JP2010084094A - Organometallic polymer structure, oxygen reduction catalyst and method for producing the same - Google Patents

Organometallic polymer structure, oxygen reduction catalyst and method for producing the same Download PDF

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Tetsuaki Hirayama
哲章 平山
Hideto Imai
英人 今井
Tadashi Matsumoto
匡史 松本
Masahiro Suguro
雅博 須黒
Onchi Okamoto
穏治 岡本
Hidekazu Kimura
英和 木村
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organometallic polymer structure having improved oxygen-reduction activity compared with conventional polymer structures by increasing the amount of a coordinated metal in a metal-coordinated polymer. <P>SOLUTION: The organometallic polymer structure comprises: a polymer containing a π-conjugated system in the main chain; a counter ion introduced into the polymer, containing an anionic group having an organic skeleton, and expanding space between the polymer chains; and a metal coordinated to the polymer. The space between the polymer chains is expanded by the introduction of the counter ion. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、本発明は、水溶液中における酸素還元反応を促進する触媒に関し、特に燃料電池、空気電池等の電気化学デバイスの電極に用いられる触媒および電極触媒の構造、構成、および製造方法に関する。   The present invention relates to a catalyst that promotes an oxygen reduction reaction in an aqueous solution, and more particularly to a catalyst used for an electrode of an electrochemical device such as a fuel cell and an air cell, and a structure, configuration, and manufacturing method of the electrode catalyst.

燃料電池や空気電池は、空気中などの酸素を酸化剤とし、酸化剤と燃料となる化合物や負極活物質との化学反応のエネルギーを電気エネルギーとして取り出す電気化学エネルギーデバイスである。   A fuel cell or an air cell is an electrochemical energy device that uses oxygen in the air as an oxidant and extracts energy of a chemical reaction between the oxidant and a fuel compound or a negative electrode active material as electric energy.

これらの電池はリチウム(Li)イオン電池などの2次電池よりも高い理論エネルギー容量を持ち、車載用電源、家庭や工場などの定置式分散電源、あるいは携帯電子機器用の電源などとして利用することができる。   These batteries have higher theoretical energy capacity than secondary batteries such as lithium (Li) ion batteries, and should be used as in-vehicle power supplies, stationary distributed power supplies in homes and factories, or power supplies for portable electronic devices. Can do.

燃料電池や空気電池の酸素極側では、酸素が還元される電気化学反応が起こる。   On the oxygen electrode side of the fuel cell or air cell, an electrochemical reaction in which oxygen is reduced occurs.

酸素還元は比較的低温では進行しにくい反応であり、一般的には白金(Pt)などの貴金属触媒により反応を促進させるが、それでも燃料電池や空気電池のエネルギー変換効率を制限する主な要因のひとつとなっている。   Oxygen reduction is a reaction that does not proceed easily at relatively low temperatures, and is generally promoted by a noble metal catalyst such as platinum (Pt), but it is still a major factor that limits the energy conversion efficiency of fuel cells and air cells. It has become one.

そのため、白金微粒子触媒を上回る酸素還元活性を示す触媒の実現が大きな課題のひとつである。   Therefore, the realization of a catalyst that exhibits an oxygen reduction activity that exceeds the platinum fine particle catalyst is one of the major issues.

酸素還元触媒には、主に貴金属の白金(Pt)やその合金で平均粒径がナノメートルサイズの微粒子をカーボンブラック等の比表面積の大きな担体上に担持させたものが用いられている。   As the oxygen reduction catalyst, a precious metal platinum (Pt) or an alloy thereof having fine particles having an average particle size of nanometer size supported on a carrier having a large specific surface area such as carbon black is used.

Ptは酸素を水に還元する電気化学反応に対して既知の触媒の中では比較的高い酸素還元活性を示すが、実用上はそれでも不十分で、上記用途の電源として用いるには大量のPtが必要である。   Pt exhibits a relatively high oxygen reduction activity among known catalysts for electrochemical reactions that reduce oxygen to water, but it is still insufficient for practical use, and a large amount of Pt is required for use as a power source for the above applications. is necessary.

