JP2010030844A - Method for manufacturing carbon nitride porous material (mcn) - Google Patents

Method for manufacturing carbon nitride porous material (mcn) Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a carbon nitride porous material having controlled pore diameters, specific surface areas and specific pore volumes. <P>SOLUTION: The method for manufacturing a carbon nitride porous material (MCN) includes steps of: polymerizing a silica porous material SBA-15 with a mixture of ethylene, diamine and carbon tetrachloride, wherein the SBA-15 is subjected to a hydrothermal treatment at a temperature of 1×10<SP>2</SP>°C to 1.5×10<SP>2</SP>°C; carbonizing the polymeric material obtained by the polymerization step; and removing the silica porous material from the composite material obtained by the carbonization step. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化炭素多孔体の製造方法に関し、より詳細には、空間群p6mmを有するシリカ多孔体SBA−15と窒素及び炭素を含む原材料とが混合されて重合化された重合体を炭化し、その後に前記シリカ多孔体を除去する窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法に関し、テンプレートとしてシリカ多孔体SBA−15を用いた窒化炭素多孔体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a carbon nitride porous body, more specifically, carbonizing a polymer obtained by mixing a porous silica SBA-15 having a space group p6 mm and a raw material containing nitrogen and carbon to polymerize. Then, the present invention relates to a carbon nitride porous body (MCN) manufacturing method for removing the silica porous body, and to a carbon nitride porous body manufacturing method using silica porous body SBA-15 as a template.

近年、種々のシリカレプリカを用いて製造されたナノスケールの細孔を有する多孔体が注目されている。中でも、窒素を含有する炭素系多孔体は、吸着剤、分離剤、触媒単体、バッテリ電極、キャパシタ、エネルギー格納体等の種々の応用が期待されており、研究が盛んに行われている。   In recent years, porous bodies having nanoscale pores produced using various silica replicas have attracted attention. Among them, carbon-based porous bodies containing nitrogen are expected to be used in various applications such as adsorbents, separating agents, catalyst single bodies, battery electrodes, capacitors, energy storage bodies, and the like, and researches are being actively conducted.

本願発明者は、SBA−15を用いた窒化炭素多孔体の製造方法を開発した(例えば、特許文献1を参照。)。特許文献1によれば、窒素含有量の高い窒化炭素多孔体を得ることができるものの、用途に応じて孔径、比表面積および比孔容量が制御された窒化炭素多孔体を得るには至っていない。   The inventor of the present application has developed a method for producing a porous carbon nitride using SBA-15 (see, for example, Patent Document 1). According to Patent Document 1, although a carbon nitride porous body having a high nitrogen content can be obtained, a carbon nitride porous body in which the pore diameter, specific surface area, and specific pore volume are controlled according to the application has not been obtained.

特開2006−124250号公報JP 2006-124250 A

したがって、本発明の目的は、孔径、比表面積および比孔容量が制御された窒化炭素多孔体を製造する方法を提供することである。なお、本明細書において「窒化炭素」とはCの化学式を有する材料に限定されず、窒素原子および炭素原子からなる任意の化学式を有する材料を意図する。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a carbon nitride porous body having controlled pore diameter, specific surface area and specific pore volume. In this specification, “carbon nitride” is not limited to a material having a chemical formula of C 3 N 4 , and a material having an arbitrary chemical formula composed of a nitrogen atom and a carbon atom is intended.

発明1の窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法は、用いるシリカ多孔体SBA−15は、水熱処理により空間群p6mmを有さしめており、その水熱処理温度を空間群p6mmを有する範囲内において選定して、その孔径、比表面積および比孔容量を調整してあることを特徴とする。
発明2は、発明1の窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法において、前記水熱処理温度を1×10℃以上1.5×10℃以下の範囲で選択することを特徴とする。
発明31は、発明1又は2の窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法において、前記原材料がエチレンジアミンと四塩化炭素であることを特徴とする。
発明4は、発明3の方法において、前記原材料においてエチレンジアミンと四塩化炭素との質量比は、0.3以上0.9以下であることを特徴とする。
In the method for producing a carbon nitride porous body (MCN) of the invention 1, the silica porous body SBA-15 to be used has a space group p6 mm by hydrothermal treatment, and the hydrothermal treatment temperature is selected within a range having the space group p6 mm. The pore diameter, specific surface area and specific pore volume are adjusted.
Invention 2 is characterized in that, in the method for producing a carbon nitride porous body (MCN) of Invention 1, the hydrothermal treatment temperature is selected in the range of 1 × 10 2 ° C to 1.5 × 10 2 ° C.
Invention 31 is characterized in that in the method for producing a porous carbon nitride (MCN) of Invention 1 or 2, the raw materials are ethylenediamine and carbon tetrachloride.
Invention 4 is characterized in that, in the method of Invention 3, the mass ratio of ethylenediamine and carbon tetrachloride in the raw material is 0.3 or more and 0.9 or less.

本発明により、窒化炭素多孔体の単位格子定数、比表面積、比孔容量および孔径を、それぞれ以下の範囲内の所望値にして製造することができた。
単位格子定数9.5nm〜10.5nm、比表面積5×10/g〜8.3×10/g、比孔容量0.55cm/g〜1.25cm/gおよび孔径4.0nm〜6.5nm
According to the present invention, the unit cell constant, the specific surface area, the specific pore volume, and the pore diameter of the carbon nitride porous body can be manufactured to desired values within the following ranges, respectively.
Unit cell constants 9.5Nm~10.5Nm, specific surface area 5 × 10 2 m 2 /g~8.3×10 2 m 2 / g, Hiana capacity 0.55cm 3 /g~1.25cm 3 / g and Pore diameter 4.0nm-6.5nm

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明による窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法を示すフローチャートである。工程ごとに説明する。   FIG. 1 is a flowchart showing a method for producing a carbon nitride porous body (MCN) according to the present invention. Each process will be described.

工程S110:シリカ多孔体SBA−15とエチレンジアミン(EDA)と四塩化炭素(CTC)との混合物を重合化する。   Step S110: Polymerize a mixture of porous silica SBA-15, ethylenediamine (EDA), and carbon tetrachloride (CTC).

重合化は、大気中、70℃〜150℃の温度範囲から選択される温度範囲で1時間〜6時間加熱することによって行われる。加熱には、ホットプレート等の任意の加熱手段が用いられ得る。この加熱によって混合物のうちEDAが重合化され、重合化されたEDAを含む混合物が還流され、重合体が得られる。次いで、これらを攪拌することによってSBA−15の細孔に混合物が位置することになる。これにより良好に配列した窒化炭素多孔体(MCN)が得られる。   Polymerization is performed by heating in the air at a temperature range selected from a temperature range of 70 ° C to 150 ° C for 1 hour to 6 hours. Arbitrary heating means such as a hot plate can be used for heating. By this heating, EDA is polymerized in the mixture, and the mixture containing the polymerized EDA is refluxed to obtain a polymer. Then, the mixture is located in the pores of SBA-15 by stirring them. As a result, a well-aligned carbon nitride porous body (MCN) can be obtained.

SBA−15は、一次元中型細孔が微細孔に互いに連結された構造を有する。本発明で用いるSBA−15は、1×10℃以上1.5×10℃以下の温度で水熱処理されている。これにより、1×10℃以上1.5×10℃以下の温度で水熱処理されたSBA−15は、空間群p6mmであり、10.30nm〜10.83nmの範囲の単位格子定数、3.9×10/g〜9×10/gの比表面積、1.1cm/g〜1.2cm/gの比孔容量および9.00〜11.2nmの孔径を有する。 SBA-15 has a structure in which one-dimensional medium-sized pores are connected to each other with fine pores. SBA-15 used in the present invention is hydrothermally treated at a temperature of 1 × 10 2 ° C. or more and 1.5 × 10 2 ° C. or less. As a result, SBA-15 hydrothermally treated at a temperature of 1 × 10 2 ° C. to 1.5 × 10 2 ° C. has a space group of p6 mm, a unit cell constant in the range of 10.30 nm to 10.83 nm, 3 .9 × 10 2 m 2 / g~9 specific surface area of × 10 2 m 2 / g, a pore size of specific pore volume and 9.00~11.2nm of 1.1cm 3 /g~1.2cm 3 / g Have.

このようなSBA−15を用いれば、空間群p6mmを有する窒化炭素多孔体(MCN)が確実に得られる。また、SBA−15は、上記温度範囲で水熱処理されていれば、単位格子定数、比表面積、比孔容量および孔径について広い範囲の特性を有するので、得られるMCNもまたこれらを反映した広い範囲の特性を有することができる。例えば、高温で水熱処理されたSBA−15を用いた場合には、大きな孔径を有するMCNが得られ、低温で水熱処理されたSBA−15を用いた場合には、小さな孔径を有するMCNが得られる。より詳細には、単位格子定数9.5nm〜10.5nm、比表面積5×10/g〜8.3×10/g、比孔容量0.55cm/g〜1.25cm/gおよび孔径4.0nm〜6.5nmの範囲で制御可能な窒化炭素多孔体を得ることができる。このように、上記温度範囲で水熱処理されたSBA−15を適宜選択することによって所望の特性を有するMCNを得ることができるのは、用途に応じた設計が可能になるので好ましい。 If such SBA-15 is used, the carbon nitride porous body (MCN) which has space group p6mm will be obtained reliably. In addition, if SBA-15 is hydrothermally treated in the above temperature range, it has a wide range of characteristics with respect to unit cell constant, specific surface area, specific pore volume and pore size, and thus the obtained MCN also has a wide range reflecting these. It can have the following characteristics. For example, when SBA-15 hydrothermally treated at high temperature is used, MCN having a large pore diameter is obtained, and when SBA-15 hydrothermally treated at low temperature is used, MCN having a small pore diameter is obtained. It is done. More specifically, the unit lattice constants 9.5Nm~10.5Nm, specific surface area 5 × 10 2 m 2 /g~8.3×10 2 m 2 / g, Hiana volume 0.55 cm 3 / g to 1. A carbon nitride porous body that can be controlled within a range of 25 cm 3 / g and a pore diameter of 4.0 nm to 6.5 nm can be obtained. Thus, it is preferable that MCN having desired characteristics can be obtained by appropriately selecting SBA-15 that has been hydrothermally treated in the above temperature range, because design according to the application becomes possible.

より好ましくは、EDAとCTCとの重量比が0.3以上0.9以下となるように調整される。この範囲であれば、SBA−15の構造配向性を維持し、窒素含有量が制御されたMCNが得られる。EDAとCTCとの重量比が0.3を下回ると、後述の重合化が不十分となりMCNが得られない場合がある。また、EDAとCTCとの重量比が0.9を超えると、ゲル状の材料が得られ目的とするMCNが得られない場合がある。   More preferably, the weight ratio between EDA and CTC is adjusted to be 0.3 or more and 0.9 or less. If it is this range, MCN which maintained the structural orientation of SBA-15 and whose nitrogen content was controlled will be obtained. When the weight ratio of EDA and CTC is less than 0.3, the polymerization described later may be insufficient and MCN may not be obtained. On the other hand, if the weight ratio of EDA and CTC exceeds 0.9, a gel-like material may be obtained and the target MCN may not be obtained.

