOLUTION: The electrode catalyst for a fuel cell uses a mononuclear metal complex with an organic compound comprising two or more phenol rings and three or more aromatic heterocycles as ligand. The organic ligand constituting the mononuclear metal complex comprises divalent organic radical comprising at least one aromatic heterocycle and monovalent organic radical comprising at least one aromatic heterocycle. The metal constituting the mononuclear metal complex comprises transition metal. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用電極触媒に関する。   The present invention relates to a fuel cell electrode catalyst.

金属錯体は、金属原子と有機配位子を規則的に集積化させることで、配列や空間、磁性を制御することが可能となり、ガス吸蔵体、プロトン伝導体、分子メモリなどの用途が期待されている(非特許文献1)。   Metal complexes can be regularly integrated with metal atoms and organic ligands to control the arrangement, space, and magnetism, and are expected to be used for gas storage, proton conductors, molecular memory, etc. (Non-Patent Document 1).

金属錯体の中でも、遷移金属原子を中心金属として有する場合、酸素還元触媒や、過酸化水素分解触媒として優れた触媒活性を有することが知られている(非特許文献2および非特許文献3参照)。
また、金属原子の近傍に酸塩基相互作用する置換基を配置させることにより、反応化学種が捕捉され、触媒活性が向上することが知られている(非特許文献4)。
しかし、上記のような従来の金属錯体を触媒として用いた場合、当該錯体の安定性が不十分であり、とりわけ酸の存在下で反応を行う場合や加熱下で反応を行う場合に問題があった。そのため金属錯体触媒の酸の存在下または高温下での安定性を向上させることが切望されていた。
Among metal complexes, when having a transition metal atom as a central metal, it is known to have excellent catalytic activity as an oxygen reduction catalyst or a hydrogen peroxide decomposition catalyst (see Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3). .
In addition, it is known that reactive chemical species are captured and catalytic activity is improved by disposing a substituent that interacts with an acid base in the vicinity of a metal atom (Non-patent Document 4).
However, when a conventional metal complex as described above is used as a catalyst, the stability of the complex is insufficient, and there is a problem particularly when the reaction is performed in the presence of an acid or when the reaction is performed under heating. It was. Therefore, it has been eagerly desired to improve the stability of the metal complex catalyst in the presence of an acid or at a high temperature.

非特許文献5には、コバルト単核金属錯体を熱処理により安定化させた燃料電池用電極触媒が開示されている。   Non-Patent Document 5 discloses a fuel cell electrode catalyst in which a cobalt mononuclear metal complex is stabilized by heat treatment.

しかし、非特許文献5に記載されているような金属錯体の触媒活性は、まだ不十分であり、更なる触媒活性の向上が望まれていた。
Susumu Kitagawa,Ryo Kitaura,Shin−ichiro Noro,Angewandte Chemie International Edition,43,2334(2004). Z.Liu,F.C.Anson,Inorganic Chemistry,40,1329(2001). M.D.Godbole他,Europian Journal of Inorganic Chemistry,305(2005). S.−Y.Liu,D.G.Nocara,Journal of American Chemical Society,127,5278(2005). Tatsuhiro Okada, et.al.Journal of Inorganic and Organometallic Polymers,9,199,(1999).
However, the catalytic activity of the metal complex as described in Non-Patent Document 5 is still insufficient, and further improvement of the catalytic activity has been desired.
Susumu Kitagawa, Ryo Kitaura, Shin-ichiro Noro, Angelwandte Chemie International Edition, 43, 2334 (2004). Z. Liu, F .; C. Anson, Inorganic Chemistry, 40, 1329 (2001). M.M. D. Godbole et al., European Journal of Inorganic Chemistry, 305 (2005). S. -Y. Liu, D .; G. Nocara, Journal of American Chemical Society, 127, 5278 (2005). Tatsuhiro Okada, et. al. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers, 9, 199, (1999).

本発明の目的は、触媒活性、安定性に優れた燃料電池用電極触媒を提供することである。   An object of the present invention is to provide a fuel cell electrode catalyst having excellent catalytic activity and stability.

本発明者らは、単核金属錯体の配位子に、複数のフェノール環と複数の芳香族複素環を導入することが触媒活性、安定性の向上に有効であることを見出し、これらの知見に基づいて、検対を重ね本発明を完成させるに至った。   The present inventors have found that introduction of a plurality of phenol rings and a plurality of aromatic heterocycles into a ligand of a mononuclear metal complex is effective in improving catalytic activity and stability, and these findings Based on the above, the present invention was completed by repeated testing.

本発明の課題は下記の(1)〜(7)に示す手段により達成される。
(1)フェノール環を2つ以上と芳香族複素環を3つ以上とを有する有機化合物を配位子とする単核金属錯体を用いてなる燃料電池用電極触媒。
(2)前記単核金属錯体が式(I)で表されることを特徴とする(1)に記載の燃料電池用電極触媒。
The object of the present invention is achieved by means shown in the following (1) to (7).
(1) A fuel cell electrode catalyst using a mononuclear metal complex having an organic compound having two or more phenol rings and three or more aromatic heterocycles as a ligand.
(2) The fuel cell electrode catalyst according to (1), wherein the mononuclear metal complex is represented by the formula (I).

Figure 2008258151
(式中、Rは、水素原子または置換基であり、隣合う2つのRは互いに連結していて
もよく、複数あるRは、互いに同一であっても異なっていてもよい。Qは、少なくと
も1つの芳香族複素環を有する2価の有機基であり、Tは、少なくとも1つの芳香族複素環を有する1価の有機基であり、2つのTは、互いに同一でも異なっていてもよい。Mは遷移金属原子を表す。Xは、金属錯体を電気的に中性とする対イオン又は中性分子であり、nは、錯体中にあるXの個数であり、0以上の整数を表し、Xが複数ある場合それらは互いに同一でも異なっていてもよい。)
(3)式(I)のTを構成する芳香族複素環の共役酸の酸解離定数pKaが−2.0以上であることを特徴とする(2)に記載の燃料電池用電極触媒。
(4)前記単核金属錯体が、該単核金属錯体に1つの酸素分子を吸着させ、該1つの酸素分子を構成する2つの酸素原子のMulliken電荷を密度汎関数法で計算したとき、該2つの酸素原子のMulliken電荷の差の絶対値が0.020〜0.062であることを特徴とする(1)〜(3)の何れかに記載の燃料電池用電極触媒。
(5)前記単核金属錯体が、該単核金属錯体に1つの酸素分子を吸着させ、該1つの酸素分子を構成する2つの酸素原子のMulliken電荷を密度汎関数法で計算したとき、該2つの酸素原子のMulliken電荷の和が−0.25以上であることを特徴とする(1)〜(4)の何れかに記載の燃料電池用電極触媒。
(6)(1)〜(5)の何れかに記載の単核金属錯体を250℃以上1500℃以下の温度にて加熱することにより得られる燃料電池用電極錯体。
(7)(1)〜(5)の何れかに記載の単核金属錯体と、カーボン担体及び/又は導電性高分子とを含む単核金属錯体混合物を用いてなる燃料電池用電極触媒。
(8)(1)〜(5)の何れかに記載の単核金属錯体と、カーボン担体及び/又は導電性高分子とを含む単核金属錯体混合物を250℃以上1500℃以下の温度にて加熱することにより得られる燃料電池用電極触媒。
Figure 2008258151
(In the formula, R 1 is a hydrogen atom or a substituent, and two adjacent R 1 s may be linked to each other, and a plurality of R 1 may be the same or different from each other. Q 1 is a divalent organic group having at least one aromatic heterocyclic ring, T 1 is a monovalent organic group having at least one aromatic heterocyclic ring, and two T 1 are the same as each other M represents a transition metal atom, X is a counter ion or neutral molecule that electrically neutralizes the metal complex, n is the number of X in the complex, and 0 Represents the above integer, and when there are a plurality of X, they may be the same or different from each other.
(3) The fuel cell electrode catalyst according to (2), wherein the acid dissociation constant pKa of the conjugate acid of the aromatic heterocyclic ring constituting T 1 of formula (I) is −2.0 or more.
(4) When the mononuclear metal complex adsorbs one oxygen molecule to the mononuclear metal complex, and the Mulliken charges of two oxygen atoms constituting the one oxygen molecule are calculated by a density functional method, 2. The fuel cell electrode catalyst according to any one of (1) to (3), wherein the absolute value of the difference between the Mulliken charges of two oxygen atoms is 0.020 to 0.062.
(5) When the mononuclear metal complex adsorbs one oxygen molecule to the mononuclear metal complex, and the Mulliken charges of two oxygen atoms constituting the one oxygen molecule are calculated by a density functional method, 2. The fuel cell electrode catalyst according to any one of (1) to (4), wherein the sum of Mulliken charges of two oxygen atoms is −0.25 or more.
(6) An electrode complex for a fuel cell obtained by heating the mononuclear metal complex according to any one of (1) to (5) at a temperature of 250 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower.
(7) A fuel cell electrode catalyst comprising a mononuclear metal complex mixture comprising the mononuclear metal complex according to any one of (1) to (5) and a carbon support and / or a conductive polymer.
(8) A mononuclear metal complex mixture containing the mononuclear metal complex according to any one of (1) to (5) and a carbon support and / or a conductive polymer at a temperature of 250 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. A fuel cell electrode catalyst obtained by heating.

本発明の単核金属錯体を用いることで、触媒活性(例えば、質量活性)、安定性に優れた燃料電池用電極触媒が提供される。   By using the mononuclear metal complex of the present invention, a fuel cell electrode catalyst excellent in catalytic activity (for example, mass activity) and stability is provided.

本発明に用いられる単核金属錯体は、フェノール環(即ち、フェノール類及び/又はその誘導体)を2つ以上と、芳香族複素環を3つ以上有する有機化合物とを配位子とする。   The mononuclear metal complex used in the present invention has a ligand composed of two or more phenol rings (that is, phenols and / or derivatives thereof) and an organic compound having three or more aromatic heterocycles.

フェノール環の数は好ましくは2〜4個、より好ましくは2〜3個である。また、遷移金属原子に配位している芳香族複素環以外にも、反応中間体を捕捉し得る、あるいは単核金属錯体どうしを集積化し得るような芳香族複素環を有していることが好ましいことから、芳香族複素環の数は、好ましくは3以上5以下である。   The number of phenol rings is preferably 2 to 4, more preferably 2 to 3. In addition to the aromatic heterocyclic ring coordinated to the transition metal atom, the aromatic heterocyclic ring must be capable of capturing a reaction intermediate or integrating mononuclear metal complexes. Since it is preferable, the number of aromatic heterocycles is preferably 3 or more and 5 or less.