Ptは希少かつ高価であり、大量のPtを電極触媒として用いることはコスト面で実用上問題がある。従って、さらなる微細化によって白金の比表面積を増やしたり合金化によって白金量を減らしつつ触媒活性を上げたり、白金を使用しない触媒の開発が大きな技術課題とされている。   Pt is rare and expensive, and using a large amount of Pt as an electrode catalyst has a practical problem in terms of cost. Therefore, the development of a catalyst that does not use platinum is considered as a major technical issue, such as increasing the specific surface area of platinum by further miniaturization or increasing the catalytic activity while reducing the amount of platinum by alloying.

白金を使用しない触媒としては、例えば、フタロシアニンやポルフィリンなどの有機骨格に原子・イオン状の金属が配位した金属系大環状化合物が知られている(非特許文献1)。   As a catalyst that does not use platinum, for example, a metal-based macrocyclic compound in which an atom / ionic metal is coordinated to an organic skeleton such as phthalocyanine or porphyrin is known (Non-patent Document 1).

これらの触媒は白金以外の比較的安価な金属でも配位させることが可能であり、また金属の微粒子触媒を用いる場合より金属使用量が少なくなると期待される。   These catalysts can be coordinated with a relatively inexpensive metal other than platinum, and the amount of metal used is expected to be smaller than when a metal fine particle catalyst is used.

しかしながら、大半の金属系大環状化合物が示す触媒活性はPtに比べるとかなり低い。さらに酸性溶液中では非常に不安定で、酸素還元反応とともに分解するので長期間安定して燃料電池や空気電池を動作させることができない。   However, the catalytic activity of most metal macrocycles is much lower than that of Pt. Furthermore, it is very unstable in an acidic solution and decomposes together with the oxygen reduction reaction, so that the fuel cell and the air cell cannot be operated stably for a long time.

一方、特許文献1は、ポルフィリンや、フタロシアニンといった大環状分子ではなく、高分子に金属を配位させた金属配位高分子からなる酸素還元触媒を提供している(特許文献1)。   On the other hand, Patent Document 1 provides an oxygen reduction catalyst composed of a metal coordination polymer in which a metal is coordinated to a polymer, not a macrocyclic molecule such as porphyrin or phthalocyanine (Patent Document 1).

このような構造においては、酸に耐性のある高分子を用いることで酸性電解液中においても高い耐久性が期待できる。また金属を単原子状で用いるので、金属使用量およびコストを大幅に削減できる。   In such a structure, high durability can be expected even in an acidic electrolyte by using a polymer resistant to acid. Further, since the metal is used in a monoatomic form, the amount of metal used and the cost can be greatly reduced.

さらに、最適な構造の高分子を用いることで、2電子反応(式1)と4電子反応(式2)の2つの酸素還元反応経路の内より大きな電力を取り出せる4電子反応に都合の良い酸素分子のブリッジタイプ吸着(非特許文献2)が起こる触媒反応サイト構造を作り、酸素還元触媒能そのものを向上させることもできる。   Furthermore, by using a polymer having an optimal structure, oxygen that is convenient for a four-electron reaction that can extract larger electric power than two oxygen reduction reaction paths of a two-electron reaction (formula 1) and a four-electron reaction (formula 2). A catalytic reaction site structure in which molecular bridge-type adsorption (Non-patent Document 2) occurs can be made to improve the oxygen reduction catalytic ability itself.

+2H+2e→2OH (式1)
+4H+4e→2HO (式2)
O 2 + 2H + + 2e → 2OH (Formula 1)
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (Formula 2)

一方、非特許文献3では、記載の金属配位高分子として最も高活性なコバルト配位ポリピロールを作製し、Coとピロール環に含まれるNとの原子数比を調べた結果、Co原子はN原子20個に対して1つ程度の割合でしか配位していない事が判明した(非特許文献3)。   On the other hand, in Non-Patent Document 3, a cobalt coordination polypyrrole having the highest activity as the metal coordination polymer described was prepared, and the atomic ratio between Co and N contained in the pyrrole ring was examined. It has been found that coordination is carried out only at a rate of about 1 per 20 atoms (Non-Patent Document 3).