例えば、EDAとCTCとの重量比が小さいほど、小さな単位格子定数、面間隔および孔径を有し、かつ、大きな比孔容量および窒素含有量を有するMCNが得られ、重量比が大きいほど、大きな単位格子定数、面間隔および孔径を有し、かつ、小さな比孔容量および窒素含有量を有するMCNが得られる。一方、EDAとCTCとの重量比が0.45においてもっとも大きな比表面積(約8.2×10/g)を有するMCNが得られ、EDAとCTCとの重量比が0.45を境に比表面積は減少する。より詳細には、単位格子定数9.5nm〜11.5nm、比表面積5.5×10/g〜8.2×10/g、比孔容量0.7cm/g〜1.5cm/g、孔径3.2nm〜5.7nm、および、窒素含有量(炭素原子と窒素原子との比)3.3〜4.3の範囲で制御可能な窒化炭素多孔体を得ることができる。このように、SBA−15の水熱処理温度に加えて、EDAとCTCとの重量比を調整することによって、所望の特性を有するMCNが得られる。 For example, the smaller the weight ratio between EDA and CTC, the smaller the unit cell constant, the interplanar spacing, and the pore diameter, and the larger specific pore volume and nitrogen content, and the larger the weight ratio, the larger the MCN. An MCN having a unit cell constant, interplanar spacing and pore size, and a small specific pore volume and nitrogen content is obtained. On the other hand, MCN having the largest specific surface area (about 8.2 × 10 2 m 2 / g) is obtained when the weight ratio of EDA to CTC is 0.45, and the weight ratio of EDA to CTC is 0.45. The specific surface area decreases at the border. More specifically, the unit lattice constants 9.5Nm~11.5Nm, specific surface area 5.5 × 10 2 m 2 /g~8.2×10 2 m 2 / g, Hiana volume 0.7 cm 3 / g to A carbon nitride porous body that can be controlled within a range of 1.5 cm 3 / g, a pore diameter of 3.2 nm to 5.7 nm, and a nitrogen content (ratio of carbon atoms to nitrogen atoms) of 3.3 to 4.3 is obtained. be able to. Thus, MCN having desired characteristics can be obtained by adjusting the weight ratio of EDA and CTC in addition to the hydrothermal treatment temperature of SBA-15.

工程S120:工程S110で得られた重合体を炭化する。炭化は、窒素雰囲気下または不活性ガス雰囲気下、5×10℃〜8×10℃の温度範囲から選択される温度範囲で4時間〜8時間加熱することによって行われる。加熱には、電気炉等の任意の加熱手段が用いられ得る。この加熱によって、重合化されたEDAがCTCによって炭化される。このようにして、SBA−15の細孔内に得られた反応物が、窒化炭素多孔体(MCN)である。なお、炭化する前に、重合体を乾燥させ、微粒子化してもよい。これによって炭化時間を短縮させることができる。 Step S120: The polymer obtained in Step S110 is carbonized. Carbonization is performed by heating in a temperature range selected from a temperature range of 5 × 10 2 to 8 × 10 2 ° C for 4 to 8 hours in a nitrogen atmosphere or an inert gas atmosphere. Arbitrary heating means such as an electric furnace can be used for heating. By this heating, the polymerized EDA is carbonized by CTC. Thus, the reaction product obtained in the pores of SBA-15 is a carbon nitride porous body (MCN). In addition, before carbonization, the polymer may be dried to form fine particles. Thereby, the carbonization time can be shortened.

工程S130:工程S120で得られた炭化物からシリカ多孔体SBA−15を除去する。フッ酸またはアルカリ水溶液を用いてSBA−15をろ過することによって、生成物であるMCNのみを抽出することができる。なお、SBA−15を溶解させることができる任意のアルカリ水溶液を用いることができる。   Step S130: The porous silica SBA-15 is removed from the carbide obtained in Step S120. By filtering SBA-15 using hydrofluoric acid or an aqueous alkali solution, only the product MCN can be extracted. In addition, arbitrary alkaline aqueous solutions which can dissolve SBA-15 can be used.

工程S130の後、抽出された生成物を洗浄し乾燥してもよい。洗浄には、純水、蒸留水、または、エタノールが用いられる。乾燥は、ホットプレート等の任意の加熱手段を用いて行われ得る。   After step S130, the extracted product may be washed and dried. For cleaning, pure water, distilled water, or ethanol is used. Drying may be performed using any heating means such as a hot plate.

なお、工程S110で用いるシリカ多孔体SBA−15は、以下の手順で製造される。ポリエチレングリコール−ブロック−ポリプロピレングリコール−ブロック−ポリエチレングリコール(Pluronic P123, 分子量=5800, EO20PO20EO20)の両親媒性トリブロックコポリマと、酸と、ケイ素源とを混合・攪拌し、ゲルを得る。酸は、例えば、塩酸であり、ケイ素源は、例えば、テトラエチルオルソシリケート(TEOS)であるが、これらに限定されない。 In addition, the silica porous body SBA-15 used in step S110 is manufactured by the following procedure. Polyethylene glycol-block-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol (Pluronic P123, molecular weight = 5800, EO 20 PO 20 EO 20 ) amphiphilic triblock copolymer, acid and silicon source are mixed and stirred, and the gel is stirred. obtain. The acid is, for example, hydrochloric acid, and the silicon source is, for example, tetraethylorthosilicate (TEOS), but is not limited thereto.

ゲルを1×10℃以上1.5×10℃以下の温度範囲で水熱処理し、反応させる。反応時間は10時間〜24時間である。反応物を大気中540℃で焼成し、トリブロックコポリマを分解することにより、SBA−15が得られる。 The gel is hydrothermally treated in a temperature range of 1 × 10 2 ° C to 1.5 × 10 2 ° C and reacted. The reaction time is 10 to 24 hours. SBA-15 is obtained by calcining the reactant in the atmosphere at 540 ° C. and decomposing the triblock copolymer.

図2は、本発明による窒化炭素多孔体(MCN)の模式図である。   FIG. 2 is a schematic view of a carbon nitride porous body (MCN) according to the present invention.

窒化炭素多孔体(MCN)200は、窒化炭素からなる柱部(図2では円柱状の棒片で示される)と架橋部(図2では円柱状の小片で示される)とを含む。柱部は、六角形状に規則的に配列している。架橋部は、柱部に比べて極めて小さく、柱部を互いに結合している。これら柱部および架橋部は、いずれも窒化炭素からなる。MCN200において孔径は、柱部間の距離を意図する。本発明によるMCN200の孔径は、上記方法を採用すれば3.2nm〜6.5nmである。このような孔径は、種々の有機物、たんぱく質等の生体物質、ビタミンおよびアミノ酸等の直径に相当することから、これら物質をMCN200のメソポア中に固定化することができる。MCN200の比表面積は、5×10/g〜8.3×10/gの範囲を有し、外部物質の多量かつ繊細な吸着やそれに基づく物質センシングにに有利であり得る。 The carbon nitride porous body (MCN) 200 includes a pillar portion (indicated by a cylindrical bar piece in FIG. 2) and a bridge portion (indicated by a cylindrical small piece in FIG. 2) made of carbon nitride. The pillars are regularly arranged in a hexagonal shape. The bridging portion is extremely small as compared with the pillar portion, and joins the pillar portions to each other. Both of the column part and the bridge part are made of carbon nitride. In MCN200, a hole diameter intends the distance between pillar parts. The pore diameter of MCN200 according to the present invention is 3.2 nm to 6.5 nm when the above method is adopted. Such pore diameters correspond to the diameters of various organic substances, biological substances such as proteins, vitamins, amino acids and the like, and therefore these substances can be immobilized in the MCN200 mesopores. The specific surface area of MCN200 has a range of 5 × 10 2 m 2 /g~8.3×10 2 m 2 / g, can be advantageous in a large amount and delicate adsorption or substance sensing based thereon external substances .

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。   The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

テンプレートであるシリカ多孔体SBA−15を製造した。ポリエチレングリコール−ブロック−ポリプロピレングリコール−ブロック−ポリエチレングリコール(Pluronic P123, 分子量=5800, EO20PO20EO20, Aldrich製)の両親媒性トリブロックコポリマ(4g)を塩酸水溶液(120mL、2M)に分散させ、5時間攪拌した。 A porous silica SBA-15 as a template was produced. Disperse amphiphilic triblock copolymer (4 g) of polyethylene glycol-block-polypropylene glycol-block-polyethylene glycol (Pluronic P123, molecular weight = 5800, EO 20 PO 20 EO 20 , Aldrich) in aqueous hydrochloric acid (120 mL, 2M) And stirred for 5 hours.

その後、テトラエチルオルソシリケート(TEOS、9g)を加え、攪拌し、ゲルを得た。ゲルを40℃で24時間エージングした後、100℃、130℃および150℃で24時間水熱処理し、反応させた。水熱処理・反応後、得られた各反応物を大気中540℃で焼成し、トリブロックコポリマを分解した。このようにして得られたSBA−15を、SBA−15−T(T=100、130および150)と称する。Tは、水熱処理・反応温度を示す。   Thereafter, tetraethylorthosilicate (TEOS, 9 g) was added and stirred to obtain a gel. The gel was aged at 40 ° C. for 24 hours, and then hydrothermally treated at 100 ° C., 130 ° C. and 150 ° C. for 24 hours to be reacted. After the hydrothermal treatment and reaction, each reaction product obtained was fired at 540 ° C. in the atmosphere to decompose the triblock copolymer. SBA-15 thus obtained is referred to as SBA-15-T (T = 100, 130 and 150). T represents hydrothermal treatment / reaction temperature.

SBA−15−Tについて、Rigaku回折計を用いて粉末X線回折を行った。線源にはCuKα放射(λ=0.154nm)を用い、2θ=0.8°〜8°の範囲をステップ時間1秒で測定した。測定結果を図3に示す。   SBA-15-T was subjected to powder X-ray diffraction using a Rigaku diffractometer. CuKα radiation (λ = 0.154 nm) was used as the radiation source, and a range of 2θ = 0.8 ° to 8 ° was measured at a step time of 1 second. The measurement results are shown in FIG.

図3は、実施例1によるSBA−15−T(T=100、130および150)のXRDパターンを示す図である。   FIG. 3 is a diagram showing XRD patterns of SBA-15-T (T = 100, 130, and 150) according to Example 1.

いずれのXRDパターンも3つの明瞭な回折ピークを示した。回折ピークは、それぞれ低角側から(100)、(110)および(200)と指数付けされた。このことから、得られたSBA−15−Tは、いずれも、二次元六方晶格子(p6mm)であることが確認された。また、水熱処理温度が高温になるにしたがって、回折ピークが低角側にシフトすることが分かった。これは、面間隔dおよび単位格子定数が増大していることを示す。さらに、水熱処理温度が高温になるにしたがって、(110)の相対強度は増加し、(200)の相対強度は減少することが分かった。特に、SBA−15−150の(110)の相対強度がより高いことから、SBA−15−150の壁厚は、他のSBA−15−100および130に比べて薄いことが示唆される。表1に図3のXRDパターンから算出される単位格子定数を示す。   All XRD patterns showed three distinct diffraction peaks. The diffraction peaks were indexed as (100), (110) and (200) from the low angle side, respectively. From this, it was confirmed that the obtained SBA-15-T is a two-dimensional hexagonal lattice (p6 mm). It was also found that the diffraction peak shifted to the lower angle side as the hydrothermal treatment temperature increased. This indicates that the interplanar spacing d and the unit cell constant are increasing. Furthermore, it was found that the relative strength of (110) increases and the relative strength of (200) decreases as the hydrothermal treatment temperature increases. In particular, the higher relative strength of (110) of SBA-15-150 suggests that the wall thickness of SBA-15-150 is thinner than the other SBA-15-100 and 130. Table 1 shows unit cell constants calculated from the XRD pattern of FIG.