次に、単核金属錯体としては、前記式(I)で表される金属錯体が好ましい。この金属錯体は、遷移金属原子Mが、少なくとも2つの酸素原子を有する配位子によって、錯体を形成しているものである。また、酸素原子と金属原子との結合は配位結合あるいはイオン結合である。ここで、「遷移金属」とは、「化学大辞典」(大木道則他編、平成17年7月1日発行、東京化学同人)1283頁に「遷移元素」として記載されているものと同義であり、不完全なdまたはf亜殻を有する元素を意味する。なお、本発明における遷移金属原子とは、無電荷であっても、荷電しているイオンであってもよい。   Next, the mononuclear metal complex is preferably a metal complex represented by the formula (I). In this metal complex, a transition metal atom M forms a complex with a ligand having at least two oxygen atoms. The bond between the oxygen atom and the metal atom is a coordination bond or an ionic bond. Here, “transition metal” is synonymous with “transition element” described on page 1283 of “Chemical Dictionary” (Michinori Oki et al., Issued July 1, 2005, Tokyo Chemical Doujin). Yes, means an element with an incomplete d or f subshell. The transition metal atom in the present invention may be an uncharged or charged ion.

ここで、遷移金属を、具体的に例示すると、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀が挙げられる。
これらの中で好ましくは、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、タンタル、タングステン、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀である。特に好ましくは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅であり、さらに好ましくは、鉄、コバルト、ニッケル、銅である。
Here, specific examples of the transition metal include scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, silver, cadmium. , Hafnium, tantalum, tungsten, rhenium, osmium, iridium, platinum, gold, mercury.
Among these, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, zirconium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, silver, cadmium, tantalum, tungsten, osmium, iridium, platinum, gold , Mercury. Particularly preferred are vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel and copper, and more preferred are iron, cobalt, nickel and copper.

前記一般式(I)中のRで表される置換基は、ヒドロキシ基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、ホルミル基、スルホニル基、ハロゲン原子、置換されていてもよい1価の炭化水素基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシ基(置換されていてもよい炭化水素オキシ基)、非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノ基(即ち、置換されていてもよい炭化水素二置換アミノ基)、置換されていてもよいヒドロカルビルメルカプト基(置換されていてもよい炭化水素メルカプト基)置換されていてもよいヒドロカルビルカルボニル基(置換されていてもよい炭化水素カルボニル基)、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシカルボニル基(置換されていてもよい炭化水素オキシカルボニル基)、非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノカルボニル基(即ち、置換されていてもよい炭化水素二置換アミノカルボニル基)、又は置換されていてもよいヒドロカルビルオキシスルホニル基(置換されていてもよい炭化水素スルホニル基)であり、置換されていてもよい1価の炭化水素基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシ基、非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノ基、置換されていてもよいヒドロカルビルメルカプト基、置換されていてもよいヒドロカルビルカルボニル基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシカルボニル基が好ましく、置換されていてもよい1価の炭化水素基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシ基、非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノ基がより好ましく、置換されていてもよい1価の炭化水素基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシ基がさらに好ましい。これらの基において、水素原子の結合した窒素原子は、1価の炭化水素基で置換されていることが好ましい。また、Rで表される基が複数の置換基を有する場合には、2個の置換基が連結して環を形成してもよい。 The substituent represented by R 1 in the general formula (I) is a hydroxy group, an amino group, a nitro group, a cyano group, a carboxyl group, a formyl group, a sulfonyl group, a halogen atom, or an optionally substituted monovalent group. A hydrocarbon group, an optionally substituted hydrocarbyloxy group (an optionally substituted hydrocarbonoxy group), an amino group substituted with two unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon groups (ie, substituted Optionally substituted hydrocarbon di-substituted amino group), optionally substituted hydrocarbyl mercapto group (optionally substituted hydrocarbon mercapto group) optionally substituted hydrocarbyl carbonyl group (optionally substituted). Hydrocarbon carbonyl group), optionally substituted hydrocarbyloxycarbonyl group (optionally substituted hydrocarbon oxycarbonyl group), non-substituted An aminocarbonyl group substituted by two substituted or substituted monovalent hydrocarbon groups (that is, an optionally substituted hydrocarbon disubstituted aminocarbonyl group), or an optionally substituted hydrocarbyloxysulfonyl group (substituted) An optionally substituted hydrocarbon sulfonyl group), an optionally substituted monovalent hydrocarbon group, an optionally substituted hydrocarbyloxy group, two unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon groups. A substituted amino group, an optionally substituted hydrocarbyl mercapto group, an optionally substituted hydrocarbylcarbonyl group, and an optionally substituted hydrocarbyloxycarbonyl group are preferred, and an optionally substituted monovalent hydrocarbon A substituted or unsubstituted hydrocarbyloxy group, an unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon group More preferably amino group, 1 may be substituted monovalent hydrocarbon group, an optionally substituted hydrocarbyloxy group is more preferred. In these groups, the nitrogen atom to which a hydrogen atom is bonded is preferably substituted with a monovalent hydrocarbon group. Moreover, when the group represented by R 1 has a plurality of substituents, the two substituents may be linked to form a ring.

上記Rで表される1価の炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ノニル基、ドデシル基、ペンタデシル基、オクタデシル基、ドコシル基等の炭素数1〜50のアルキル基(好ましくは炭素数1〜20のアルキル基);シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロへキシル基、シクロノニル基、シクロドデシル基、ノルボニル基、アダマンチル基等の炭素数3〜50の環状飽和炭化水素基(好ましくは炭素数3〜20の環状飽和炭化水素基);エテニル基、プロペニル基、3−ブテニル基、2−ブテニル基、2−ペンテニル基、2−ヘキセニル基、2−ノネニル基、2−ドデセニル基等の炭素数2〜50のアルケニル基(好ましくは2〜20のアルケニル基);フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、2−メチルフェニル基、3−メチルフェニル基、4−メチルフェニル基、4−エチルフェニル基、4−プロピルフェニル基、4−イソプロピルフェニル基、4−ブチルフェニル基、4−tert−ブチルフェニル基、4−ヘキシルフェニル基、4−シクロヘキシルフェニル基、4−アダマンチルフェニル基、4−フェニルフェニル基等の炭素数6〜50のアリール基(好ましくは6〜20のアリール基);フェニルメチル基、1−フェニルエチル基、2−フェニルエチル基、1−フェニルー1プロピル基、1−フェニル−2−プロピル基、2−フェニル−プロピル基、3−フェニル−1−プロピル基、4−フェニル−1−ブチル基、5−フェニル−1−ペンチル基、6−フェニル−1−ヘキシル基等の炭素数7〜50のアラルキル基(好ましくは7〜20のアラルキル基)が挙げられる。 Examples of the monovalent hydrocarbon group represented by R 1 include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, pentyl, and hexyl. Group, nonyl group, dodecyl group, pentadecyl group, octadecyl group, docosyl group, etc., an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms (preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms); cyclopropyl group, cyclobutyl group, cyclopentyl group, cyclo Hexyl group, cyclononyl group, cyclododecyl group, norbornyl group, adamantyl group and other cyclic saturated hydrocarbon groups having 3 to 50 carbon atoms (preferably cyclic saturated hydrocarbon groups having 3 to 20 carbon atoms); ethenyl group and propenyl group 3-butenyl group, 2-butenyl group, 2-pentenyl group, 2-hexenyl group, 2-nonenyl group, 2-dodecenyl group An alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms (preferably an alkenyl group having 2 to 20) such as a group; phenyl group, 1-naphthyl group, 2-naphthyl group, 2-methylphenyl group, 3-methylphenyl group, 4-methyl Phenyl group, 4-ethylphenyl group, 4-propylphenyl group, 4-isopropylphenyl group, 4-butylphenyl group, 4-tert-butylphenyl group, 4-hexylphenyl group, 4-cyclohexylphenyl group, 4-adamantyl Aryl groups having 6 to 50 carbon atoms such as phenyl group and 4-phenylphenyl group (preferably 6 to 20 aryl groups); phenylmethyl group, 1-phenylethyl group, 2-phenylethyl group, 1-phenyl-1-propyl Group, 1-phenyl-2-propyl group, 2-phenyl-propyl group, 3-phenyl-1-propyl group, 4-phenyl 1-butyl group, 5-phenyl-1-pentyl group, 6-phenyl-1- (preferably an aralkyl group having 7 to 20) aralkyl group having 7 to 50 carbon atoms such as a hexyl group include.

で表される1価の炭化水素基としては、炭素数1〜20のものが好ましく、炭素数1〜12のものがより好ましく、炭素数2〜12のものがより好ましく、炭素数1〜10のものがより好ましく、炭素数3〜10のものがさらに好ましく、炭素数1〜10のアルキル基が特に好ましく、炭素数3〜10のアルキル基が特に好ましい。 The monovalent hydrocarbon group represented by R 1 is preferably those having 1 to 20 carbon atoms, more preferably those having 1 to 12 carbon atoms, more preferably those having 2 to 12 carbon atoms, and 1 carbon atom. To 10 carbon atoms are more preferable, those having 3 to 10 carbon atoms are more preferable, alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms are particularly preferable, and alkyl groups having 3 to 10 carbon atoms are particularly preferable.

で表されるヒドロカルビルオキシ基、ヒドロカルビルメルカプト基、ヒドロカルビルカルボニル基、ヒドロカルビルオキシカルボニル基、ヒドロカルビルスルホニル基は、それぞれ、オキシ基、メルカプト基、カルボニル基、オキシカルボニル基、スルホニル基に、前記の1価の炭化水素基が1個結合してなる基である。 The hydrocarbyloxy group, hydrocarbyl mercapto group, hydrocarbylcarbonyl group, hydrocarbyloxycarbonyl group, and hydrocarbylsulfonyl group represented by R 1 are the same as the above-mentioned 1 to oxy group, mercapto group, carbonyl group, oxycarbonyl group, and sulfonyl group, respectively. This is a group formed by bonding one valent hydrocarbon group.

で表される‘‘非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノ基’’、‘‘非置換又は置換の1価の炭化水素基2個で置換されたアミノカルボニル基’’は、それぞれ、アミノ基、アミノカルボニル基(即ち、−C(=O)−NH)中の2個の水素原子が前記の1価の炭化水素基に置換された基である。これらに含まれる1価の炭化水素基の具体例及び好ましい例は、前記のRで表される1価の炭化水素基と同じである。 R 1 represents an “amino group substituted with two unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon groups”, “an amino group substituted with two unsubstituted or substituted monovalent hydrocarbon groups” The carbonyl group '' is a group in which two hydrogen atoms in an amino group and an aminocarbonyl group (that is, —C (═O) —NH 2 ) are substituted with the monovalent hydrocarbon group. . Specific examples and preferred examples of the monovalent hydrocarbon group contained in these are the same as the monovalent hydrocarbon group represented by R 1 described above.