特開2005−66592号公報JP 2005-66592 A R.Jasinski,”A New Fuel Cell Cathode Catalyst”, Nature,201,1964, p.1212R. Jasinski, “A New Fuel Cell Cathode Catalyst”, Nature, 201, 1964, p.1212 E.Yeager, ”Electrocatalysts for O2 reduction”,Electrochim.Acta. ,29, 1984, p.1527,E. Yeager, “Electrocatalysts for O2 reduction”, Electrochim. Acta., 29, 1984, p. 1527, M.Yuasa,”Modifying Carbon Particles with Polypyrrole for Absorption of Cobalt Ions as Electrocatalystic Site for Oxygen Reduction”, Chem. Mater , 17, 2005, p4278M. Yuasa, “Modifying Carbon Particles with Polypyrrole for Absorption of Cobalt Ions as Electrocatalystic Site for Oxygen Reduction”, Chem. Mater, 17, 2005, p4278

上記のように、酸素還元触媒として高い可能性を持つ金属配位高分子であるが、触媒活性サイトである配位金属量は高々数%(原子%)と低く、白金に匹敵するほどの高い触媒活性が得られていないという課題がある。   As mentioned above, it is a metal coordination polymer that has high potential as an oxygen reduction catalyst, but the amount of coordination metal that is a catalytically active site is as low as several percent (atomic%) at most, and it is as high as platinum. There is a problem that catalytic activity is not obtained.

金属配位高分子の触媒としての能力を最大限に引き出すためには、金属配位量をさらに増やす必要がある。   In order to maximize the ability of the metal coordination polymer as a catalyst, it is necessary to further increase the amount of metal coordination.

本発明は上記の背景を鑑みて行われたものであり、その目的は金属配位高分子に含まれる配位金属量を従来よりも増加させ酸素還元活性を向上させた有機金属高分子構造体を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above background, and its object is to increase the amount of coordination metal contained in the metal coordination polymer as compared with the conventional metalorganic polymer structure with improved oxygen reduction activity. The purpose is to provide.

前述した目的を達成するために、第1の発明は、π共役系を主鎖に含む高分子と、前記高分子に導入され、有機骨格を有するアニオン基を含み、前記高分子鎖の間隔を拡張するカウンターイオンと、前記高分子に配位した金属と、を有することを特徴とする有機金属高分子構造体である。   In order to achieve the above-described object, the first invention includes a polymer having a π-conjugated system in the main chain, an anion group introduced into the polymer and having an organic skeleton, and the spacing between the polymer chains being increased. An organometallic polymer structure comprising: a counter ion that expands; and a metal coordinated to the polymer.

第2の発明は、第1の発明記載の有機金属高分子構造体を電気伝導性のある担体に担持させた電極触媒である。   The second invention is an electrode catalyst in which the organometallic polymer structure described in the first invention is supported on an electrically conductive carrier.

第3の発明は、第1の発明記載の有機金属高分子構造体を酸素還元触媒として用いる燃料電池である。   A third invention is a fuel cell using the organometallic polymer structure described in the first invention as an oxygen reduction catalyst.

第4の発明は、第1の発明記載の有機金属高分子構造体を酸素還元触媒として用いる空気電池である。   A fourth invention is an air battery using the organometallic polymer structure according to the first invention as an oxygen reduction catalyst.

第5の発明は、第3の発明記載の燃料電池を用いることを特徴とする充放電方法である。   A fifth invention is a charge / discharge method characterized by using the fuel cell according to the third invention.

第6の発明は、第4の発明記載の空気電池を用いることを特徴とする充放電方法である。   A sixth invention is a charge / discharge method using the air battery according to the fourth invention.

第7の発明は、π共役系を主鎖に含む高分子に、有機骨格を有するアニオン基を含むカウンターイオンを導入し、前記高分子に金属を配位させる工程を有することを特徴とする有機金属高分子構造体の製造方法である。   A seventh invention is characterized in that it has a step of introducing a counter ion containing an anionic group having an organic skeleton into a polymer containing a π-conjugated system in the main chain, and coordinating a metal to the polymer. It is a manufacturing method of a metal polymer structure.