SBA−15−Tについて、比表面積・細孔分布測定装置(Autosorb 1、Quantachrome、USA)を用いて窒素吸脱着等温線(図示せず)を測定した。Barrett−Joyner−Halenda法により孔径分布、Brunauer−Emmett−Teller(BET)法により比表面積、および、孔容量を算出した。これらの結果を表1にまとめて示す。   For SBA-15-T, a nitrogen adsorption / desorption isotherm (not shown) was measured using a specific surface area / pore distribution measuring device (Autosorb 1, Quantachrome, USA). The pore diameter distribution was calculated by the Barrett-Joyner-Halenda method, the specific surface area and the pore volume were calculated by the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. These results are summarized in Table 1.

表1から水熱処理温度が増加するにつれて、単位格子定数および孔径の増大、および、比表面積の減少が示される。   Table 1 shows that the unit cell constant and the pore diameter increase and the specific surface area decrease as the hydrothermal treatment temperature increases.

次に、実施例1のシリカ多孔体をテンプレートに用いて、窒化炭素多孔体(MCN)を製造した。   Next, a porous carbon nitride (MCN) was produced using the porous silica of Example 1 as a template.

図4は、窒化炭素多孔体を製造するプロシージャを示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a procedure for manufacturing a carbon nitride porous body.

図4を参照し、MCNを製造するプロシージャを説明する。実施例1で得られたSBA−15−100(0.5g)と、エチレンジアミン(EDA、1.35g、Aldrich製)と、四塩化炭素(CTC、3g、Aldrich製)とを混合し、混合物(ゲル)を得た。ここで、ゲル中のEDAとCTCとの重量比は、0.45であった。   The procedure for manufacturing the MCN will be described with reference to FIG. SBA-15-100 (0.5 g) obtained in Example 1, ethylenediamine (EDA, 1.35 g, manufactured by Aldrich) and carbon tetrachloride (CTC, 3 g, manufactured by Aldrich) were mixed, and the mixture ( Gel). Here, the weight ratio of EDA and CTC in the gel was 0.45.

混合物を90℃で6時間還流・攪拌し、重合させた。得られた重合体は、暗褐色であった。重合体を12時間オーブンで乾燥させ、粉末化した。次に、粉末化された重合体を、50mL/分で窒素フローしながら、昇温速度3℃/分で600℃まで加熱し、600℃で5時間保持し、炭化した。   The mixture was refluxed and stirred at 90 ° C. for 6 hours to polymerize. The resulting polymer was dark brown. The polymer was dried in an oven for 12 hours and powdered. Next, the powdered polymer was heated to 600 ° C. at a temperature rising rate of 3 ° C./min while flowing nitrogen at 50 mL / min, and kept at 600 ° C. for 5 hours to be carbonized.

得られた炭化物(複合体)をフッ酸(5wt%)に溶解させ、残留するSBA−15−100を除去し、ろ過した。得られた試料をエタノールで数回洗浄し、100℃で乾燥させた。このようにして得られたMCNをMCN−1−100(またはMCN−1−100−0.45)と称する。   The obtained carbide (composite) was dissolved in hydrofluoric acid (5 wt%) to remove residual SBA-15-100 and filtered. The obtained sample was washed several times with ethanol and dried at 100 ° C. The MCN thus obtained is referred to as MCN-1-100 (or MCN-1-100-0.45).

MCN−1−100について、粉末X線回折(XRD)を行った。線源にはCuKα放射(λ=0.154nm)を用い、2θ=0.8°〜10°の範囲および2θ=10°〜80°の範囲をそれぞれステップ時間1秒で測定した。測定結果を図5および図6に示し、後述する。   X-ray powder diffraction (XRD) was performed on MCN-1-100. CuKα radiation (λ = 0.154 nm) was used as the radiation source, and the range of 2θ = 0.8 ° to 10 ° and the range of 2θ = 10 ° to 80 ° were measured at a step time of 1 second. The measurement results are shown in FIGS. 5 and 6 and will be described later.

MCN−1−100について、比表面積・細孔分布測定装置(Autosorb 1、Quantachrome、USA)を用いて窒素吸脱着等温線を測定した。サンプルを250℃で3時間デガスした後に−196℃にて測定した。結果を図8に示し、後述する。また、Barrett−Joyner−Halenda法を用いて、吸脱着等温線の吸着分岐から孔径分布を求めた。結果を図9に示し、後述する。さらに、窒素吸脱着等温線からBrunauer−Emmett−Teller(BET)法を用いて、比表面積を算出した。これらの結果を表3にまとめて示す。   About MCN-1-100, the nitrogen adsorption-desorption isotherm was measured using the specific surface area and pore distribution measuring apparatus (Autosorb 1, Quantachrome, USA). The sample was degassed at 250 ° C. for 3 hours and then measured at −196 ° C. The results are shown in FIG. 8 and will be described later. Moreover, the pore size distribution was calculated | required from the adsorption | suction branch of the adsorption / desorption isotherm using Barrett-Joyner-Halenda method. The results are shown in FIG. 9 and will be described later. Furthermore, the specific surface area was calculated from the nitrogen adsorption / desorption isotherm using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. These results are summarized in Table 3.

MCN−1−100の表面モルフォロジを、高解像度走査型電子顕微鏡(HRSEM、Hitachi S−4800)を用いて観察した。観察時の加速電圧は5.0kVであった。観察結果を図10に示し後述する。   The surface morphology of MCN-1-100 was observed using a high resolution scanning electron microscope (HRSEM, Hitachi S-4800). The acceleration voltage at the time of observation was 5.0 kV. The observation results are shown in FIG.

MCN−1−100について、Gatan−766エネルギー損失分光光度計およびYanaco MT−5 CHN分析装置を用いて、エネルギー損失(EEL)および元素分析を行った。結果を図15および表4に示し後述する。   MCN-1-100 was subjected to energy loss (EEL) and elemental analysis using a Gatan-766 energy loss spectrophotometer and a Yanaco MT-5 CHN analyzer. The results are shown in FIG. 15 and Table 4 and will be described later.

MCN−1−100について、200W Mg Kαプローブビームを備えたX線光電子分光装置(PHI−5400)を用いてX線光電子分光分析(XPS)を行った。測定に先立って、試料を高真空下にさらし、分析チャンバに設置した。測定はパスエネルギー20eVで行い、C1sおよびN1sスペクトルを記録した。なお、良好な信号対ノイズ比が得られるまで各スペクトル領域を繰り返し測定した。結果を図16に示し後述する。   MCN-1-100 was subjected to X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) using an X-ray photoelectron spectrometer (PHI-5400) equipped with a 200 W Mg Kα probe beam. Prior to measurement, the sample was exposed to high vacuum and placed in the analysis chamber. The measurement was performed with a pass energy of 20 eV, and C1s and N1s spectra were recorded. Each spectral region was repeatedly measured until a good signal-to-noise ratio was obtained. The results are shown in FIG.

MCN−1−100について、フーリエ変換赤外分光光度計(Nicolet Nexus 670)を用いて赤外吸収スペクトル(FT−IR)を測定した。測定は、KBrペレット法を採用し、測定波長領域4000cm−1〜950cm−1において、解像度2cm−1、平均200スキャン、透過モードで行った。なお、分光光度計のチャンバを連続的に乾燥大気でパージし、水蒸気を除去した。結果を図19に示し後述する。 About MCN-1-100, the infrared absorption spectrum (FT-IR) was measured using the Fourier-transform infrared spectrophotometer (Nicolet Nexus 670). Measurements employs a KBr pellet method, in the measurement wavelength range 4000cm -1 ~950cm -1, resolution 2 cm -1, an average of 200 scans were done in transparent mode. The spectrophotometer chamber was continuously purged with dry air to remove water vapor. The results are shown in FIG.

MCN−1−100について、UV−vis吸収スペクトルを測定した。測定結果を図20に示し、後述する。   The UV-vis absorption spectrum was measured for MCN-1-100. The measurement results are shown in FIG. 20 and will be described later.

実施例1で得られたSBA−15−130をテンプレートとして採用した以外は、実施例2と同様であるため説明を省略する。実施例2と同様に、ゲル中のEDAとCTCとの重量比は、0.45であった。このようにして得られたMCNをMCN−1−130(またはMCN−1−130−0.45)と称する。   Since it is the same as that of Example 2 except having employ | adopted SBA-15-130 obtained in Example 1 as a template, description is abbreviate | omitted. Similar to Example 2, the weight ratio of EDA to CTC in the gel was 0.45. The MCN thus obtained is referred to as MCN-1-130 (or MCN-1-130-0.45).

MCN−1−130について、実施例2と同様に、XRD、比表面積・細孔分布測定、HRSEM、EEL、XPSおよびFT−IRスペクトルを測定した。これらの測定結果を図5、図6、図8、図9、図11、図15、図17、図19、表3および表4に示し後述する。   For MCN-1-130, XRD, specific surface area / pore distribution measurement, HRSEM, EEL, XPS and FT-IR spectrum were measured in the same manner as in Example 2. These measurement results are shown in FIGS. 5, 6, 8, 9, 11, 11, 15, 17, 19, 3, and 4, and will be described later.

さらに、Gatan−766エネルギー損失分光光度計を備えた高分解能透過型電子顕微鏡(HRTEM、JEOL−3000FおよびJEOL−3100FEF)を用いて、MCN−1−130の観察を行った。2分〜5分間エタノール中で超音波処理したMCN−1−130をCu製格子上に堆積させて測定用試料とした。測定時の加速電圧は200kVであった。観察結果を図13に示し後述する。   Further, MCN-1-130 was observed using a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM, JEOL-3000F and JEOL-3100FEF) equipped with a Gatan-766 energy loss spectrophotometer. MCN-1-130 sonicated in ethanol for 2 to 5 minutes was deposited on a Cu grid to obtain a measurement sample. The acceleration voltage at the time of measurement was 200 kV. The observation results are shown in FIG.

MCN−1−130について、Bruker分光光度計を用いて13C NMRスペクトルを測定した。動作周波数75.49MHzとし双極子デカップリングマジック角回転を用いて、13Cスペクトルを得た。なお、リファレンスとしてテトラメチルシラン(TMS)を用いた。結果を図21に示し後述する。 For MCN-1-130, a 13 C NMR spectrum was measured using a Bruker spectrophotometer. A 13 C spectrum was obtained using a dipole decoupling magic angle rotation with an operating frequency of 75.49 MHz. Tetramethylsilane (TMS) was used as a reference. The results are shown in FIG. 21 and will be described later.