で表される1価の炭化水素基、ヒドロカルビルオキシ基、ヒドロカルビルメルカプト基、ヒドロカルビルカルボニル基、ヒドロカルビルオキシカルボニル基、ヒドロカルビルスルホニル基は、これらの基に含まれる水素原子の一部又は全部が、ハロゲン原子、水酸基、アミノ基、ニトロ基、シアノ基、置換されていてもよい1価の炭化水素基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシ基、置換されていてもよいヒドロカルビルメルカプト基、置換されていてもよいヒドロカルビルカルボニル基、置換されていてもよいヒドロカルビルオキシカルボニル基、置換されていてもよいヒドロカルビルスルホニル基等で置換されていてもよい。 The monovalent hydrocarbon group represented by R 1 , hydrocarbyloxy group, hydrocarbyl mercapto group, hydrocarbylcarbonyl group, hydrocarbyloxycarbonyl group, hydrocarbylsulfonyl group, a part or all of the hydrogen atoms contained in these groups, Halogen atom, hydroxyl group, amino group, nitro group, cyano group, monovalent hydrocarbon group which may be substituted, hydrocarbyloxy group which may be substituted, hydrocarbyl mercapto group which may be substituted, substituted It may be substituted with an optionally substituted hydrocarbylcarbonyl group, an optionally substituted hydrocarbyloxycarbonyl group, an optionally substituted hydrocarbylsulfonyl group, and the like.

前記Rの中でも、特に好ましくは、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、フェニル基、メチルフェニル基、ナフチル基及び、ピリジル基から選ばれる1種以上の基である。 Among the R 1 , hydrogen atom, methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, phenyl group, methylphenyl group, naphthyl group, and pyridyl are particularly preferable. One or more groups selected from the group.

一般式(I)中のQの具体例としては、ピリジレン基、ピラジレン基、ピリミジレン基、ピリダジレン基、ピロリレン基、フリレン基、チエニレン基、チアゾリレン基、イミダゾリレン基、オキサゾリレン基、トリアゾリレン基、インドリレン基、ベンゾイミダゾリレン基、ベンゾフリレン基、ベンゾチエニレン基、キノリレン基、イソキノリレン基、シンノリレン基、フタラジレン基、キナゾリレン基、キノキサリレン基、ベンゾジアジレン基、1,10−フェナントロリレン基、2,2´−ビピリジレン基、2,2´−ビチオフェニレン基、2,2´−ビピローレン基、2,2´−ビチアゾリレン基、2,2´−ビフリレン基、2,2´−ビピリミジレン基、2,2´−ビピリダジレン基、2,2´−ビイミダゾリレン基が挙げられ、好ましくは、ピリジレン基、ピラジレン基、ピリミジレン基、ピリダジレン基、ピロリレン基、フリレン基、チエニレン基、1,10−フェナントロリレン基、2,2´−ビピリジレン基、2,2´−ビチオフェニレン基、2,2´−ビピローレン基、2,2´−ビチアゾリレン基、2,2´−ビフリレン基、2,2´−ビピリミジレン基、2,2´−ビピリダジレン基、2,2´−ビイミダゾリレン基であり、さらに好ましくは、1,10−フェナントロリレン基、2,2´−ビピリジレン基、2,2´−ビピローレン基、2,2´−ビチアゾリレン基、2,2´−ビイミダゾリレン基である。また、これらの基は、さらに前記Rの項で挙げた置換基で置換されてもよい。 Specific examples of Q 1 in the general formula (I) include a pyridylene group, a pyrazylene group, a pyrimidylene group, a pyridazylene group, a pyrrolylene group, a furylene group, a thienylene group, a thiazolylene group, an imidazolylene group, an oxazolylene group, a triazorylene group, and an indylene group. , Benzimidazolylene group, benzofurylene group, benzothienylene group, quinolylene group, isoquinolylene group, cinnolylene group, phthalazilene group, quinazolylene group, quinoxarylene group, benzodiazylene group, 1,10-phenanthrolylene group, 2,2'-bipyridylene group 2,2'-bithiophenylene group, 2,2'-bipyrrolene group, 2,2'-bithiazolylene group, 2,2'-bifurylene group, 2,2'-bipyrimidylene group, 2,2'-bipyridazilene group , 2,2'-biimidazolylene group is preferred. Or pyridylene group, pyrazylene group, pyrimidylene group, pyridazylene group, pyrrolylene group, furylene group, thienylene group, 1,10-phenanthrolylene group, 2,2'-bipyridylene group, 2,2'-bithiophenylene. Group, 2,2'-bipyrrolene group, 2,2'-bithiazolylene group, 2,2'-bifurylene group, 2,2'-bipyrimidylene group, 2,2'-bipyridazilene group, 2,2'-biimidazolylene group And more preferably a 1,10-phenanthrolylene group, a 2,2′-bipyridylene group, a 2,2′-bipyrrolene group, a 2,2′-bithiazolylene group, or a 2,2′-biimidazolylene group. In addition, these groups may be further substituted with the substituents mentioned in the section for R 1 .

一般式(I)中のTで表される芳香族複素環を有する1価の有機基の具体例としては、ピリジル基、ピラジル基、ピリミジル基、ピリダジル基、ピロリル基、フリル基、チエニル基、チアゾリル基、イミダゾリル基、オキサゾリル基、トリアゾリル基、インドリル基、ベンゾイミダゾリル基、ベンゾフリル基、ベンゾチエニル基、キノリル基、イソキノリル基、シンノリル基、フタラジル基、キナゾリル基、キノキサリル基、ベンゾジアゼピニル基、などを挙げることができる。また、これらの基は、さらに前記Rの置換基で置換されてもよい。 Specific examples of the monovalent organic group having an aromatic heterocyclic ring represented by T 1 in the general formula (I) include a pyridyl group, a pyrazyl group, a pyrimidyl group, a pyridazyl group, a pyrrolyl group, a furyl group, and a thienyl group. , Thiazolyl group, imidazolyl group, oxazolyl group, triazolyl group, indolyl group, benzoimidazolyl group, benzofuryl group, benzothienyl group, quinolyl group, isoquinolyl group, cinnolyl group, phthalazyl group, quinazolyl group, quinoxalyl group, benzodiazepinyl group, And so on. Further, these groups may be further substituted with the substituent of R 1 .

一般式(I)中のTを構成する芳香族複素環基として、好ましくは、共役酸の酸解離定数(pKa)が−2.0以上である芳香族複素環である。この芳香族複素環を有する1価の有機基Tの具体例としては、ピリジル基(ピリジン、pKa 5.23)、ピラジル基(ピラジン、pKa 1.00)、ピリダジル基(ピリダジン、pKa 2.34)、ピロリル基(ピロール、pKa −0.27,17.00)、イミダゾリル基(イミダゾール、pKa 7.18,14.10)、オキサゾリル基(オキサゾール、pKa 0.80)、トリアゾリル基(1H−1,2,4−トリアゾール、pKa 3.00,10.18、1H−1,2,4−トリアゾール、pKa 1.47,8.73)、インドリル基(インドール、pKa −0.27,17.00)、ベンゾイミダゾリル基(ベンゾイミダゾール、pKa 5.67,12.60)、キノリル基(キノリン、pKa 4.97)、イソキノリル基(イソキノリン、pKa 5.37)、シンノリル基(シンノリン、pKa 3.00)、フタラジル基(フタラジン、pKa 3.47)、キナゾリル基(キナゾリン、pKa 3.43)、キノキサリル基(キノキサリン、pKa 0.59)、ベンゾジアゼピニル基(ベンゾジアゼピン、pKa 9.57)などを挙げることができる。ここで、pKaは、Scifinderに登録されているAdvanced Chemistry Development(ACD/Labs)Softwareによる水中25℃における予測値である。pKaの値として、より好ましくは0以上であり、さらに好ましくは2以上である。また、pKaは、好ましくは20以下であり、さらに好ましくは18以下である。 The aromatic heterocyclic group constituting T 1 in the general formula (I) is preferably an aromatic heterocyclic ring in which the acid dissociation constant (pKa) of the conjugate acid is −2.0 or more. Specific examples of the monovalent organic group T 1 having an aromatic heterocyclic ring include a pyridyl group (pyridine, pKa 5.23), a pyrazyl group (pyrazine, pKa 1.00), and a pyridazyl group (pyridazine, pKa2. 34), pyrrolyl group (pyrrole, pKa-0.27, 17.00), imidazolyl group (imidazole, pKa 7.18, 14.10), oxazolyl group (oxazole, pKa 0.80), triazolyl group (1H- 1,2,4-triazole, pKa 3.00, 10.18, 1H-1,2,4-triazole, pKa 1.47, 8.73), indolyl group (indole, pKa-0.27, 17. 00), benzimidazolyl group (benzimidazole, pKa 5.67, 12.60), quinolyl group (quinoline, pKa 4.97), isoquino Group (isoquinoline, pKa 5.37), cinnolyl group (cinnoline, pKa 3.00), phthalazyl group (phthalazine, pKa 3.47), quinazolyl group (quinazoline, pKa 3.43), quinoxalyl group (quinoxaline, pKa) 0.59), a benzodiazepinyl group (benzodiazepine, pKa 9.57), and the like. Here, pKa is a predicted value at 25 ° C. in water according to Advanced Chemistry Development (ACD / Labs) Software registered in Sciffender. The value of pKa is more preferably 0 or more, and further preferably 2 or more. The pKa is preferably 20 or less, more preferably 18 or less.