第8の発明は、第7の発明記載の有機金属高分子構造体を電気伝導性のある担体に担持しさせる工程を有することを特徴とする電極触媒の製造方法である。   An eighth invention is a method for producing an electrocatalyst comprising a step of supporting the organometallic polymer structure according to the seventh invention on an electrically conductive carrier.

第9の発明は、第7の発明記載の有機金属高分子構造体を酸素還元触媒として組み込む工程を有することを特徴とする燃料電池の製造方法である。   According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell manufacturing method comprising a step of incorporating the organometallic polymer structure according to the seventh aspect of the invention as an oxygen reduction catalyst.

第10の発明は、第7の発明記載の有機金属高分子構造体を酸素還元触媒として組み込む工程を有することを特徴とする空気電池の製造方法である。   A tenth aspect of the invention is a method for producing an air battery, comprising a step of incorporating the organometallic polymer structure according to the seventh aspect of the invention as an oxygen reduction catalyst.

本発明によれば金属配位高分子に含まれる配位金属量を従来よりも増加させ酸素還元活性を向上させた有機金属高分子構造体を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the amount of coordination metals contained in a metal coordination polymer can be increased compared with the past, and the organometallic polymer structure which improved oxygen reduction activity can be provided.

以下、本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明では、有機骨格を有するアニオン、例えば環状分子とアニオン基、アルキル基もしくはアルケニル基もしくはアルキニル基(各々炭素数が2〜16)などを含んだカウンターイオンを用いることで高分子鎖の間隔を3.5〜5.5Å(3.5〜5.5×10−10m)に拡張し、金属イオンを高分子内部へ浸入及び拡散しやすくすることで配位金属量を向上させた金属配位高分子および酸素還元触媒を提供する。 In the present invention, an anion having an organic skeleton, for example, a cyclic molecule and a counter ion containing an anion group, an alkyl group, an alkenyl group, or an alkynyl group (each having 2 to 16 carbon atoms) is used to reduce the spacing between polymer chains. Expanded to 3.5 to 5.5 mm (3.5 to 5.5 × 10 −10 m), the metal arrangement has improved the amount of coordination metal by facilitating the penetration and diffusion of metal ions into the polymer. Coordination polymer and oxygen reduction catalyst are provided.

カウンターイオンを構成する有機アニオンとしては、ベンゼン、及びその炭素数の異なるアヌレン類、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン等のアセン類、フェナントレン、クリセン、トリフェニレン、テトラフェン、ピレン、ピセン、ペンタフェン、ペリレン、ヘリセン、コロネン、芳香族多環化合物であるビフェニル、トリフェニルメタン、アセプレイアジレンなどの環状分子を、少なくともひとつ以上用いることができる。   Examples of organic anions constituting the counter ion include benzene and annulenes having different carbon numbers, naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene and other acenes, phenanthrene, chrysene, triphenylene, tetraphen, pyrene, picene, pentaphen, perylene, At least one or more cyclic molecules such as helicene, coronene, and aromatic polycyclic compounds such as biphenyl, triphenylmethane, and acetoazilene can be used.

カウンターイオンを構成するアニオン基としては、カルボン酸、硫酸、スルホン酸、亜硫酸アニオン、チオ硫酸アニオン、炭酸アニオン、クロム酸アニオン、二クロム酸アニオン、リン酸一水素アニオン、リン酸アニオンなどを用いることができる。   As the anion group constituting the counter ion, carboxylic acid, sulfuric acid, sulfonic acid, sulfite anion, thiosulfate anion, carbonate anion, chromate anion, dichromate anion, monohydrogen phosphate anion, phosphate anion, etc. should be used. Can do.

カウンターイオンに含まれる水素の全て、または一部をカルボニル基、アミノ基、イミノ基、シアノ基、アゾ基、アジ基、チオール基、スルホ基、ニトロ基、ヒドロキシ基、アシル基、アルデヒド基、シクロアルキル基、アリール基などの置換基に置換することも可能である。これらの置換を行うことによって、カウンターイオンの親水性あるいは疎水性、形状を調整しカウンターイオン量の調整や高分子鎖間隔をより細かく調節することができる。   All or part of the hydrogen contained in the counter ion is converted into carbonyl group, amino group, imino group, cyano group, azo group, azo group, thiol group, sulfo group, nitro group, hydroxy group, acyl group, aldehyde group, cyclohexane Substitution with a substituent such as an alkyl group or an aryl group is also possible. By performing these substitutions, the hydrophilicity or hydrophobicity and shape of the counter ions can be adjusted to adjust the counter ion amount and the polymer chain spacing more finely.