MCN−1−130(−0.45)について、触媒活性を調べた。アシル化剤として塩化ヘキサノイルを、溶媒としてヘプタンを用い、ベンゼンのフリーデル−クラフツアシル化反応を行った。具体的には、ベンゼン(150mg)と、塩化ヘキサノイル(50mg)と、ヘプタン(5g)中のMCN(25mg)との混合物を90℃で20時間攪拌した。得られた生成物をガスクロマトグラフィ(Shimadzu製GC−2010)により分析した。結果を表7に示し詳述する。   The catalytic activity of MCN-1-130 (−0.45) was examined. Friedel-Crafts acylation reaction of benzene was performed using hexanoyl chloride as an acylating agent and heptane as a solvent. Specifically, a mixture of benzene (150 mg), hexanoyl chloride (50 mg) and MCN (25 mg) in heptane (5 g) was stirred at 90 ° C. for 20 hours. The obtained product was analyzed by gas chromatography (GC-2010 manufactured by Shimadzu). The results are shown in Table 7 and described in detail.

実施例1で得られたSBA−15−150をテンプレートとして採用した以外は、実施例2と同様であるため、説明を省略する。実施例2と同様に、ゲル中のEDAとCTCとの重量比は、0.45であった。このようにして得られたMCNをMCN−1−150(またはMCN−1−150−0.45)と称する。   Since it is the same as that of Example 2 except having employ | adopted SBA-15-150 obtained in Example 1 as a template, description is abbreviate | omitted. Similar to Example 2, the weight ratio of EDA to CTC in the gel was 0.45. The MCN thus obtained is referred to as MCN-1-150 (or MCN-1-150-0.45).

MCN−1−150について、実施例3と同様に、XRD、比表面積・細孔分布測定、HRSEM、EEL、XPS、FT−IRスペクトル、HRTEMおよび13Cスペクトルを測定した。結果を図5、図6、図8、図9、図12、図14、図15、図18、図19、図21、表3および表4に示し後述する。 For MCN-1-150, XRD, specific surface area / pore distribution measurement, HRSEM, EEL, XPS, FT-IR spectrum, HRTEM and 13 C spectrum were measured in the same manner as in Example 3. The results are shown in FIGS. 5, 6, 8, 9, 12, 14, 15, 18, 19, 19, 21, 3 and 4 and will be described later.

実施例2〜4の実験条件を表2にまとめて示す。   The experimental conditions of Examples 2 to 4 are summarized in Table 2.

図5は、実施例2〜4の各MCNの低角側のXRDパターンを示す図である。   FIG. 5 is a diagram illustrating XRD patterns on the low-angle side of the MCNs of Examples 2 to 4.

図5のXRDパターンと、図3のXRDパターンとを比較すると、メインピークの位置および質が異なることが分かった。詳細には、MCN−1−100およびMCN−1−130のXRDパターンは、(100)、(110)および(200)に指数付けされる明瞭な3つの回折ピークを示し、テンプレートのSBA−15−100およびSBA−15−130のXRDパターンに良好な一致を示した。このことから、MCN−1−100およびMCN−1−130は、テンプレートを除去後も、高配向した二次元六方晶多孔体であり、空間群がp6mmであることが示された。すなわち、MCN−1−100およびMCN−1−130は、図2に模式的に示すように、壁に存在するミクロ孔で連結された円柱状の孔が六方晶に配列した構造を有する。   Comparing the XRD pattern of FIG. 5 with the XRD pattern of FIG. 3, it was found that the position and quality of the main peak were different. Specifically, the XRD patterns of MCN-1-100 and MCN-1-130 show three distinct diffraction peaks indexed at (100), (110) and (200), and the template SBA-15 There was good agreement with the XRD patterns of -100 and SBA-15-130. From this, it was shown that MCN-1-100 and MCN-1-130 are highly oriented two-dimensional hexagonal porous bodies even after removing the template, and the space group is p6 mm. That is, MCN-1-100 and MCN-1-130 have a structure in which cylindrical holes connected by micropores existing in the wall are arranged in a hexagonal crystal as schematically shown in FIG.

一方、MCN−1−150のXRDパターンは、シャープな(100)ピークと弱い(110)ピークとのみを示した。これは、表1に示されるように、テンプレートのSBA−15−150の孔径が増大したことによって、XRDパターンにおいて、得られるMCN−1−150のより高次の回折を損なっているものと考えられる。   On the other hand, the XRD pattern of MCN-1-150 showed only a sharp (100) peak and a weak (110) peak. As shown in Table 1, it is considered that the higher order diffraction of the obtained MCN-1-150 is impaired in the XRD pattern due to the increase in the pore size of the template SBA-15-150. It is done.

さらに、MCN−1−150の(110)ピークの強度は、他のMCN−1−100およびMCN−1−130のそれと比較してはるかに低い。これは、孔径の大きなSBA−15−150へのEDAおよびCTCの充填が不十分であったために、MCNが存在しない部分があるためである。そのため、MCNの内部と外部との間のX線回折の干渉によってピーク強度が低下する。しかしながら、MCN−1−150の(100)ピークは、シャープかつ明瞭であることから、テンプレートのSBA−15−150は構造上の配向性を維持しているものと類推できる。   Furthermore, the intensity of the (110) peak of MCN-1-150 is much lower compared to that of other MCN-1-100 and MCN-1-130. This is because there is a portion where MCN does not exist because SBA-15-150 having a large pore diameter is insufficiently filled with EDA and CTC. Therefore, the peak intensity decreases due to the interference of X-ray diffraction between the inside and outside of the MCN. However, since the (100) peak of MCN-1-150 is sharp and clear, it can be analogized that SBA-15-150 of the template maintains the structural orientation.

次に、テンプレートの孔径の増加(すなわち、水熱処理温度が高温になる)にともなって、得られるMCNの回折ピークは、低角側にシフトした。すなわち、水熱処理温度が高いテンプレートを用いるほど、得られるMCNの面間隔dおよび単位格子定数aが増大することが分かった(表3)。より詳細には、MCN−1−100、MCN−1−130およびMCN−1−150の単位格子定数aは、それぞれ、9.52nm、10.18nmおよび10.50nmと算出された。 Next, as the pore size of the template increased (that is, the hydrothermal treatment temperature increased), the MCN diffraction peak obtained shifted to the lower angle side. That is, it was found that as the template having a higher hydrothermal treatment temperature was used, the interplanar spacing d and unit cell constant a 0 of the obtained MCN increased (Table 3). More specifically, the unit cell constants a 0 of MCN-1-100, MCN-1-130, and MCN-1-150 were calculated to be 9.52 nm, 10.18 nm, and 10.50 nm, respectively.

図6は、実施例2〜4はのMCNの高角側のXRDパターンを示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing XRD patterns on the high angle side of MCNs of Examples 2 to 4.

いずれのMCNも、低角側の回折ピークに加えて、高角側、すなわち25.8°付近に単一のブロードな回折ピークを示した。この回折ピークは、面間隔dが3.42Åの中間相に相当し、多孔性でない窒化炭素球体で得られる面間隔dに一致した。このことから、得られたMCNの壁構造を考察した。   All MCNs showed a single broad diffraction peak on the high angle side, that is, around 25.8 °, in addition to the diffraction peak on the low angle side. This diffraction peak corresponds to an intermediate phase having an interplanar spacing d of 3.42 mm, and coincides with the interplanar spacing d obtained with a non-porous carbon nitride sphere. From this, the wall structure of the obtained MCN was considered.

図7は、本発明によるMCNの壁構造の模式図である。   FIG. 7 is a schematic view of an MCN wall structure according to the present invention.

図5および図6のXRDパターンから、本発明によって得られたMCNは、窒素原子が均一に分散し、グラフェン層に炭素原子と窒素原子との乱層配列が存在する、図7に示されるような壁構造を有することが分かった。   From the XRD patterns of FIGS. 5 and 6, the MCN obtained according to the present invention has nitrogen atoms uniformly dispersed, and a graphene layer has a turbulent arrangement of carbon atoms and nitrogen atoms, as shown in FIG. It was found to have a unique wall structure.

図8は、実施例2〜4の各MCNの窒素吸脱着等温線を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing nitrogen adsorption / desorption isotherms of MCNs of Examples 2 to 4.

図9は、実施例2〜4の各MCNのBJH孔径分布を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing a BJH pore size distribution of each MCN of Examples 2 to 4.

表3には、実施例2〜4の各MCNの図5、図8および図9から算出した単位格子定数、比表面積、比孔容量および孔径をまとめて示す。   Table 3 shows the unit cell constant, specific surface area, specific pore volume and pore diameter calculated from FIGS. 5, 8 and 9 for each MCN of Examples 2 to 4.

図8の等温線によれば、いずれも、H2型ヒステリシスループを有し、IUPACによるタイプIVに分類され、メソポアにおける毛細凝縮を特徴とする。このことから、得られたMCNは、いずれも、良好に配向したメソポアが存在する多孔体であることが分かった。詳細には、MCNの単位格子定数が大きくなるにつれて(すなわち、MCN−1−100、MCN−1−130、MCN−1−150の順に)、毛細凝縮ステップの位置は、相対圧力の低圧側から高圧側へとシフトした。特に、MCN−1−150の毛細凝縮ステップの位置は、もっとも高圧側にシフトし、孔径の拡大を示す。このことは、孔径の増加とともに、図5で説明した面間隔dの増加にも一致する。   According to the isotherm of FIG. 8, each has an H2 type hysteresis loop, is classified as type IV by IUPAC, and is characterized by capillary condensation in the mesopores. From this, it was found that all of the obtained MCNs are porous bodies in which well-oriented mesopores exist. Specifically, as the unit cell constant of MCN increases (that is, in order of MCN-1-100, MCN-1-130, MCN-1-150), the position of the capillary condensation step increases from the low pressure side of the relative pressure. Shifted to the high pressure side. In particular, the position of the capillary condensation step of MCN-1-150 is shifted to the highest pressure side, indicating an increase in the pore diameter. This coincides with the increase in the surface spacing d described with reference to FIG. 5 as the hole diameter increases.

図9の孔径分布によれば、テンプレートの孔径の増加にともなって(すなわち、SBA−15−100、SBA−15−130、SBA−15−150の順に)、MCNの孔径も増大した(すなわち、MCN−1−100、MCN−1−130、MCN−1−150の順)。   According to the pore size distribution of FIG. 9, with the increase in the pore size of the template (ie, in the order of SBA-15-100, SBA-15-130, SBA-15-150), the pore size of MCN also increased (ie, MCN-1-100, MCN-1-130, MCN-1-150 in this order).

詳細には、MCN−1−150の孔径分布のピークの半値幅は、MCN−1−100およびMCN−1−130のそれよりもはるかに大きかった。MCN−1−150は、もっとも大きな孔径を有しており、その孔径は約6.4nmであった。これは、孔径の大きなテンプレートSBA−15−150を用いたにもかかわらず、EDAとCTCとの重量比を孔径の小さなテンプレートSBA−15−100の場合と同じ0.45を採用したため、テンプレートに十分にEDAおよびCTCを充填できなかったためと考えられる。   Specifically, the half width of the peak of the pore size distribution of MCN-1-150 was much larger than that of MCN-1-100 and MCN-1-130. MCN-1-150 had the largest pore diameter, and the pore diameter was about 6.4 nm. This is because although the template SBA-15-150 having a large pore diameter was used, the same weight ratio of EDA and CTC as 0.45 as in the case of the template SBA-15-100 having a small pore diameter was adopted. This is probably because EDA and CTC could not be filled sufficiently.