本発明の燃料電池用電極触媒として用いる単核金属錯体としては、該単核金属錯体に1つの酸素分子を吸着させ、該1つの酸素分子を構成する2つの酸素原子のMulliken電荷を密度汎関数法で計算したとき、該2つの酸素原子のMulliken電荷の差の絶対値が0.020〜0.062であると好ましい。該Mulliken電荷は、密度汎関数法に基づく構造最適化計算により得られる。該Mulliken電荷の計算には、Gaussian03を用い、汎関数としてB3LYPを用い、基底関数として遷移金属原子にLANL2DZ、その他の原子には6-31G(d)を用いる。複数の安定構造がある場合、最も安定な構造を採用する。
該Mulliken電荷の差の絶対値は、好ましくは0.030以上であり、より好ましくは0.040以上であり、特に好ましくは0.050以上である。また、該Mulliken電荷の差の絶対値は、好ましくは0.060以下であり、特に好ましくは0.058以下である。
また、本発明の燃料電池用電極触媒として用いる単核金属錯体としては、該単核金属錯体に1つの酸素分子を吸着させ、該酸素分子を構成する2つの酸素原子のMulliken電荷を密度汎関数法で計算したとき、該2つの酸素原子のMulliken電荷の和が−0.25以上であると好ましい。該Mulliken電荷は、前記密度汎関数法に基づく構造最適化計算により得られる。
該Mulliken電荷の和は、好ましくは−0.23以上であり、より好ましくは−0.20以上であり、特に好ましくは−0.17以上である。また、該Mulliken電荷の和は、好ましくは0.00以下であり、より好ましくは−0.05以下であり、特に好ましくは−0.10以下である。
The mononuclear metal complex used as the electrode catalyst for a fuel cell according to the present invention includes a single functional oxygen molecule adsorbed on the mononuclear metal complex, and the Mulliken charges of the two oxygen atoms constituting the single oxygen molecule. When calculated by the method, the absolute value of the difference between the Mulliken charges of the two oxygen atoms is preferably 0.020 to 0.062. The Mulliken charge is obtained by a structure optimization calculation based on a density functional method. For the calculation of the Mulliken charge, Gaussian03 is used, B3LYP is used as the functional, LANL2DZ is used as the transition metal atom, and 6-31G (d) is used as the other atoms. When there are multiple stable structures, the most stable structure is adopted.
The absolute value of the difference between the Mulliken charges is preferably 0.030 or more, more preferably 0.040 or more, and particularly preferably 0.050 or more. The absolute value of the difference between the Mulliken charges is preferably 0.060 or less, particularly preferably 0.058 or less.
The mononuclear metal complex used as the electrode catalyst for a fuel cell of the present invention includes a single functional oxygen molecule adsorbed on the mononuclear metal complex, and the Mulliken charge of two oxygen atoms constituting the oxygen molecule is expressed as a density functional. When calculated by the method, the sum of the Mulliken charges of the two oxygen atoms is preferably −0.25 or more. The Mulliken charge is obtained by a structure optimization calculation based on the density functional method.
The sum of the Mulliken charges is preferably −0.23 or more, more preferably −0.20 or more, and particularly preferably −0.17 or more. The sum of the Mulliken charges is preferably 0.00 or less, more preferably −0.05 or less, and particularly preferably −0.10 or less.

一般式(I)で表される単核金属錯体は、好ましくは下記式(II)で表される単核金属錯体である。   The mononuclear metal complex represented by the general formula (I) is preferably a mononuclear metal complex represented by the following formula (II).

Figure 2008258151
Figure 2008258151

(式中、Rは、前記Rと同義であり、隣合う2つのRは互いに連結して環を形成してもよい。Y及びYは、それぞれ独立に、 (In the formula, R 2 has the same meaning as R 1, and two adjacent R 2 may be linked to each other to form a ring. Y 1 and Y 2 are each independently

Figure 2008258151
Figure 2008258151

(式中、Rは水素原子または炭素数が1〜4の炭化水素基である。)のいずれかを表す。P1及びP2は、それぞれ独立に、Y及びYとともに2価の芳香族複素環基を表し、P1とP2が互いにさらに結合して環を形成しても良い。M、X、nは、一般式(I)中のM、X、nと同じ意味をもつ。また、Tは、前記Tと同義である。) (Wherein, R a is a hydrogen atom or a hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms). P1 and P2 are each independently, together with Y 1 and Y 2 represents a divalent aromatic heterocyclic group, P1 and P2 may form a further bond to ring. M, X, and n have the same meaning as M, X, and n in the general formula (I). T 2 has the same meaning as T 1 . )

一般式(II)におけるP1及びP2の具体例として、ピリジレン基、ピラジレン基、ピリミジレン基、ピロリレン基、フリレン基、チエニレン基、チアゾリレン基、イミダゾリレン基、オキサゾリレン基、トリアゾリレン基、インドリレン基、ベンゾイミダゾリレン基、ベンゾフリレン基、ベンゾチエニレン基、イソキノリレン基、シンノリレン基、フタラジレン基、キナゾリレン基、キノキサリレン基が挙げられ、好ましくは、ピリジレン基、ピラジレン基、ピリミジレン基、ピロリレン基、フリレン基、チエニレン基であり、さらに好ましくは、ピリジレン基、ピロリレン基、フリレン基、チエニレン基である。P1、P2で表される2価の芳香族複素環基は、Rの置換基で置換されてもよい。
また、P1とP2が互いに結合してあらたに環を形成しても良く、前記単核金属錯体としては、以下のような(III−a)〜(III−i)の構造をもつものが好ましく、(III−a)〜(III−d)の構造をもつものがより好ましい。
Specific examples of P1 and P2 in the general formula (II) include pyridylene group, pyrazylene group, pyrimidylene group, pyrrolylene group, furylene group, thienylene group, thiazolylene group, imidazolylene group, oxazolylene group, triazolylene group, indolylene group, benzimidazolylene. Group, benzofurylene group, benzothienylene group, isoquinolylene group, cinnolylene group, phthalazilene group, quinazolylene group, quinoxalylene group, preferably pyridylene group, pyrazylene group, pyrimidylene group, pyrrolylene group, furylene group, thienylene group, Preferred are a pyridylene group, a pyrrolylene group, a furylene group, and a thienylene group. P1, 2-valent aromatic heterocyclic group represented by P2 may be substituted with a substituent of R 1.
P1 and P2 may be bonded to each other to form a new ring, and the mononuclear metal complex preferably has the following structures (III-a) to (III-i): And those having the structures of (III-a) to (III-d) are more preferred.

Figure 2008258151
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ここで、Rは水素原子または炭素数が1〜30の炭化水素基を表す。
なお、P1及びP2で表される2価の芳香族複素環基における水素原子の一部又は全部は、前記に例示したRの置換基で置換されてもよい。
一般式(II)で表される単核金属錯体の配位子部分は非特許文献Tetrahedron,55,8377(1999).に記載されているように、有機金属反応剤の複素環への付加反応及び酸化をおこない、ハロゲン化反応、次いで遷移金属触媒を用いたクロスカップリング反応によって合成することができる。また、複素環をもつ化合物のハロゲン化物を用いて、段階的にクロスカップリング反応によって合成することも可能である。
Here, R 3 represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms.
In addition, a part or all of the hydrogen atoms in the divalent aromatic heterocyclic group represented by P1 and P2 may be substituted with the substituent of R 1 exemplified above.
The ligand part of the mononuclear metal complex represented by the general formula (II) is described in non-patent document Tetrahedron, 55, 8377 (1999). Can be synthesized by an addition reaction and oxidation of an organometallic reagent to a heterocyclic ring, a halogenation reaction, and then a cross-coupling reaction using a transition metal catalyst. Moreover, it is also possible to synthesize stepwise by a cross-coupling reaction using a halide of a compound having a heterocyclic ring.

前記式(II)で表される単核金属錯体の配位子部分としては、好ましくは、下記式(IV―1)〜(IV―18)で表される構造をもつものが好ましい。このうち、好ましくは、(IV―1)〜(IV―12)で表される構造をもつものであり、特に好ましくは、(IV―1)〜(IV―6)で表される構造をもつものである。
なお、式中、Meはメチル、Buはtert−ブチル、Phはフェニルを示す。
As the ligand moiety of the mononuclear metal complex represented by the formula (II), those having structures represented by the following formulas (IV-1) to (IV-18) are preferable. Among these, preferably, it has a structure represented by (IV-1) to (IV-12), and particularly preferably has a structure represented by (IV-1) to (IV-6). Is.
In the formula, Me represents methyl, t Bu is tert- butyl, Ph is phenyl.

Figure 2008258151
Figure 2008258151

Figure 2008258151
Figure 2008258151

Figure 2008258151
Figure 2008258151

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Figure 2008258151

Figure 2008258151
Figure 2008258151

Figure 2008258151
Figure 2008258151

前記式(I)、(II)におけるXは中性分子であるか、金属錯体を電気的に中性にする対イオンである。具体的に、該中性分子を例示すると、水、メタノール、エタノール、n−プロパノ−ル、イソプロピルアルコール、2−メトキシエタノール、1,1−ジメチルエタノール、エチレングリコール、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−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、アセトン、クロロホルム、アセトニトリル、ベンゾニトリル、トリエチルアミン、ピリジン、ピラジン、ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン、4,4’−ビピリジン、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、メチルエチルエーテル、1,4−ジオキサンである。好ましくは、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、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−メチル−2−ピロリドン、クロロホルム、アセトニトリル、ベンゾニトリル、トリエチルアミン、ピリジン、ピラジン、ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン、4,4’−ビピリジン、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、1,4−ジオキサンである。   X in the formulas (I) and (II) is a neutral molecule or a counter ion that electrically neutralizes the metal complex. Specific examples of the neutral molecule include water, methanol, ethanol, n-propanol, isopropyl alcohol, 2-methoxyethanol, 1,1-dimethylethanol, ethylene glycol, N, N′-dimethylformamide, N, N′-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, acetone, chloroform, acetonitrile, benzonitrile, triethylamine, pyridine, pyrazine, diazabicyclo [2,2,2] octane, 4,4′-bipyridine , Tetrahydrofuran, diethyl ether, dimethoxyethane, methyl ethyl ether, 1,4-dioxane. Preferably, water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, ethylene glycol, N, N′-dimethylformamide, N, N′-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, chloroform, acetonitrile, benzonitrile, triethylamine, pyridine, Pyrazine, diazabicyclo [2,2,2] octane, 4,4′-bipyridine, tetrahydrofuran, dimethoxyethane, and 1,4-dioxane.

また、Xが対イオンである場合、通常、遷移金属原子及び典型金属原子は正の荷電を有するので、これを電気的に中性にする陰イオンが選ばれ、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、硫化物イオン、酸化物イオン、水酸化物イオン、水素化物イオン、亜硫酸イオン、リン酸イオン、シアン化物イオン、酢酸イオン、炭酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、炭酸水素イオン、トリフルオロ酢酸イオン、チオシアン化物イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、アセチルアセトナート、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、テトラフェニルホウ酸イオンである。好ましくは、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、酸化物イオン、水酸化物イオン、水素化物イオン、リン酸イオン、シアン化物イオン、酢酸イオン、炭酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、アセチルアセトナート、テトラフェニルホウ酸イオンである。
また、Xが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよく、中性分子と対イオンが共存する形態でもよい。
Further, when X is a counter ion, the transition metal atom and the typical metal atom usually have a positive charge, so an anion that makes this electrically neutral is selected, and fluoride ion, chloride ion, Bromide ion, iodide ion, sulfide ion, oxide ion, hydroxide ion, hydride ion, sulfite ion, phosphate ion, cyanide ion, acetate ion, carbonate ion, sulfate ion, sulfate ion, nitrate ion, bicarbonate ion Trifluoroacetate ion, thiocyanide ion, trifluoromethanesulfonate ion, acetylacetonate, tetrafluoroborate ion, hexafluorophosphate ion, tetraphenylborate ion. Preferably, chloride ion, bromide ion, iodide ion, oxide ion, hydroxide ion, hydride ion, phosphate ion, cyanide ion, acetate ion, carbonate ion, sulfate ion, nitrate ion, acetylacetonate , Tetraphenylborate ion.
When a plurality of X are present, they may be the same or different, and a form in which a neutral molecule and a counter ion coexist is also possible.