再度、図8に戻り、MCN−1−130の等温線を参照すると、MCN−1−130の等温線の形状は、MCN−1−100およびMCN−1−150のそれとは異なる。MCN−1-130における等温線のシャープな上昇は、相対圧力0.8より高温側で生じた。このことは、MCN−1−130内に組織状のメソポアが存在していることを示唆する。   Returning to FIG. 8 again, referring to the isotherm of MCN-1-130, the shape of the isotherm of MCN-1-130 is different from that of MCN-1-100 and MCN-1-150. A sharp rise in the isotherm in MCN-1-130 occurred on the higher temperature side relative to 0.8 relative pressure. This suggests the presence of tissue mesopores in MCN-1-130.

図10は、実施例2のMCN−1−100のHRSEM像を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing an HRSEM image of MCN-1-100 of Example 2.

図11は、実施例3のMCN−1−130のHRSEM像を示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing an HRSEM image of MCN-1-130 of Example 3.

図12は、実施例4のMCN−1−150のHRSEM像を示す図である。   FIG. 12 is a diagram showing an HRSEM image of MCN-1-150 of Example 4.

図10〜図12を比較すると、図11(MCN−1−130)には、空隙(ボイド)が多数見られ、図10(MCN−1−100)および図12(MCN−1−150)には空隙は少なかった。図11によれば、空隙は均一に試料全体にわたって存在していることが分かる。   10 to 12, many voids are seen in FIG. 11 (MCN-1-130), and in FIG. 10 (MCN-1-100) and FIG. 12 (MCN-1-150) There were few voids. According to FIG. 11, it turns out that the space | gap exists uniformly over the whole sample.

さらにMCN−1−130に注目すると、表3によれば、MCN−1−130の比表面積および比孔容量は、MCN−1−100およびMCN−1−150のそれらよりもはるかに大きいことが分かった。具体的には、MCN−1−130の比表面積および比孔容量は、それぞれ、830m/gおよび1.25cm/gであった。一方、MCN−1−100およびMCN−1−150の比表面積および比孔容量は、それぞれ、505m/gおよび0.55cm/g、および、650m/gおよび0.89cm/gであった。 Further focusing on MCN-1-130, according to Table 3, the specific surface area and specific pore volume of MCN-1-130 are much larger than those of MCN-1-100 and MCN-1-150. I understood. Specifically, the specific surface area and specific pore capacity of MCN-1-130 were 830 m 2 / g and 1.25 cm 3 / g, respectively. On the other hand, the specific surface area and specific pore capacity of MCN-1-100 and MCN-1-150 are 505 m 2 / g and 0.55 cm 3 / g, and 650 m 2 / g and 0.89 cm 3 / g, respectively. there were.

図13は、実施例3のMCN−1−130のHRTEM像を示す図である。   FIG. 13 is a diagram showing an HRTEM image of MCN-1-130 of Example 3.

図14は、実施例4のMCN−1−150のHRTEM像を示す図である。   FIG. 14 is a diagram showing an HRTEM image of MCN-1-150 of Example 4.

図13および図14にはMCNの平面(左図)および断面(右図)を示す。図中、明るいコントラストの細長い片(ストリップ)は孔壁を表し、暗いコントラストの芯(コア)は空のチャネルを表す。なお、コントラストのパターンは、レンズのぴんぼけを調整させることにより変化することに留意されたい。   13 and 14 show a plane (left figure) and a cross section (right figure) of the MCN. In the figure, the bright contrast strips represent the pore walls and the dark contrast core represents the empty channel. It should be noted that the contrast pattern changes as the lens blur is adjusted.

図13および図14の平面図によれば、いずれのMCNも、500nm以上の長さの規則的な管が列状に並んだメソポアの線形配列を示す。図13および図14の断面図によれば、いずれのMCNも、均一な多孔体チャネルとともに、六方晶配列したハニカム状構造を示す。図13および図14の断面図から、MCN−1−150の孔径は、MCN−1−130のそれよりも大きく、図9の結果に一致する。   According to the plan views of FIGS. 13 and 14, each MCN shows a linear arrangement of mesopores in which regular tubes having a length of 500 nm or more are arranged in a line. According to the cross-sectional views of FIGS. 13 and 14, each MCN shows a honeycomb structure in which hexagonal crystals are arranged together with a uniform porous body channel. From the cross-sectional views of FIGS. 13 and 14, the hole diameter of MCN-1-150 is larger than that of MCN-1-130, which matches the result of FIG. 9.

図15は、実施例2〜4の各MCNの電子エネルギー損失(EEL)スペクトルを示す図である。   FIG. 15 is a diagram showing an electron energy loss (EEL) spectrum of each MCN of Examples 2 to 4.

表4は、実施例2〜4の各MCNの元素分析の結果を示す。EELスペクトルおよびCHN分析から算出される炭素原子と窒素原子との比は、4.3±0.05と算出された。この値は、化学重合法によって得られる無孔窒化炭素の値に良好に一致する。   Table 4 shows the results of elemental analysis of each MCN of Examples 2-4. The ratio of carbon atom to nitrogen atom calculated from the EEL spectrum and CHN analysis was calculated to be 4.3 ± 0.05. This value agrees well with the value of nonporous carbon nitride obtained by the chemical polymerization method.

また、表4によれば、Hおよび他の元素(Si、OまたはCl)が、テンプレートの除去後もMCN中に存在することが分かった。微量のHは、MCNの表面に吸着した水分またはエタノール、または、(後述される)MCN母体中のNH基によるものである。   Table 4 also shows that H and other elements (Si, O or Cl) are present in the MCN even after removal of the template. The trace amount of H is due to moisture or ethanol adsorbed on the surface of MCN, or NH groups in the MCN matrix (described later).

図15に示されるように、いずれのMCNのEELスペクトルの形状は同様であり、C−KエッジおよびN−Kエッジを示した。C−KエッジおよびN−Kエッジは、それぞれ、284eVおよび401eVに位置した。284eVにおけるピークは、1sからπへの遷移に起因しており、窒素原子に結合したトリゴナルsp混成炭素原子に起因する。一方、296eVを中心とするブロードなピークも見られるが、このピークは、軌道1s−σからの遷移に起因する。C−Kエッジに特徴的なσは、いずれのMCNにおいもて炭素原子がsp混成であることを示す。また、295eVにシャープなピークが存在しないことから、いずれのMCNにおいてもspC−N結合が存在しないことが分かった。N−Kエッジは、窒素原子が炭素とsp混成であることを示しており、C−Kエッジの解析結果に一致する。また、いずれのEELスペクトルも、酸素を含有する窒化炭素に見られる500eV以上のピークを示しておらず、得られたMCNが、主としてCおよびNから構成されていることを示す。 As shown in FIG. 15, the shape of the EEL spectrum of any MCN was the same, indicating a CK edge and an NK edge. The CK and NK edges were located at 284 eV and 401 eV, respectively. The peak at 284 eV is attributed to the transition from 1 s to π * and is attributed to the trigonal sp 2 hybrid carbon atom bonded to the nitrogen atom. On the other hand, a broad peak centered at 296 eV is also observed, but this peak is caused by a transition from the orbit 1s-σ * . The σ * characteristic of the CK edge indicates that the carbon atom is sp 2 hybridized in any MCN. Moreover, since there was no sharp peak at 295 eV, it was found that no sp 3 CN bond was present in any MCN. The NK edge indicates that the nitrogen atom is hybridized with carbon and sp 2 , and is consistent with the analysis result of the CK edge. In addition, none of the EEL spectra shows a peak of 500 eV or higher as seen in carbon nitride containing oxygen, indicating that the obtained MCN is mainly composed of C and N.

図16は、実施例2のMCN−1−100のC1sおよびN1sスペクトルを示す図である。   FIG. 16 is a diagram showing C1s and N1s spectra of MCN-1-100 of Example 2.

図17は、実施例3のMCN−1−130のC1sおよびN1sスペクトルを示す図である。   FIG. 17 is a diagram showing C1s and N1s spectra of MCN-1-130 of Example 3.

図18は、実施例4のMCN−1−150のC1sおよびN1sスペクトルを示す図である。   FIG. 18 is a diagram showing C1s and N1s spectra of MCN-1-150 of Example 4.

図16〜図18によれば、いずれのMCNのC1sおよびN1sスペクトルの形状、および、ピーク位置も同様であった。このことから、得られたMCNの性質および配位は、テンプレートに用いたSBA−15の孔径に影響されないことがわかった。なお、図16〜図18には、各MCNのCN母体中の炭素原子と窒素原子との間の化学結合の詳細を調べるために、C1sピークおよびN1sピークをGaussian−Lorenzian形へ逆重畳積分したスペクトルが示されている。   According to FIGS. 16-18, the shape of the C1s and N1s spectrum of any MCN and the peak position were the same. From this, it was found that the properties and coordination of the obtained MCN were not affected by the pore size of SBA-15 used for the template. 16 to 18, in order to examine the details of the chemical bond between the carbon atom and the nitrogen atom in the CN matrix of each MCN, the C1s peak and the N1s peak were reversely integrated into a Gaussian-Lorenzian form. The spectrum is shown.

C1sピークは、289.3eV、285.7eVおよび284.1eVの3つの結合エネルギーを有するピークに逆重畳積分された。一方、N1sピークは、397.8eVおよび400.2eVの結合エネルギーを有する2つのピークに逆重畳積分された。   The C1s peak was deconvolved and integrated with peaks having three binding energies of 289.3 eV, 285.7 eV and 284.1 eV. On the other hand, the N1s peak was inversely integrated with two peaks having binding energies of 397.8 eV and 400.2 eV.

図16〜図18のC1sスペクトルを参照すると、284.1eVを中心とするピークが、いずれのMCNにおいても観察される。このピークは、極めてシャープでもっとも高い強度を有する。このピークは、非晶質CN母体における純粋なグラファイトサイトに起因する。一方、285.7eVを中心とするピークは、芳香族構造内にある炭素原子に結合したsp炭素原子に起因する。289.3eVを中心とするピークは、NH基に結合する芳香環内のsp混成炭素原子に起因する。これらの結果は、無孔窒化炭素で報告されている値に良好に一致した。 With reference to the C1s spectra in FIGS. 16 to 18, a peak centered at 284.1 eV is observed in any MCN. This peak is very sharp and has the highest intensity. This peak is attributed to pure graphite sites in the amorphous CN matrix. On the other hand, the peak centered at 285.7 eV is attributed to the sp 2 carbon atom bonded to the carbon atom in the aromatic structure. The peak centered at 289.3 eV is due to the sp 2 hybridized carbon atom in the aromatic ring attached to the NH 2 group. These results were in good agreement with the values reported for nonporous carbon nitride.

図16〜図18のN1sスペクトルを参照すると、397.8eVおよび400.2eVを中心とするピークは、MCN中に2種類の炭素原子が存在することを示す。詳細には、397.8eVを中心とするピークは、グラファイト炭素原子と結合した窒素原子に起因し、400.2eVを中心とするピークは、sp炭素原子に三回対称で結合した炭素原子に起因するか、または、sp炭素原子および水素原子と結合した炭素原子に起因する。さらに、401eVより高結合エネルギー側にピークがないことから、MCNは、窒素分子から形成されるN−N結合配位を有さないことが分かった。これらの結果は、C1sスペクトルについて得られた結果と良好に一致する。 Referring to the N1s spectra of FIGS. 16-18, peaks centered at 397.8 eV and 400.2 eV indicate that there are two types of carbon atoms in the MCN. Specifically, the peak centered at 397.8 eV is due to the nitrogen atom bonded to the graphite carbon atom, and the peak centered at 400.2 eV is to the carbon atom bonded to the sp 2 carbon atom in a three-fold symmetry. Or due to a carbon atom bonded to an sp 2 carbon atom and a hydrogen atom. Furthermore, since there is no peak on the higher bond energy side than 401 eV, it was found that MCN has no NN bond coordination formed from nitrogen molecules. These results are in good agreement with the results obtained for the C1s spectrum.

N1sスペクトルの強度から、MCN中の窒素原子の相当量が、炭素原子と結合していることが分かる。さらに、図16〜図17から算出される窒素原子量が、CHN分析から得られる値に一致することを確認した。このことからも、窒素原子は、炭素原子と結合し、特に、MCNの外側のCN層中に均一に分散していることが示唆される。   From the intensity of the N1s spectrum, it can be seen that a considerable amount of nitrogen atoms in MCN are bonded to carbon atoms. Furthermore, it was confirmed that the amount of nitrogen atoms calculated from FIGS. 16 to 17 was consistent with the value obtained from CHN analysis. This also suggests that the nitrogen atoms are bonded to the carbon atoms and, in particular, are uniformly dispersed in the CN layer outside the MCN.

テンプレート除去後のMCNのXPS測定によれば、Oについて顕著なピークを示したが、C、NおよびOを除く他の元素については何らピークを示さなかった(図示せず)。このことから、得られたMCNにおいて検出される他の元素は、MCNの表面に吸着した水分、エタノール、大気OまたはCOによる酸素原子に起因すると推定できる。 According to the XPS measurement of MCN after template removal, a remarkable peak was shown for O, but no peaks were shown for other elements except C, N and O (not shown). From this, it can be presumed that other elements detected in the obtained MCN are caused by oxygen atoms due to moisture, ethanol, air O 2 or CO 2 adsorbed on the surface of the MCN.

図19は、実施例2〜4の各MCNのFT−IRスペクトルを示す図である。   FIG. 19 is a diagram showing an FT-IR spectrum of each MCN of Examples 2 to 4.

図19によれば、1257cm−1、1571cm−1および3412cm−1を中心とする主要な3つのブロードなバンドを示した。これらのバンドは、それぞれ、芳香族C−N伸縮結合、芳香環モードバンド、芳香環内にあるN−H基の伸縮モードに起因する。これらの結果は、無孔窒化炭素の結果と類似していることを確認した。 FIG. 19 shows three major broad bands centered around 1257 cm −1 , 1571 cm −1 and 3412 cm −1 . These bands are attributed to an aromatic CN stretch bond, an aromatic ring mode band, and an NH group stretch mode in the aromatic ring, respectively. These results were confirmed to be similar to those of non-porous carbon nitride.

図20は、実施例2のMCN−1−100のUV−vis吸収スペクトルを示す図である。   20 is a diagram showing a UV-vis absorption spectrum of MCN-1-100 of Example 2. FIG.

図20によれば、255nmおよび275nmを最大とする2つのピークを示した。これらのピークは、いずれも、典型的な、芳香族1,3,5−トリアジン化合物におけるπ→π電子遷移に起因する。さらに、MCN−1−100の吸収特性は、ナノポーラス窒化炭素材料のそれに類似していることが分かった。 According to FIG. 20, two peaks with the maximum at 255 nm and 275 nm were shown. These peaks are all attributed to π → π * electron transition in a typical aromatic 1,3,5-triazine compound. Furthermore, the absorption properties of MCN-1-100 were found to be similar to that of nanoporous carbon nitride materials.

図21は、実施例3および4の各MCNのDD−MASスペクトルを示す図である。   FIG. 21 is a diagram showing a DD-MAS spectrum of each MCN of Examples 3 and 4.

図21から得られたMCNの壁構造における炭素原子および窒素原子の性質および環境を調べた。いずれのスペクトルもショルダーを伴うシャープなピークを示した。このピークは、124ppmおよび141ppmの化学シフトを有する2つのピークに逆重畳積分され得る。124ppmの化学シフトは、グラファイト炭素層におけるsp炭素原子に起因し、141ppmの化学シフトは、末端NH基に結合した芳香環における窒素原子に結合したsp炭素原子に起因する。なお、MCN−1−130およびMCN−1−150の固体状態15N分光分析も行ったが、各MCN中の窒素量が極めて低いため、15NDD−MASスペクトルは得られなかった。 The nature and environment of carbon atoms and nitrogen atoms in the wall structure of MCN obtained from FIG. 21 were examined. Each spectrum showed a sharp peak with a shoulder. This peak can be deconvolution integrated into two peaks with chemical shifts of 124 ppm and 141 ppm. Chemical shifts of 124ppm is due to the sp 2 carbon atoms between the graphitic carbon layer, the chemical shifts of 141ppm is due to sp 2 carbon atom attached to the nitrogen atom in the aromatic ring bonded to the terminal NH 2 group. In addition, solid state 15 N spectroscopic analysis of MCN-1-130 and MCN-1-150 was also performed, but a 15 NDD-MAS spectrum was not obtained because the amount of nitrogen in each MCN was extremely low.

以上、実施例2〜4を参照して、テンプレートであるSBA−15として、種々の水熱処理温度で処理されたSBA−15−Tを採用してMCNを製造した例を説明してきた。SBA−15の水熱処理温度が、130℃以上150℃以下の範囲であれば、空間群p6mmを有するMCNが得られることが分かった。また、高い水熱処理温度で合成されたSBA−15を採用すれば、大きな孔径を有するMCNが得られ、低い水熱処理温度で合成されたSBA−15を採用すれば、小さな孔径を有するMCNが得られることが分かった。さらに、130℃の水熱処理温度で合成されたSBA−15を採用すれば、もっとも比表面積および比孔容量の大きなMCNが得られることが分かった。これらより、種々の水熱処理温度で合成されたSBA−15をテンプレートとして適宜採用することにより、所望の孔径、比表面積および比孔容量を有するMCNを得ることができることが分かった。   As mentioned above, with reference to Examples 2-4, the example which manufactured MCN using SBA-15-T processed by various hydrothermal treatment temperature as SBA-15 which is a template has been demonstrated. It was found that when the hydrothermal treatment temperature of SBA-15 is in the range of 130 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, MCN having a space group p6 mm can be obtained. In addition, if SBA-15 synthesized at a high hydrothermal treatment temperature is employed, MCN having a large pore diameter can be obtained, and if SBA-15 synthesized at a low hydrothermal treatment temperature is employed, MCN having a small pore diameter can be obtained. I found out that Furthermore, it has been found that when SBA-15 synthesized at a hydrothermal treatment temperature of 130 ° C. is employed, MCN having the largest specific surface area and specific pore volume can be obtained. From these, it was found that MCN having a desired pore diameter, specific surface area and specific pore volume can be obtained by appropriately adopting SBA-15 synthesized at various hydrothermal treatment temperatures as a template.

ゲル中のEDAとCTCとの重量比を0.3とした以外は、実施例3と同様であるため説明を省略する。このようにして得られたMCNをMCN−1−130−0.3と称する。   Since it is the same as that of Example 3 except having set the weight ratio of EDA and CTC in a gel to 0.3, description is abbreviate | omitted. The MCN thus obtained is referred to as MCN-1-130-0.3.

MCN−1−130−0.3について、実施例3と同様に、XRD、比表面積・細孔分布測定、HRSEMおよび触媒活性を測定した。結果を図22〜図26、図29、表6および表7に示し、後述する。   For MCN-1-130-0.3, XRD, specific surface area / pore distribution measurement, HRSEM and catalytic activity were measured in the same manner as in Example 3. The results are shown in FIGS. 22 to 26, FIG. 29, Table 6 and Table 7, and will be described later.

ゲル中のEDAとCTCとの重量比を0.6とした以外は、実施例3と同様であるため説明を省略する。このようにして得られたMCNをMCN−1−130−0.6と称する。   Since it is the same as that of Example 3 except having set the weight ratio of EDA and CTC in a gel to 0.6, description is abbreviate | omitted. The MCN thus obtained is referred to as MCN-1-130-0.6.

MCN−1−130−0.6について、実施例3と同様に、XRD、比表面積・細孔分布測定、HRSEMおよび触媒活性を測定した。結果を図22〜図25、図27、図29、表6および表7に示し、後述する。   For MCN-1-130-0.6, XRD, specific surface area / pore distribution measurement, HRSEM and catalytic activity were measured in the same manner as in Example 3. The results are shown in FIGS. 22 to 25, FIG. 27, FIG. 29, Table 6 and Table 7, and will be described later.

ゲル中のEDAとCTCとの重量比を0.9とした以外は、実施例3と同様であるため説明を省略する。このようにして得られたMCNをMCN−1−130−0.9と称する。   Since it is the same as that of Example 3 except having set the weight ratio of EDA and CTC in a gel to 0.9, explanation is omitted. The MCN thus obtained is referred to as MCN-1-130-0.9.

MCN−1−130−0.9について、実施例3と同様に、XRD、比表面積・細孔分布測定、HRSEM、EELおよび触媒活性を測定した。結果を図22〜図25、図28〜図30、表6および表7に示し、後述する。   For MCN-1-130-0.9, XRD, specific surface area / pore distribution measurement, HRSEM, EEL and catalytic activity were measured in the same manner as in Example 3. The results are shown in FIGS. 22 to 25, FIGS. 28 to 30, Tables 6 and 7, and will be described later.

実施例3および実施例5〜7の実験条件を表5にまとめて示す。   Table 5 summarizes the experimental conditions of Example 3 and Examples 5-7.

図22は、実施例5〜7の各MCNの低角側のXRDパターンを示す図である。   FIG. 22 is a diagram illustrating XRD patterns on the low angle side of the MCNs of Examples 5 to 7.

図22には実施例3のMCN−1−130−0.45のXRDパターンも合せて示す。いずれのMCNのXRDパターンも、二次元六方格子の空間群p6mmの(100)、(110)および(200)回折に指数付けされる2つの高次のピークを示した。このことから、いずれのMCNも長期の周期にわたって六方格子に配向した均一なメソポーラス構造を有しており、ゲル中のEDAとCTCとの重量比を変化させても、構造配向性に影響がないことが分かった。   FIG. 22 also shows the XRD pattern of MCN-1-130-0.45 of Example 3. The XRD pattern of any MCN showed two higher order peaks indexed to the (100), (110) and (200) diffractions of the space group p6 mm of the two-dimensional hexagonal lattice. Therefore, any MCN has a uniform mesoporous structure oriented in a hexagonal lattice over a long period, and even if the weight ratio between EDA and CTC in the gel is changed, the structural orientation is not affected. I understood that.