次に、本発明に用いられる単核金属錯体の合成法について説明する。該金属錯体は、配位子の配位する金属原子を付与する反応剤(以下、「金属付与剤」と呼ぶ)と混合することにより得ることができる。金属付与剤としては、前記に具体例として例示した遷移金属の酢酸塩、塩化物塩、硫酸塩、炭酸塩などを用いることができる。   Next, a method for synthesizing a mononuclear metal complex used in the present invention will be described. The metal complex can be obtained by mixing with a reactant that gives a metal atom coordinated by a ligand (hereinafter referred to as “metal-imparting agent”). As the metal-imparting agent, the transition metal acetates, chlorides, sulfates, carbonates and the like exemplified as specific examples can be used.

前記のとおり、本発明に用いられる単核金属錯体は、配位子化合物及び金属付与剤を適当な反応溶媒の存在下で混合させることで調製できる。具体的には、反応溶媒としては、水、酢酸、シュウ酸、アンモニア水、メタノール、エタノール、n−プロパノ−ル、イソプロピルアルコール、2−メトキシエタノール、1−ブタノール、1,1−ジメチルエタノール、エチレングリコール、ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、メチルエチルエーテル、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、デュレン、デカリン、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、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−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、アセトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、トリエチルアミン、ピリジンが挙げられ、これらを2種以上混合してなる反応溶媒を用いてもよいが、配位子化合物及び金属付与剤が溶解し得るものが好ましい。反応温度としては通常−10〜200℃、好ましくは0〜150℃、特に好ましくは0〜100℃、反応時間としては通常1分〜1週間、好ましくは5分〜24時間、特に好ましくは1時間〜12時間で実施することができる。なお、反応温度および反応時間についても、配位子化合物及び金属付与剤の種類によって適宜最適化できる。
反応後の反応溶液から、生成した単核金属錯体を単離精製する手段としては、公知の再結晶法、再沈殿法あるいはクロマトグラフィー法から適宜最適な手段を選択して用いることができ、これらの手段を組合わせてもよい。
なお、前記反応溶媒の種類によっては、生成した単核金属錯体が析出する場合があり、析出した単核金属錯体を濾別等で分離し、必要に応じて洗浄操作や乾燥操作を行うことでも、単核金属錯体を単離精製することもできる。
As described above, the mononuclear metal complex used in the present invention can be prepared by mixing a ligand compound and a metal imparting agent in the presence of an appropriate reaction solvent. Specifically, the reaction solvent includes water, acetic acid, oxalic acid, aqueous ammonia, methanol, ethanol, n-propanol, isopropyl alcohol, 2-methoxyethanol, 1-butanol, 1,1-dimethylethanol, ethylene. Glycol, diethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, methyl ethyl ether, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, benzene, toluene, xylene, mesitylene, durene, decalin, dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, chlorobenzene, 1,2- Examples include dichlorobenzene, N, N′-dimethylformamide, N, N′-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, acetone, acetonitrile, benzonitrile, triethylamine, and pyridine. It may be used a reaction solvent comprising a mixture of two or more, but is preferably one ligand compound and the metal-providing agent is soluble. The reaction temperature is usually −10 to 200 ° C., preferably 0 to 150 ° C., particularly preferably 0 to 100 ° C., and the reaction time is usually 1 minute to 1 week, preferably 5 minutes to 24 hours, particularly preferably 1 hour. It can be carried out in ~ 12 hours. The reaction temperature and reaction time can also be optimized as appropriate depending on the type of ligand compound and metal imparting agent.
As a means for isolating and purifying the produced mononuclear metal complex from the reaction solution after the reaction, an optimum means can be appropriately selected and used from known recrystallization methods, reprecipitation methods or chromatography methods. These means may be combined.
Depending on the type of the reaction solvent, the produced mononuclear metal complex may precipitate, and the precipitated mononuclear metal complex may be separated by filtration or the like, and may be washed or dried as necessary. A mononuclear metal complex can also be isolated and purified.

本発明の触媒の調製するに当り、上記の単核金属錯体を加熱処理することが好ましい。この加熱処理は、単核金属錯体内の炭素−水素結合の開裂を起こし、単核金属錯体内あるいは隣接する単核金属錯体どうしの炭素−炭素結合の形成を促すことにより、触媒の安定性を向上させると同時に導電性を付与するという作用を奏する。
次に、本発明における、単核金属錯体の加熱処理の条件について詳述する。
熱処理に用いる単核金属錯体は、1種の単核金属錯体のみを用いてもよく、2種以上の単核金属錯体を用いることもできる。
該単核金属錯体は、加熱処理を施す前処理として、15℃以上200℃以下の温度、10Torr以下の減圧下において6時間以上乾燥させておくと特に好ましい。該前処理としては、真空乾燥機等を用いることができる。
In preparing the catalyst of the present invention, the above mononuclear metal complex is preferably heat-treated. This heat treatment causes the cleavage of carbon-hydrogen bonds in the mononuclear metal complex and promotes the formation of carbon-carbon bonds in the mononuclear metal complex or between adjacent mononuclear metal complexes, thereby improving the stability of the catalyst. At the same time, it has the effect of imparting conductivity.
Next, the conditions for the heat treatment of the mononuclear metal complex in the present invention will be described in detail.
As the mononuclear metal complex used for the heat treatment, only one mononuclear metal complex may be used, or two or more mononuclear metal complexes may be used.
The mononuclear metal complex is particularly preferably dried for 6 hours or more at a temperature of 15 ° C. or more and 200 ° C. or less and a reduced pressure of 10 Torr or less as a pretreatment for heat treatment. As the pretreatment, a vacuum dryer or the like can be used.

単核金属錯体の加熱処理を行う際に用いる雰囲気は、水素、一酸化炭素などの還元雰囲気、酸素、炭素ガス、水蒸気などの酸化雰囲気、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガス雰囲気、アンモニア、アセトニトリルなどの含窒素化合物のガスまたは蒸気、並びにこれらの混合ガスの存在下であることが好ましい。より好ましくは、還元雰囲気であれば、水素、および水素と前記不活性ガスとの混合雰囲気、酸化雰囲気であれば、酸素、および酸素と前記不活性ガスとの混合雰囲気、また、不活性ガス雰囲気であれば、窒素、ネオン、アルゴン、並びにこれらのガスの混合雰囲気である。
また、加熱処理に係る圧力は、特に限定されるものではないが、0.5〜1.5気圧程度の常圧付近であると好ましい。
The atmosphere used for the heat treatment of the mononuclear metal complex is a reducing atmosphere such as hydrogen or carbon monoxide, an oxidizing atmosphere such as oxygen, carbon gas, or water vapor, or an inert atmosphere such as nitrogen, helium, neon, argon, krypton, or xenon. An active gas atmosphere, a gas or vapor of a nitrogen-containing compound such as ammonia or acetonitrile, and a mixed gas thereof are preferable. More preferably, in a reducing atmosphere, hydrogen and a mixed atmosphere of hydrogen and the inert gas, in an oxidizing atmosphere, oxygen, a mixed atmosphere of oxygen and the inert gas, or an inert gas atmosphere If so, it is a mixed atmosphere of nitrogen, neon, argon, and these gases.
Moreover, the pressure which concerns on heat processing is although it does not specifically limit, It is preferable in the normal pressure vicinity of about 0.5-1.5 atmospheres.

該単核金属錯体を加熱処理する際の温度は、好ましくは250℃以上であり、より好ましくは300℃以上、さらに好ましくは400℃以上、特に好ましくは500℃以上である。また、加熱処理にかかる温度は、好ましくは1500℃以下であり、より好ましくは1200℃以下、特に好ましくは1000℃以下である。   The temperature at which the mononuclear metal complex is subjected to heat treatment is preferably 250 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher, further preferably 400 ° C. or higher, and particularly preferably 500 ° C. or higher. Moreover, the temperature concerning heat processing becomes like this. Preferably it is 1500 degrees C or less, More preferably, it is 1200 degrees C or less, Most preferably, it is 1000 degrees C or less.

加熱処理の処理時間は、前記の使用ガスや温度等により適宜設定できるが、上記ガスの密閉あるいは通気させた状態において、室温から徐々に温度を上昇させ目的温度到達後、すぐに降温してもよい。中でも、目的温度に到達後、温度を維持することで、徐々に単核金属錯体を加熱することが、耐久性をより向上させることができるため好ましい。目的とする温度到達後の保持時間は、好ましくは1〜100時間であり、より好ましくは1〜40時間であり、さらに好ましくは2時間〜10時間であり、特に好ましくは2〜3時間である。   The treatment time for the heat treatment can be set as appropriate depending on the gas used, the temperature, etc., but in the sealed or ventilated state of the gas, the temperature can be gradually raised from room temperature and reached immediately after reaching the target temperature. Good. Among them, it is preferable to gradually heat the mononuclear metal complex by maintaining the temperature after reaching the target temperature because durability can be further improved. The holding time after reaching the target temperature is preferably 1 to 100 hours, more preferably 1 to 40 hours, still more preferably 2 hours to 10 hours, and particularly preferably 2 to 3 hours. .

加熱処理を行う装置も、特に限定されるものではなく、管状炉、オーブン、ファーネス、IHホットプレート等が例示される。   An apparatus for performing the heat treatment is not particularly limited, and examples thereof include a tubular furnace, an oven, a furnace, and an IH hot plate.

本発明の燃料電池用電極触媒の別の実施態様では、前記単核金属錯体と、カーボン担体及び/又は導電性高分子とを含む単核金属錯体混合物を用いてなる燃料電池用電極触媒とすることができる。   In another embodiment of the fuel cell electrode catalyst of the present invention, a fuel cell electrode catalyst comprising the mononuclear metal complex and a mononuclear metal complex mixture containing a carbon support and / or a conductive polymer is provided. be able to.

該単核金属錯体混合物における単核金属錯体とカーボン担体及び導電性高分子の混合比率は、単核金属錯体とカーボン担体及び導電性高分子の合計質量に対し、単核金属錯体の含有量が、1〜70質量%になるように設定することが好ましい。前記卑金属錯体の含有量が2〜60質量%であると、より好ましく、3〜50質量%であると、特に好ましい。   The mixing ratio of the mononuclear metal complex to the carbon carrier and the conductive polymer in the mononuclear metal complex mixture is such that the content of the mononuclear metal complex is relative to the total mass of the mononuclear metal complex, the carbon carrier and the conductive polymer. 1 to 70% by mass is preferably set. The content of the base metal complex is more preferably 2 to 60% by mass, and particularly preferably 3 to 50% by mass.

前記カーボン担体の例としては、ノーリット(NORIT社製)、ケッチェンブラック(Lion社製)、バルカン(Cabot社製)、ブラックパール(Cabot社製)、アセチレンブラック(Chevron社製)(いずれも商品名)等のカーボン粒子、C60やC70等のフラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボン繊維等が挙げられる。   Examples of the carbon carrier include Norrit (manufactured by NORIT), Ketjen Black (manufactured by Lion), Vulcan (manufactured by Cabot), Black Pearl (manufactured by Cabot), and acetylene black (manufactured by Chevron) (all products) Name), fullerenes such as C60 and C70, carbon nanotubes, carbon nanohorns, and carbon fibers.

このような単核金属錯体混合物を加熱処理することにより燃料電池用電極触媒としてもよく、加熱処理する際の条件等は、前記単核金属錯体を単独で加熱処理する条件と同様である。   Such a mononuclear metal complex mixture may be heat-treated to form an electrode catalyst for a fuel cell, and the conditions for the heat treatment are the same as the conditions for heat-treating the mononuclear metal complex alone.

前記単核金属錯体は、骨格が芳香族であるため、いずれも高度の耐熱性と耐酸性を有する。
したがって、燃料電池の作動条件である高温下あるいは強酸の存在下でも錯体構造が安定であることから、長期にわたって触媒性能を発揮できる。
導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール等を挙げることができる。なお、前記単核錯体、カーボン担体、導電性高分子は、1種単独で用いても2種以上を併用してもよい。
Since the mononuclear metal complex has an aromatic skeleton, both have high heat resistance and acid resistance.
Therefore, since the complex structure is stable even at high temperatures or in the presence of strong acids, which are the operating conditions of the fuel cell, the catalyst performance can be exhibited over a long period of time.
Examples of the conductive polymer include polyacetylene, polyaniline, and polypyrrole. The mononuclear complex, carbon carrier, and conductive polymer may be used alone or in combination of two or more.

本発明の燃料電池用電極触媒は、燃料電池の燃料極及び空気極の触媒として用いることができ、燃料極と空気極の両方の触媒として用いてもよいし、燃料極あるいは空気極のどちらか一方の触媒として用いることもできる。   The electrode catalyst for a fuel cell of the present invention can be used as a catalyst for a fuel electrode and an air electrode of a fuel cell, and may be used as a catalyst for both a fuel electrode and an air electrode, or either a fuel electrode or an air electrode. It can also be used as one catalyst.

本発明の燃料電池用電極触媒を用いてなる燃料電池は、例えば、自動車用電源、家庭用電源、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源等として用いることができる。   The fuel cell using the fuel cell electrode catalyst of the present invention can be used, for example, as a small power source for mobile devices such as an automobile power source, a household power source, a mobile phone, and a portable personal computer.

以下、本発明を、実施例を参照してより詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

合成例1[単核金属錯体(A)の合成]
単核金属錯体(A)を以下の反応式に従って合成した。
Synthesis Example 1 [Synthesis of Mononuclear Metal Complex (A)]
The mononuclear metal complex (A) was synthesized according to the following reaction formula.

Figure 2008258151
Figure 2008258151

なお、金属錯体の原料となる上記配位子化合物はTetrahedron,55,8377(1999).に記載の方法により合成した。0.315gの該配位子と0.124gの酢酸コバルト4水和物を含んだ50mlのエタノールを100mlのナスフラスコに入れ、80℃にて1時間攪拌した。生成した褐色沈殿を濾取してエタノールで洗浄後、真空乾燥することで単核金属錯体(A)を得た(収量0.270g:収率81%)。元素分析値(%):Calcd for C4240CoN;C,69.70;H,5.57;N,7.74.Found:C,70.01;H,5.80;N,7.56.ESI−MS[M+・]:687.1 In addition, the said ligand compound used as the raw material of a metal complex is Tetrahedron, 55, 8377 (1999). It was synthesized by the method described in 1. 50 ml of ethanol containing 0.315 g of the ligand and 0.124 g of cobalt acetate tetrahydrate was placed in a 100 ml eggplant flask and stirred at 80 ° C. for 1 hour. The produced brown precipitate was collected by filtration, washed with ethanol, and then vacuum-dried to obtain a mononuclear metal complex (A) (yield 0.270 g: 81% yield). Elemental analysis (%): Calcd for C 42 H 40 CoN 4 O 4; C, 69.70; H, 5.57; N, 7.74. Found: C, 70.01; H, 5.80; N, 7.56. ESI-MS [M + ·]: 687.1

合成例2[単核金属錯体(B)の合成]
単核金属錯体(B)を以下の反応式に従い、化合物(A)、化合物(B)を経由して合成した。
Synthesis Example 2 [Synthesis of mononuclear metal complex (B)]
The mononuclear metal complex (B) was synthesized via compound (A) and compound (B) according to the following reaction formula.

Figure 2008258151
Figure 2008258151

原料となる2,9−ビス(3’−ブロモ−5’−tert−ブチル−2’−メトキシフェニル)−1,10−フェナントロリンを文献Tetrahedron.,1999,55,8377記載の方法で合成した。アルゴン雰囲気下で、3.945gの2,9−ビス(3’−ブロモ−5’−tert−ブチル−2’−メトキシフェニル)−1,10−フェナントロリン、3.165gの1−N−Boc−ピロール−2−ボロン酸、0.138gのトリス(ベンジリデンアセトン)ジパラジウム、0.247gの2−ジシクロヘキシルホスフィノ−2’,6’−ジメトキシビフェニル、5.527gのリン酸カリウムを200mLのジオキサンと20mLの水の混合溶媒に溶解し、60℃にて6時間攪拌した。反応終了後、放冷して蒸留水、クロロホルムを加えて、有機層を抽出した。得られた有機層を濃縮して、黒い残渣を得た。これを、シリカゲルカラムを用いて精製し、化合物(A)を得た。H−NMR(300MHz, CDCl)δ1.34(s, 18H), 1.37(s, 18H), 3.30(s, 6H), 6.21(m, 2H), 6.27(m, 2H), 7.37(m, 2H), 7.41(s, 2H), 7.82(s, 2H), 8.00(s, 2H), 8.19(d, J=8.6Hz, 2H), 8.27(d, J=8.6Hz, 2H). The raw material 2,9-bis (3′-bromo-5′-tert-butyl-2′-methoxyphenyl) -1,10-phenanthroline was obtained from the literature Tetrahedron. , 1999, 55, 8377. Under an argon atmosphere, 3.945 g of 2,9-bis (3′-bromo-5′-tert-butyl-2′-methoxyphenyl) -1,10-phenanthroline, 3.165 g of 1-N-Boc— Pyrrole-2-boronic acid, 0.138 g of tris (benzylideneacetone) dipalladium, 0.247 g of 2-dicyclohexylphosphino-2 ′, 6′-dimethoxybiphenyl, 5.527 g of potassium phosphate and 200 mL of dioxane It melt | dissolved in the mixed solvent of 20 mL water, and stirred at 60 degreeC for 6 hours. After completion of the reaction, the mixture was allowed to cool, distilled water and chloroform were added, and the organic layer was extracted. The resulting organic layer was concentrated to give a black residue. This was refine | purified using the silica gel column, and the compound (A) was obtained. 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 ) δ 1.34 (s, 18H), 1.37 (s, 18H), 3.30 (s, 6H), 6.21 (m, 2H), 6.27 ( m, 2H), 7.37 (m, 2H), 7.41 (s, 2H), 7.82 (s, 2H), 8.00 (s, 2H), 8.19 (d, J = 8 .6 Hz, 2H), 8.27 (d, J = 8.6 Hz, 2H).

Figure 2008258151
窒素雰囲気下で0.904gの化合物(A)を10mLの無水ジクロロメタンに溶解させる。ジクロロメタン溶液を−78℃に冷却しながら、8.8mLの三臭化ホウ素(1.0Mジクロロメタン溶液)をゆっくり滴下した。滴下後、10分間そのまま攪拌させた後、室温まで攪拌させながら放置した。3時間後、反応溶液を0℃まで冷却させ、飽和NaHCO水溶液を加えたのち、クロロホルムを加えて抽出し、有機層を濃縮した。得られた褐色の残渣を、シリカゲルカラムで精製し、化合物(B)を得た。H−NMR(300MHz, CDCl)δ1.40(s, 18H), 6.25(m, 2H), 6.44(m, 2H), 6.74(m, 2H), 7.84(s, 2H), 7.89(s, 2H), 7.92(s, 2H), 8.35(d, J=8.4Hz, 2H), 8.46(d, J=8.4Hz, 2H), 10.61(s, 2H), 15.88(s, 2H).
Figure 2008258151
Under a nitrogen atmosphere, 0.904 g of compound (A) is dissolved in 10 mL of anhydrous dichloromethane. While the dichloromethane solution was cooled to −78 ° C., 8.8 mL of boron tribromide (1.0 M dichloromethane solution) was slowly added dropwise. After dropping, the mixture was allowed to stir for 10 minutes and then allowed to stand while stirring to room temperature. After 3 hours, the reaction solution was cooled to 0 ° C., saturated aqueous NaHCO 3 solution was added, chloroform was added for extraction, and the organic layer was concentrated. The resulting brown residue was purified with a silica gel column to obtain compound (B). 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 ) δ 1.40 (s, 18H), 6.25 (m, 2H), 6.44 (m, 2H), 6.74 (m, 2H), 7.84 ( s, 2H), 7.89 (s, 2H), 7.92 (s, 2H), 8.35 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 8.46 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 10.61 (s, 2H), 15.88 (s, 2H).

Figure 2008258151
窒素雰囲気下において、0.100gの化合物(B)と0.040gの酢酸コバルト4水和物を含んだ20mlのArで脱気したアセトニトリル溶液を、100mlの二口フラスコに入れ、室温にて攪拌した。この溶液にトリエチルアミンを45μl滴下し、3時間還流した。この溶液を濃縮し、冷却した後、メンブレンフィルターで濾取し、乾燥することで単核金属錯体(B)を得た(収量0.098g)。ESI−MS[M+・] :663.1。
Figure 2008258151
Under a nitrogen atmosphere, 20 ml of Ar solution degassed with 20 ml of Ar containing 0.100 g of compound (B) and 0.040 g of cobalt acetate tetrahydrate was placed in a 100 ml two-necked flask and stirred at room temperature. did. To this solution, 45 μl of triethylamine was added dropwise and refluxed for 3 hours. The solution was concentrated and cooled, and then filtered through a membrane filter and dried to obtain a mononuclear metal complex (B) (yield 0.098 g). ESI-MS [M +.]: 663.1.

合成例3[単核金属錯体(C)の合成]
以下の反応式に従い単核金属錯体(C)を文献Tatsuhiro Okada,et.al.Journal of Inorganic and Organometallic Polymers,9,199(1999).に記載の方法により合成した。
Synthesis Example 3 [Synthesis of Mononuclear Metal Complex (C)]
The mononuclear metal complex (C) was prepared according to the following reaction formula in the document Tatsuhiro Okada, et. al. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers, 9, 199 (1999). It was synthesized by the method described in 1.