より詳細には、ゲル中のEDAとCTCとの重量比が増加するにつれて(すなわち、MCN−1−130−0.3、MCN−1−130−0.45、MCN−1−130−0.6、MCN−1−130−0.9の順に)、ピークは低角側にシフトした。このことは、MCNの面間隔dおよび単位格子定数は、ゲル中の組成比(すなわち、EDA/CTC)を変化させることによって、制御できることを示す。   More specifically, as the weight ratio of EDA to CTC in the gel increases (ie, MCN-1-130-0.3, MCN-1-130-0.45, MCN-1-130-0. 6 in order of MCN-1-130-0.9), the peak shifted to the lower angle side. This indicates that the interplanar spacing d and unit cell constant of MCN can be controlled by changing the composition ratio (ie, EDA / CTC) in the gel.

単位格子定数は、EDAとCTCとの重量比が0.3から0.9に増加するにつれて、9.7nmから11.3nmまで増加した。すなわち、ゲル中のEDA量を増加させれば、反応物の密度が減少し、その結果、多孔体母体内への反応分子の拡散が促進され、存在するすべての吸着サイトにアクセスできる。このことは、EDAとCTCとの完全な重合化を促進させ、テンプレートであるSBA−15のボイドやメソポーラスの空間にCN高分子母体の確実な充填を可能にする。さらに、メソポア内におけるCN母体の高い圧縮が生じるので、より大きな単位格子定数を有するMCNが得られる。EDAとCTCとの重量比の増加に伴う単位格子定数および面間隔dの増大により、MCNの孔構造もまた拡大する。   The unit cell constant increased from 9.7 nm to 11.3 nm as the weight ratio of EDA to CTC increased from 0.3 to 0.9. That is, if the amount of EDA in the gel is increased, the density of the reactant is reduced, and as a result, the diffusion of the reactive molecule into the porous matrix is promoted, and all the existing adsorption sites can be accessed. This promotes complete polymerization of EDA and CTC, and enables reliable filling of the CN polymer matrix in the voids and mesoporous spaces of the template SBA-15. Furthermore, high compression of the CN matrix within the mesopores results in an MCN having a larger unit cell constant. Due to the increase in unit cell constant and interplanar spacing d with increasing weight ratio of EDA to CTC, the pore structure of MCN also expands.

図23は、実施例5〜7の各MCNの窒素吸脱着等温線を示す図である。   FIG. 23 is a diagram showing nitrogen adsorption / desorption isotherms of MCNs of Examples 5 to 7.

図23には、実施例3のMCN−1−130−0.45の窒素吸脱着等温線も合せて示す。図23の等温線によれば、いずれも、H2型ヒステリシスループを有し、IUPACによるタイプIVに分類され、メソポアにおける毛細凝縮を特徴とする。詳細には、メソポアの直径に関連する毛細凝縮ステップは、EDAとCTCとの重量比が増加するにつれて、高相対圧力側へとシフトした。このことは、EDAとCTCとの重量比が増加するにつれて、MCNの孔径も増大することを示唆する。   FIG. 23 also shows the nitrogen adsorption / desorption isotherm of MCN-1-130-0.45 of Example 3. According to the isotherm of FIG. 23, all have an H2 type hysteresis loop, are classified into type IV by IUPAC, and are characterized by capillary condensation in mesopores. Specifically, the capillary condensation step related to mesopore diameter shifted to higher relative pressure as the weight ratio of EDA to CTC increased. This suggests that the MCN pore size increases as the weight ratio of EDA to CTC increases.

図23において、MCN−1−130−0.3およびMCN−1−130−0.45の等温線の形状と、MCN−1−130−0.6およびMCN−1−130−0.9の等温線の形状とは、全く異なる。MCN−1−130−0.3およびMCN−1−130−0.45の等温線には、高相対圧力側においてシャープな上昇が見られた。このことは、EDAとCTCとの重合化が不十分であるため(すなわち、EDAとCTCとの重量比が小さいため)に生じる粒子間のボイド空間によって生成された組織状のメソポアが存在することを示唆する。この結果、MCN−1−130−0.3およびMCN−1−130−0.45は、大きなメソポアおよび比孔容量を有する。   In FIG. 23, the shape of the isotherm of MCN-1-130-0.3 and MCN-1-130-0.45, and that of MCN-1-130-0.6 and MCN-1-130-0.9 The shape of the isotherm is completely different. In the isotherms of MCN-1-130-0.3 and MCN-1-130-0.45, a sharp increase was observed on the high relative pressure side. This means that there is a textured mesopore generated by the void space between the particles, which is caused by insufficient polymerization of EDA and CTC (ie, because the weight ratio of EDA and CTC is small). To suggest. As a result, MCN-1-130-0.3 and MCN-1-130-0.45 have a large mesopore and specific pore capacity.

図24は、実施例5〜7の各MCNのBJH孔径分布を示す図である。   FIG. 24 is a diagram showing a BJH pore size distribution of each MCN of Examples 5 to 7.

図24には、実施例3のMCN−1−130−0.45のBJH孔径分布も合せて示す。図24の孔径分布によれば、EDAとCTCとの重量比の増加にともなって(すなわち、重量比が0.3、0.45、0.6、0.9の順に)、MCNの孔径も増大した(すなわち、MCN−1−130−0.3、MCN−1−130−0.45、MCN−1−130−0.6、MCN−1−130−0.9の順に)。この結果は、図22のXRDパターンから得られた単位格子定数の変化に良好に一致する。   FIG. 24 also shows the BJH pore size distribution of MCN-1-130-0.45 of Example 3. According to the pore size distribution of FIG. 24, with the increase in the weight ratio of EDA and CTC (that is, the weight ratio is in the order of 0.3, 0.45, 0.6, 0.9), the pore size of MCN Increased (ie, MCN-1-130-0.3, MCN-1-130-0.45, MCN-1-130-0.6, MCN-1-130-0.9 in this order). This result agrees well with the change in the unit cell constant obtained from the XRD pattern of FIG.

図25は、実施例3および実施例5〜7のMCNの比表面積、比孔容量および孔径のEDAとCTCとの重量比依存性を示す図である。   FIG. 25 is a diagram showing the weight ratio dependence of EDA and CTC of specific surface area, specific pore volume and pore size of MCN of Example 3 and Examples 5-7.

図25によれば、MCNの比孔容量は、EDAとCTCとの重量比が増大するにつれて、1.5cm/gから0.7cm/gまで規則的に減少した。一方、MCNの比表面積は、EDAとCTCとの重量比が0.3から0.45まで増大するにつれ、731cm/gから818cm/gまで上昇し、EDAとCTCとの重量比が0.45から0.9まで増大するにつれ、818cm/gから552cm/gまで減少した。MCNの孔径は、EDAとCTCとの重量比が増大するにつれて、3.2nmから5.7nmまで増大した。このように、本発明によれば、EDAとCTCとの重量比を制御することによって、目的に応じた比表面積、比孔容量および孔径を有するMCNを得ることができることが示された。 According to FIG. 25, the ratio pore volume of the MCN, as the weight ratio of EDA and CTC increases and decreases regularly from 1.5 cm 3 / g to 0.7 cm 3 / g. On the other hand, the specific surface area of the MCN, as the weight ratio of EDA and CTC increases from 0.3 to 0.45, up from 731cm 2 / g to 818cm 2 / g, the weight ratio of EDA and CTC 0 As increases from .45 to 0.9, was reduced from 818cm 2 / g to 552cm 2 / g. The MCN pore size increased from 3.2 nm to 5.7 nm as the weight ratio of EDA to CTC increased. Thus, according to the present invention, it was shown that MCN having a specific surface area, specific pore volume, and pore size according to the purpose can be obtained by controlling the weight ratio between EDA and CTC.

図26は、実施例5のMCNのHRSEM像を示す図である。   FIG. 26 is a diagram showing an HRSEM image of MCN of Example 5.

図27は、実施例6のMCNのHRSEM像を示す図である。   FIG. 27 is a diagram showing an HRSEM image of MCN in Example 6.

図28は、実施例7のMCNのHRSEM像を示す図である。   FIG. 28 is a diagram showing an HRSEM image of MCN of Example 7.

図26〜図27に加えて、図11の実施例3のMCNのHRSEM像を参照し、詳述する。いずれも、テンプレートのSBA−15と同様のロッド状モルフォロジとともにボイド空間を示した。EDAとCTCとの重量比が減少するにつれて(すなわち、図28、図27、図11および図26の順)、ボイド空間のサイズが増大することが確認できた。これは、EDAとCTCとの重量比が小さいと、反応混合物の重合化が完全に進行しないためである。重合化が不十分であると、炭化時にCN壁から結合の弱い有機種の分解が促進し、ロッド状CN壁に多数のボイド空間、すなわち、テクスチャ状のメソポアが生じる。その結果、EDAとCTCとの重量比が小さなMCNは、大きなメソポアおよび大きな比孔容量を有することになる。なお、EDAとCTCとの比が1.2を超えると、厚いゲル状材料が得られ、極めて低い比表面積および比孔容量を示し、目的とするMCNが得られなかった(図示せず)。   In addition to FIGS. 26 to 27, the HRSEM image of the MCN of Example 3 in FIG. 11 will be described in detail. All showed void space with a rod-like morphology similar to the template SBA-15. It was confirmed that the size of the void space increased as the weight ratio of EDA to CTC decreased (that is, in the order of FIG. 28, FIG. 27, FIG. 11 and FIG. 26). This is because when the weight ratio of EDA and CTC is small, the polymerization of the reaction mixture does not proceed completely. Insufficient polymerization promotes the decomposition of weakly bound organic species from the CN wall during carbonization, and a large number of void spaces, that is, textured mesopores are generated in the rod-like CN wall. As a result, MCN with a small weight ratio of EDA to CTC will have a large mesopore and a large specific pore volume. When the ratio of EDA to CTC exceeded 1.2, a thick gel-like material was obtained, an extremely low specific surface area and specific pore volume were exhibited, and the intended MCN was not obtained (not shown).

図29は、窒素含有量のEDAとCTCとの重量比依存性を示す図である。   FIG. 29 is a diagram showing the weight ratio dependency of the nitrogen content between EDA and CTC.

図29によれば、MCN中の窒素含有量は、EDAとCTCとの重量比を調整することによって容易に制御できることが分かる。詳細には、窒素含有量の高いMCNを得る場合には、EDAとCTCとの重量比が大きいことが好ましく、窒素含有量の低いMCNを得る場合には、EDAとCTCとの重量比が小さいことが好ましい。表6に実施例3、実施例5〜7のCHN分析の結果を示す。   According to FIG. 29, it can be seen that the nitrogen content in MCN can be easily controlled by adjusting the weight ratio of EDA and CTC. In detail, when obtaining MCN with high nitrogen content, it is preferable that the weight ratio of EDA and CTC is large, and when obtaining MCN with low nitrogen content, the weight ratio of EDA and CTC is small. It is preferable. Table 6 shows the results of CHN analysis of Example 3 and Examples 5-7.

表6によれば、EDAとCTCとの重量比が0.3から0.9まで増加するにつれて、炭素原子と窒素原子との比は、4.5から3.3まで減少した、すなわち、窒素含有量が増大した。   According to Table 6, as the weight ratio of EDA to CTC increased from 0.3 to 0.9, the ratio of carbon to nitrogen decreased from 4.5 to 3.3, ie, nitrogen The content increased.

図30は、実施例7のMCNのEELスペクトルを示す図である。   FIG. 30 is a diagram showing an EEL spectrum of MCN of Example 7.

図30には、図15に示す実施例3のMCNのEELスペクトルの結果も合せて示す。スペクトルは、いずれも、284eVおよび401eVにピークを示した。これらのピークは、それぞれ、炭素原子(C−Kエッジ:炭素k殻電子による吸収)および窒素原子(N−Kエッジ:窒素k殻電子による吸収)が存在することを示唆している。401eVのピークは、炭素原子とsp混成した窒素原子に相当する。注目すべきは、実施例7のMCNの401eVピーク強度は、実施例3のそれよりもはるかに高く、ピーク面積と各元素の弾性散乱確率とから炭素原子と窒素原子との比を求めたところ、CHN分析の結果に良好に一致した。 FIG. 30 also shows the result of the EEL spectrum of the MCN of Example 3 shown in FIG. Both spectra showed peaks at 284 eV and 401 eV. These peaks suggest the presence of carbon atoms (CK edge: absorption by carbon k-shell electrons) and nitrogen atoms (NK edge: absorption by nitrogen k-shell electrons), respectively. The peak at 401 eV corresponds to a nitrogen atom hybridized with a carbon atom and sp 2 . It should be noted that the MCN of Example 7 has a 401 eV peak intensity much higher than that of Example 3, and the ratio of carbon atom to nitrogen atom was determined from the peak area and the elastic scattering probability of each element. It was in good agreement with the results of CHN analysis.

図29、図30および表6から、EDAとCTCとの重量比の増大にともなうMCN中の窒素含有量の急激な増大は、EDAとCTCとの重量比が大きい場合におけるEDAとCTCとの重合化の程度に起因すると考えられる。これは、重合化が十分に進行した母体であれば、炭化時に母体から窒素原子が抜けるのを抑制することができるためである。   From FIG. 29, FIG. 30 and Table 6, the rapid increase in the nitrogen content in MCN accompanying the increase in the weight ratio between EDA and CTC indicates the polymerization of EDA and CTC when the weight ratio between EDA and CTC is large. This is thought to be due to the degree of conversion. This is because if the matrix is sufficiently polymerized, it is possible to suppress the escape of nitrogen atoms from the matrix during carbonization.

次に、MCNの触媒活性について表7に示す。   Next, Table 7 shows the catalytic activity of MCN.

表7によれば、実施例5のMCN−1−130−0.3が最も高い変換率と、カプロフェノンに対する100%の生成物選択性とを示した。EDAとCTCとの重量比が小さいと、上述したようにEDAとCTCとの不十分な重合化によりMCNのCN壁中に欠陥が生じる。この欠陥は多数のイミン基およびアミノ基から構成されており、その結果、実施例5のMCNがもっとも高い触媒活性を有することになる。   According to Table 7, MCN-1-130-0.3 of Example 5 showed the highest conversion and 100% product selectivity for caprophenone. When the weight ratio between EDA and CTC is small, defects are generated in the CN wall of MCN due to insufficient polymerization of EDA and CTC as described above. This defect is composed of a large number of imine groups and amino groups, and as a result, the MCN of Example 5 has the highest catalytic activity.

以上、実施例3および実施例5〜7を参照して、EDAとCTCとの重量比を変化させたMCNを製造した例を説明してきた。EDAとCTCとの重量比を制御することによって、MCNの比表面積、比孔容量、孔径および窒素含有量を調整できることが分かった。   In the above, the example which manufactured MCN which changed the weight ratio of EDA and CTC was demonstrated with reference to Example 3 and Examples 5-7. It was found that the specific surface area, specific pore volume, pore size and nitrogen content of MCN can be adjusted by controlling the weight ratio between EDA and CTC.

以上説明してきたように、本発明による方法によれば、100℃以上150℃以下の温度で水熱処理されたSBA−15を用いるので、単位格子定数9.5nm〜10.5nm、比表面積500m/g〜830m/g、比孔容量0.55cm/g〜1.25cm/gおよび孔径4.0nm〜6.5nmの範囲で制御可能な窒化炭素多孔体を得ることができる。さらにEDAとCTCとの重量比を制御すれば、さらに窒素含有量が制御された窒化炭素多孔体を得ることができる。このようにして得られた窒化炭素多孔体は、吸着剤、分離剤、触媒単体、バッテリ電極、キャパシタ、エネルギー格納体に適用可能である。 As described above, according to the method of the present invention, since SBA-15 hydrothermally treated at a temperature of 100 ° C. or higher and 150 ° C. or lower is used, the unit cell constant is 9.5 nm to 10.5 nm, and the specific surface area is 500 m 2. / g~830m 2 / g, can be obtained Hiana capacity 0.55cm 3 /g~1.25cm 3 / g and controllable in a range of pore sizes 4.0nm~6.5nm a carbon nitride porous body. Furthermore, if the weight ratio of EDA and CTC is controlled, a carbon nitride porous body in which the nitrogen content is further controlled can be obtained. The carbon nitride porous body thus obtained can be applied to an adsorbent, a separating agent, a single catalyst, a battery electrode, a capacitor, and an energy storage body.

本発明による窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法を示すフローチャートThe flowchart which shows the manufacturing method of the carbon nitride porous body (MCN) by this invention 本発明による窒化炭素多孔体(MCN)の模式図Schematic diagram of porous carbon nitride (MCN) according to the present invention 実施例1によるSBA−15−T(T=100、130および150)のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of SBA-15-T (T = 100, 130, and 150) by Example 1. 窒化炭素多孔体を製造するプロシージャを示す図The figure which shows the procedure which manufactures the carbon nitride porous body 実施例2〜4の各MCNの低角側のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the low angle side of each MCN of Examples 2-4 実施例2〜4の各MCNの高角側のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the high angle side of each MCN of Examples 2-4 本発明によるMCNの壁構造の模式図Schematic diagram of wall structure of MCN according to the present invention 実施例2〜4の各MCNの窒素吸脱着等温線を示す図The figure which shows the nitrogen adsorption-and-desorption isotherm of each MCN of Examples 2-4. 実施例2〜4の各MCNのBJH孔径分布を示す図The figure which shows BJH hole diameter distribution of each MCN of Examples 2-4 実施例2のMCN−1−100のHRSEM像を示す図The figure which shows the HRSEM image of MCN-1-100 of Example 2. 実施例3のMCN−1−130のHRSEM像を示す図The figure which shows the HRSEM image of MCN-1-130 of Example 3. 実施例4のMCN−1−150のHRSEM像を示す図The figure which shows the HRSEM image of MCN-1-150 of Example 4. 実施例3のMCN−1−130のHRTEM像を示す図The figure which shows the HRTEM image of MCN-1-130 of Example 3. 実施例4のMCN−1−150のHRTEM像を示す図The figure which shows the HRTEM image of MCN-1-150 of Example 4. 実施例2〜4の各MCNの電子エネルギー損失(EEL)スペクトルを示す図The figure which shows the electronic energy loss (EEL) spectrum of each MCN of Examples 2-4. 実施例2のMCN−1−100のC1sおよびN1sスペクトルを示す図The figure which shows the C1s and N1s spectrum of MCN-1-100 of Example 2. 実施例3のMCN−1−130のC1sおよびN1sスペクトルを示す図The figure which shows C1s and N1s spectrum of MCN-1-130 of Example 3 実施例4のMCN−1−150のC1sおよびN1sスペクトルを示す図The figure which shows the C1s and N1s spectrum of MCN-1-150 of Example 4 実施例2〜4の各MCNのFT−IRスペクトルを示す図The figure which shows the FT-IR spectrum of each MCN of Examples 2-4. 実施例2のMCN−1−100のUV−vis吸収スペクトルを示す図The figure which shows the UV-vis absorption spectrum of MCN-1-100 of Example 2. 実施例3および4の各MCNのDD−MASスペクトルを示す図The figure which shows DD-MAS spectrum of each MCN of Example 3 and 4 実施例5〜7の各MCNの低角側のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of the low angle side of each MCN of Examples 5-7 実施例5〜7の各MCNの窒素吸脱着等温線を示す図The figure which shows the nitrogen adsorption-and-desorption isotherm of each MCN of Examples 5-7. 実施例5〜7の各MCNのBJH孔径分布を示す図The figure which shows BJH hole diameter distribution of each MCN of Examples 5-7 実施例3および実施例5〜7のMCNの比表面積、比孔容量および孔径のEDAとCTCとの重量比依存性を示す図The figure which shows the weight ratio dependence of EDA and CTC of the specific surface area of MCN of Example 3 and Examples 5-7, a specific pore volume, and a pore diameter. 実施例5のMCNのHRSEM像を示す図The figure which shows the HRSEM image of MCN of Example 5. 実施例6のMCNのHRSEM像を示す図The figure which shows the HRSEM image of MCN of Example 6. 実施例7のMCNのHRSEM像を示す図The figure which shows the HRSEM image of MCN of Example 7. 窒素含有量のEDAとCTCとの重量比依存性を示す図Figure showing the weight ratio dependence of nitrogen content between EDA and CTC 実施例7のMCNのEELスペクトルを示す図The figure which shows the EEL spectrum of MCN of Example 7.

符号の説明Explanation of symbols

200 窒化炭素多孔体(MCN)   200 Carbon nitride porous material (MCN)

Claims (4)

空間群p6mmを有するシリカ多孔体SBA−15と窒素及び炭素を含む原材料とが混合されて重合化された重合体を炭化し、その後に前記シリカ多孔体を除去する窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法であって、
前記シリカ多孔体SBA−15は、水熱処理により空間群p6mmを有さしめてあり、その水熱処理温度を空間群p6mmを有する範囲内において選定して、その孔径、比表面積および比孔容量を調整してあることを特徴とする窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法。
A carbon nitride porous body (MCN) in which a porous polymer SBA-15 having a space group of p6 mm and a raw material containing nitrogen and carbon are mixed to carbonize a polymerized polymer, and then the silica porous body is removed. A manufacturing method comprising:
The porous silica SBA-15 has a space group p6 mm by hydrothermal treatment, and the hydrothermal treatment temperature is selected within the range having the space group p6 mm to adjust its pore diameter, specific surface area and specific pore volume. A method for producing a carbon nitride porous body (MCN), wherein
請求項1に記載の窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法において、前記水熱処理温度を1×10℃以上1.5×10℃以下の範囲で選択することを特徴とする窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法。 2. The method for producing a porous carbon nitride (MCN) according to claim 1, wherein the hydrothermal treatment temperature is selected in a range of 1 × 10 2 ° C to 1.5 × 10 2 ° C. Manufacturing method of body (MCN). 請求項1又は2に記載の窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法において、前記原材料がエチレンジアミンと四塩化炭素であることを特徴とする窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法。 The method for producing a porous carbon nitride (MCN) according to claim 1 or 2, wherein the raw materials are ethylenediamine and carbon tetrachloride. 請求項3に記載の方法において、前記原材料においてエチレンジアミンと四塩化炭素との質量比は、0.3以上0.9以下であることを特徴とする、窒化炭素多孔体(MCN)の製造方法。   The method according to claim 3, wherein a mass ratio of ethylenediamine and carbon tetrachloride in the raw material is 0.3 or more and 0.9 or less.
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