Figure 2008258151
Figure 2008258151

合成例4[単核金属錯体(D)の合成]
単核金属錯体(D)を以下の反応式に従って合成した。
Synthesis Example 4 [Synthesis of mononuclear metal complex (D)]
A mononuclear metal complex (D) was synthesized according to the following reaction formula.

Figure 2008258151
Figure 2008258151

0.250gの配位子と0.100gの酢酸ニッケル4水和物を含んだ30mlのエタノールを50mlのナスフラスコに入れ、80℃にて2時間攪拌した。生成した橙色沈殿を濾取してエタノールで洗浄後、真空乾燥することで単核金属錯体(D)を得た(収量0.242g:収率89%)。元素分析値(%):Calcd for C4236NiO;C,73.38;H,5.28;N,8.15.Found:C,72.42;H,5.27;N,7.96.ESI−MS[M+・]:687.1. 30 ml of ethanol containing 0.250 g of ligand and 0.100 g of nickel acetate tetrahydrate was placed in a 50 ml eggplant flask and stirred at 80 ° C. for 2 hours. The produced orange precipitate was collected by filtration, washed with ethanol, and then vacuum dried to obtain a mononuclear metal complex (D) (yield 0.242 g: 89% yield). Elemental analysis (%): Calcd for C 42 H 36 N 4 NiO 2; C, 73.38; H, 5.28; N, 8.15. Found: C, 72.42; H, 5.27; N, 7.96. ESI-MS [M +.]: 687.1.

合成例5[単核金属錯体(E)の合成]
単核金属錯体(E)を以下の反応式に従って合成した。
Synthesis Example 5 [Synthesis of Mononuclear Metal Complex (E)]
A mononuclear metal complex (E) was synthesized according to the following reaction formula.

Figure 2008258151
Figure 2008258151

0.315gの配位子と0.100gの酢酸銅1水和物を含んだ30mlのエタノールを50mlのナスフラスコに入れ、80℃にて2時間攪拌した。生成した黄土色沈殿を濾取してエタノールで洗浄後、真空乾燥することで単核金属錯体(E)を得た(収量0.250g:収率72%)。元素分析値(%):Calcd for C4236CuN;C,72.87;H,5.24;N,8.09.Found:C,72.22;H,5.37;N,7.77.ESI−MS[M+・]:692.1. 30 ml of ethanol containing 0.315 g of ligand and 0.100 g of copper acetate monohydrate was placed in a 50 ml eggplant flask and stirred at 80 ° C. for 2 hours. The produced ocherous precipitate was collected by filtration, washed with ethanol, and vacuum dried to obtain a mononuclear metal complex (E) (yield 0.250 g: yield 72%). Elemental analysis (%): Calcd for C 42 H 36 CuN 4 O 2; C, 72.87; H, 5.24; N, 8.09. Found: C, 72.22; H, 5.37; N, 7.77. ESI-MS [M +.]: 692.1.

合成例6[単核金属錯体(F)の合成]
単核金属錯体(F)を以下の反応式に従って合成した。
Synthesis Example 6 [Synthesis of Mononuclear Metal Complex (F)]
A mononuclear metal complex (F) was synthesized according to the following reaction formula.

Figure 2008258151
Figure 2008258151

0.440gの配位子と0.120gの酢酸鉄を含んだ30mlのエタノールを50mlのナスフラスコに入れ、80℃にて2時間攪拌した。生成した橙色沈殿を濾取してエタノールで洗浄後、真空乾燥することで単核金属錯体(F)を得た(収量0.380g:収率80%)。元素分析値(%):Calcd for C4236FeN;C,73.68;H,5.30;N,8.18.Found:C,72.20;H,5.42;N,7.85.ESI−MS[M+・]:684.0. 30 ml of ethanol containing 0.440 g of ligand and 0.120 g of iron acetate was placed in a 50 ml eggplant flask and stirred at 80 ° C. for 2 hours. The produced orange precipitate was collected by filtration, washed with ethanol, and then vacuum dried to obtain a mononuclear metal complex (F) (yield 0.380 g: yield 80%). Elemental analysis (%): Calcd for C 42 H 36 FeN 4 O 2; C, 73.68; H, 5.30; N, 8.18. Found: C, 72.20; H, 5.42; N, 7.85. ESI-MS [M +.]: 684.0.

実施例1(酸素還元能の評価)
[電極触媒の調製]
単核金属錯体(A)とカーボン担体(ケッチェンブラックEC300J、ライオン社製)を1:4の質量比で混合し、該混合物を、エタノール中、室温にて15分間攪拌後、室温にて1.5Torrの減圧下で12時間乾燥した。前記処理した混合物を管状炉を用いて200ml/minの窒素気流下において、800℃で2時間熱処理を行うことで電極触媒(A−1)を得た。
[電極の作成]
電極には、ディスク部がグラッシーカーボン(6.0mmφ)、リング部がPt(リング内径7.3mm、リング外径9.3mm)とするリングディスク電極を用いた。
電極触媒(A−1)1mgを入れたサンプル瓶へ、メタノールで1/50に希釈したスルホン酸基を有する全フッ素化イオノマー溶液(Aldrich社製、5質量%ナフィオン溶液)0.5mlを加えた後、超音波で分散処理を行った。得られた懸濁液10μLを上記電極のディスク部に滴下した後、室温にて30分間乾燥することにより、測定用電極を得た。
[回転リングディスク電極による酸素還元能の評価]
前記で作製した電極を回転させることにより、その時の酸素還元反応の電流値を評価した。測定は室温において窒素雰囲気下および酸素雰囲気下で行い、酸素雰囲気下での測定で得られた電流値から、窒素雰囲気下での測定で得られた電流値を引いた値を酸素還元の電流値をした。測定装置および測定条件は、以下の通りである。
Example 1 (Evaluation of oxygen reduction ability)
[Preparation of electrode catalyst]
A mononuclear metal complex (A) and a carbon support (Ketjen Black EC300J, manufactured by Lion Corporation) were mixed at a mass ratio of 1: 4, and the mixture was stirred in ethanol at room temperature for 15 minutes, and then at room temperature. Drying under reduced pressure of 5 Torr for 12 hours. The treated mixture was heat-treated at 800 ° C. for 2 hours under a nitrogen stream of 200 ml / min using a tubular furnace to obtain an electrode catalyst (A-1).
[Create electrode]
As the electrode, a ring disk electrode in which the disk part is glassy carbon (6.0 mmφ) and the ring part is Pt (ring inner diameter 7.3 mm, ring outer diameter 9.3 mm) was used.
To a sample bottle containing 1 mg of the electrode catalyst (A-1), 0.5 ml of a total fluorinated ionomer solution having a sulfonic acid group diluted to 1/50 with methanol (Aldrich 5 mass% Nafion solution) was added. Thereafter, a dispersion treatment was performed with ultrasonic waves. 10 μL of the obtained suspension was dropped on the disk part of the electrode, and then dried at room temperature for 30 minutes to obtain a measurement electrode.
[Evaluation of oxygen reduction ability by rotating ring disk electrode]
By rotating the electrode produced above, the current value of the oxygen reduction reaction at that time was evaluated. The measurement is performed at room temperature in a nitrogen atmosphere and an oxygen atmosphere, and the current value obtained by measurement in the nitrogen atmosphere is subtracted from the current value obtained in the measurement in the oxygen atmosphere. Did. The measurement apparatus and measurement conditions are as follows.

測定装置
回転リングディスク電極装置:日厚計測RRDE−1
デュアルポテンシオガルバノスタット:日厚計測モデルDPGS−1
ファンクションジェネレーター:東方技研モデルFG−02
測定条件
試験溶液:0.05mol/L硫酸水溶液
参照電極:可逆水素電極(RHE)
カウンター電極:白金ワイヤー
ディスク電位の掃引速度:5mV/s、リング電位 1.4V vs RHE
電極回転速度:600rpm
Measuring device Rotating ring disk electrode device: Day thickness measurement RRDE-1
Dual potentio galvanostat: thickness measurement model DPGS-1
Function generator: Toho Giken model FG-02
Measurement conditions Test solution: 0.05 mol / L sulfuric acid aqueous solution Reference electrode: Reversible hydrogen electrode (RHE)
Counter electrode: platinum wire Disk potential sweep rate: 5 mV / s, ring potential 1.4 V vs RHE
Electrode rotation speed: 600 rpm

電極触媒(A−1)の酸素還元の触媒活性を表1に示す。なお、触媒活性は、可逆水素電極に対して0.6Vにおける電流密度を電極への単位面積当たりの金属担持量で割った質量活性として示す。単核金属錯体(A)の熱処理物は、下記の比較例1に比べ酸素還元能に優れていることが分かる。   Table 1 shows the catalytic activity for oxygen reduction of the electrode catalyst (A-1). The catalytic activity is shown as mass activity obtained by dividing the current density at 0.6 V with respect to the reversible hydrogen electrode by the amount of metal supported per unit area on the electrode. It can be seen that the heat-treated product of the mononuclear metal complex (A) is superior in oxygen reducing ability as compared with Comparative Example 1 below.

前記操作において、単核金属錯体(A)を単核金属錯体(B)におきかえて、電極触媒(B)を調製した。上記の方法に従い、酸素還元能の評価を行った。結果を表1に示す。   In the said operation, the mononuclear metal complex (A) was replaced with the mononuclear metal complex (B), and the electrode catalyst (B) was prepared. The oxygen reduction ability was evaluated according to the above method. The results are shown in Table 1.

比較例1
単核金属錯体(C)とグラファイトパウダー(Aldrich;1−2μm)を1:4の重量比で混合し、該混合物を管状炉を用いて窒素気流下600℃で2時間熱処理を行うことで電極触媒(C)を得た。該電極触媒(C)の酸素還元能を実施例1に記載の方法に従い評価を行った。結果を表1に示す。芳香族複素環を有していない単核金属錯体(C)を用いて調製した電極触媒(C)の触媒活性は、電極触媒(A−1)および電極触媒(B)よりも大幅に低いことが分かる。
Comparative Example 1
The mononuclear metal complex (C) and graphite powder (Aldrich; 1-2 μm) are mixed at a weight ratio of 1: 4, and the mixture is heat-treated at 600 ° C. for 2 hours in a nitrogen stream using a tubular furnace. Catalyst (C) was obtained. The oxygen reduction ability of the electrode catalyst (C) was evaluated according to the method described in Example 1. The results are shown in Table 1. The catalytic activity of the electrocatalyst (C) prepared using the mononuclear metal complex (C) having no aromatic heterocycle is significantly lower than that of the electrocatalyst (A-1) and the electrocatalyst (B). I understand.

Figure 2008258151
Figure 2008258151

実施例2(密度汎関数による計算)
実施例1で用いた単核金属錯体(A)、単核金属錯体(B)、単核金属錯体(C)において、1つの酸素分子を吸着させて酸素分子吸着単核金属錯体とし、該1つの酸素分子を構成する2つの酸素原子のMulliken電荷を密度汎関数を用いて計算した。2つ酸素原子のMulliken電荷の差の絶対値、および2つの電荷の和を表2に示す。
Example 2 (Calculation by density functional)
In the mononuclear metal complex (A), mononuclear metal complex (B), and mononuclear metal complex (C) used in Example 1, one oxygen molecule is adsorbed to form an oxygen molecule-adsorbed mononuclear metal complex. The Mulliken charges of two oxygen atoms constituting one oxygen molecule were calculated using a density functional. Table 2 shows the absolute value of the difference between the Mulliken charges of the two oxygen atoms and the sum of the two charges.

Figure 2008258151
Figure 2008258151

実施例3(水素酸化能の評価)
[電極触媒の調製]
単核金属錯体(A)とカーボン担体(ケッチェンブラックEC300J、ライオン社製)を1:4の質量比で混合することで電極触媒(A−2)を調製した。
[電極の作成]
電極には、ディスク部がグラッシーカーボン(6.0mmφ)、リング部がPt(リング内径7.3mm、リング外径9.3mm)とするリングディスク電極を用いた。電極触媒1mgを入れたサンプル瓶へ、メタノールで1/50に希釈したスルホン酸基を有する全フッ素化イオノマー溶液(Aldrich社製、5質量%ナフィオン溶液)を0.5ml加えた後、超音波で分散処理を行った。得られた懸濁液10μLを上記電極のディスク部に適下した後、室温にて30分間乾燥することにより、測定用電極を得た。
[回転リングディスク電極による水素酸化能評価]
測定は室温において窒素雰囲気下および水素雰囲気下で行い、0.1Vにおける水素雰囲気下での測定によって得られた電流値から窒素雰囲気下での測定によって得られた電流値を引いた値を水素酸化の電流値とした。装置および測定条件は、以下のとおりである。
Example 3 (Evaluation of hydrogen oxidation ability)
[Preparation of electrode catalyst]
The electrode catalyst (A-2) was prepared by mixing the mononuclear metal complex (A) and the carbon support (Ketjen Black EC300J, manufactured by Lion Corporation) at a mass ratio of 1: 4.
[Create electrode]
As the electrode, a ring disk electrode in which the disk part is glassy carbon (6.0 mmφ) and the ring part is Pt (ring inner diameter 7.3 mm, ring outer diameter 9.3 mm) was used. 0.5 ml of a fully fluorinated ionomer solution having a sulfonic acid group diluted to 1/50 with methanol (Aldrich, 5% by mass Nafion solution) was added to a sample bottle containing 1 mg of an electrode catalyst, followed by ultrasonication. Distributed processing was performed. After applying 10 μL of the obtained suspension to the disk part of the electrode, the electrode for measurement was obtained by drying at room temperature for 30 minutes.
[Evaluation of hydrogen oxidation ability by rotating ring disk electrode]
Measurement is performed at room temperature in a nitrogen atmosphere and a hydrogen atmosphere, and a value obtained by subtracting a current value obtained by measurement in a nitrogen atmosphere from a current value obtained by measurement in a hydrogen atmosphere at 0.1 V is subjected to hydrogen oxidation. Current value. The apparatus and measurement conditions are as follows.

測定装置
回転リングディスク電極装置:日厚計測RRDE−1
デュアルポテンシオガルバノスタット:日厚計測DPGS−1
ファンクションジェネレーター:東方技研モデルFG−02
測定方法
リニアスウィ−プボルタンメトリー
測定条件
試験溶液:0.10mol/L過塩素酸水溶液
参照電極:可逆水素電極(RHE)
カウンター電極:白金ワイヤー
ディスク電位の掃引速度:5mV/s、リング電位 1.4V vs RHE
電極回転速度:300rpm
Measuring device Rotating ring disk electrode device: Day thickness measurement RRDE-1
Dual Potentiogalvanostat: Day thickness measurement DPGS-1
Function generator: Toho Giken model FG-02
Measurement method Linear sweep voltammetry Measurement conditions Test solution: 0.10 mol / L perchloric acid aqueous solution Reference electrode: Reversible hydrogen electrode (RHE)
Counter electrode: platinum wire Disk potential sweep rate: 5 mV / s, ring potential 1.4 V vs RHE
Electrode rotation speed: 300rpm

電極触媒(A−2)の水素酸化の質量活性を表3に示す。表3より、電極触媒(A−2)は、水素酸化能を有していることが分かる。ここで質量活性とは、可逆水素電極に対して0.1Vの電位における前記電流値を電極面積で除した後、電極単位面積あたりの金属担持量で除した値である。   Table 3 shows the mass activity of hydrogen oxidation of the electrode catalyst (A-2). From Table 3, it can be seen that the electrode catalyst (A-2) has hydrogen oxidizing ability. Here, the mass activity is a value obtained by dividing the current value at a potential of 0.1 V with respect to the reversible hydrogen electrode by the electrode area and then dividing by the amount of metal supported per electrode unit area.

前記操作において、単核金属錯体(A)を、単核金属錯体(D)、単核金属錯体(E)、単核金属錯体(F)におきかえて、それぞれ同様の操作を行い、水素酸化能の評価を行った。なお、単核金属錯体(E)については、単核金属錯体(E)とカーボン担体(ケッチェンブラックEC300J、ライオン社製)を1:4の質量比で混合した電極触媒(F−1)、およびそれを管状炉にて500℃2時間の熱処理を行った電極触媒(F−2)を調製し、それぞれ水素酸化能の評価を行った。結果を表3に示す。   In the above operation, the mononuclear metal complex (A) is replaced with the mononuclear metal complex (D), the mononuclear metal complex (E), and the mononuclear metal complex (F), and the same operation is performed, respectively. Was evaluated. In addition, about the mononuclear metal complex (E), the electrode catalyst (F-1) which mixed the mononuclear metal complex (E) and the carbon support | carrier (Ketjen Black EC300J, the Lion company make) by mass ratio of 1: 4, And the electrode catalyst (F-2) which performed the heat processing for 2 hours at 500 degreeC in the tubular furnace was prepared, and hydrogen oxidation ability was evaluated, respectively. The results are shown in Table 3.

Figure 2008258151
Figure 2008258151

Claims (8)

フェノール環を2つ以上と芳香族複素環を3つ以上とを有する有機化合物を配位子とする単核金属錯体を用いてなる燃料電池用電極触媒。   A fuel cell electrode catalyst using a mononuclear metal complex having an organic compound having two or more phenol rings and three or more aromatic heterocycles as a ligand. 前記単核金属錯体が下記式(I)で表されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極触媒。
Figure 2008258151
(式中、Rは、水素原子または置換基であり、隣合う2つのRは互いに連結していて
もよく、複数あるRは互いに同一であっても異なっていてもよい。Qは、少なくとも
1つの芳香族複素環を有する2価の有機基であり、Tは、少なくとも1つの芳香族複素環を有する1価の有機基であり、2つのTは、互いに同一でも異なっていてもよい。Mは遷移金属原子を表す。Xは、金属錯体を電気的に中性とする対イオン又は中性分子であり、nは、錯体中にあるXの個数であり、0以上の整数を表し、Xが複数ある場合それらは互いに同一でも異なっていてもよい。)
The fuel cell electrode catalyst according to claim 1, wherein the mononuclear metal complex is represented by the following formula (I).
Figure 2008258151
(In the formula, R 1 is a hydrogen atom or a substituent, and two adjacent R 1 s may be linked to each other, and a plurality of R 1 may be the same or different from each other. Q 1 Is a divalent organic group having at least one aromatic heterocycle, T 1 is a monovalent organic group having at least one aromatic heterocycle, and two T 1 are the same or different from each other M represents a transition metal atom, X represents a counter ion or neutral molecule that electrically neutralizes the metal complex, n represents the number of X in the complex, and is 0 or more. And when there are a plurality of X, they may be the same as or different from each other.)
式(I)のTを構成する芳香族複素環の共役酸の酸解離定数pKaが−2.0以上であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用電極触媒。 3. The fuel cell electrode catalyst according to claim 2, wherein the acid dissociation constant pKa of the conjugate acid of the aromatic heterocyclic ring constituting T 1 of the formula (I) is −2.0 or more. 前記単核金属錯体が、該単核金属錯体に1つの酸素分子を吸着させ、該1つの酸素分子を構成する2つの酸素原子のMulliken電荷を密度汎関数法で計算したとき、該2つの酸素原子のMulliken電荷の差の絶対値が0.020〜0.062であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の燃料電池用電極触媒。   When the mononuclear metal complex adsorbs one oxygen molecule to the mononuclear metal complex, and the Mulliken charges of two oxygen atoms constituting the one oxygen molecule are calculated by a density functional method, the two oxygen atoms The fuel cell electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the absolute value of the difference in the Mulliken charge of the atoms is 0.020 to 0.062. 前記単核金属錯体が、該単核金属錯体に1つの酸素分子を吸着させ、該1つの酸素分子を構成する2つの酸素原子のMulliken電荷を密度汎関数法で計算したとき、該2つの酸素原子のMulliken電荷の和が−0.25以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の燃料電池用電極触媒。   When the mononuclear metal complex adsorbs one oxygen molecule to the mononuclear metal complex, and the Mulliken charges of two oxygen atoms constituting the one oxygen molecule are calculated by a density functional method, the two oxygen atoms The fuel cell electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein the sum of Mulliken charges of atoms is -0.25 or more. 請求項1〜5の何れかに記載の単核金属錯体を250℃以上1500℃以下の温度にて加熱することにより得られる燃料電池用電極錯体。   An electrode complex for a fuel cell obtained by heating the mononuclear metal complex according to any one of claims 1 to 5 at a temperature of 250 ° C to 1500 ° C. 請求項1〜5の何れかに記載の単核金属錯体と、カーボン担体及び/又は導電性高分子とを含む単核金属錯体混合物を用いてなる燃料電池用電極触媒。   A fuel cell electrode catalyst comprising a mononuclear metal complex mixture comprising the mononuclear metal complex according to any one of claims 1 to 5 and a carbon support and / or a conductive polymer. 請求項1〜5の何れかに記載の単核金属錯体と、カーボン担体及び/又は導電性高分子とを含む単核金属錯体混合物を250℃以上1500℃以下の温度にて加熱することにより得られる燃料電池用電極触媒。   A mononuclear metal complex mixture comprising the mononuclear metal complex according to any one of claims 1 to 5 and a carbon support and / or a conductive polymer is obtained by heating at a temperature of 250 ° C to 1500 ° C. A fuel cell electrode catalyst.
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