本発明のカウンターイオンを導入する高分子としては構造内にπ共役系を持った高分子を用いることが出来る。π共役系を持った高分子としては、例えば、ポリアセチレン、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、テルラゾール、イソテルラゾール、セレナゾール、イソセレナゾール、チオゾール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、フラザン、トリアゾール、フラン、ジオキサン、チオフェン、セレノフェン、ピリジン、ピリミジン、ピペリジン、ピラジン、ピペラジン、ピリダジン、セレノモルホリン、モルホリン、ピラン、ジオキセン、チオピラン、トリチアン、チオキサン、セレニン、キナゾリン、イソキノリン、キノリン、ナフチリジン、アクリジン、ベンゾキノリン、フェナントロリン、キノキサリン、インドール、インドリン、インダゾール、カルバゾール、ベンゾチアゾール、ベンズイミダゾール、ピロロピリジン、ベンゾフラン、ジヒドロベンゾフラン、フェノキサチイン、ジベンゾフラン、ジベンゾジオキシン、メチレンジオキシベンゼン、ベンズオキサゾール、ベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェン、チアントレンの中から選ばれる少なくとも1種類を主鎖及び側鎖に含むものが挙げられる。高分子へのカウンターイオン導入量は、高分子の酸化量を調節して決めることができる。高分子の酸化方法としては電気化学的に酸化する方法もしくは酸化剤を用いて化学的に酸化する方法などを用いることが出来る。   As the polymer for introducing the counter ion of the present invention, a polymer having a π-conjugated system in the structure can be used. Examples of the polymer having a π-conjugated system include polyacetylene, pyrrole, imidazole, pyrazole, tellurazole, isotellazole, selenazole, isoselenazole, thiozole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, furazane, triazole, furan. , Dioxane, thiophene, selenophene, pyridine, pyrimidine, piperidine, pyrazine, piperazine, pyridazine, selenomorpholine, morpholine, pyran, dioxene, thiopyran, trithiane, thioxan, selenine, quinazoline, isoquinoline, quinoline, naphthyridine, acridine, benzoquinoline, phenanthroline , Quinoxaline, indole, indoline, indazole, carbazole, benzothiazole, benzimidazole, pyro Those containing at least one selected from pyridine, benzofuran, dihydrobenzofuran, phenoxathiin, dibenzofuran, dibenzodioxine, methylenedioxybenzene, benzoxazole, benzothiophene, dibenzothiophene, and thianthrene in the main chain and side chain It is done. The amount of counter ion introduced into the polymer can be determined by adjusting the amount of oxidation of the polymer. As a method for oxidizing the polymer, an electrochemical oxidation method, a chemical oxidation method using an oxidizing agent, or the like can be used.

本発明のカウンターイオンにより鎖間の距離が広げられた高分子に配位する金属としては、酸素の吸着サイトとして作用することが可能な遷移金属や貴金属ならばいずれを用いてもよい。そのなかでも、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Zn、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも一種類の金属が配位することが望ましい。金属原子は、酸素分子の吸着サイトであると同時に、解離、原子状酸素のプロトン化過程の活性サイトとなりうる。   As the metal coordinated to the polymer whose distance between the chains is widened by the counter ion of the present invention, any transition metal or noble metal capable of acting as an oxygen adsorption site may be used. Among them, at least one metal selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Zn, Ir, Pt, and Au is included. It is desirable to coordinate. A metal atom can be an adsorption site for oxygen molecules, and at the same time, an active site for dissociation and protonation of atomic oxygen.

燃料電池や空気電池の電極触媒として使用する際には、集電電極上に直接分散あるいは塗布してもよいし、カーボン微粒子などのような比表面積の大きな電気伝導性を持つ担体の上に分散、塗布してもよい。金属量を少なくおさえるためには、比表面積の大きな担体上に金属配位高分子触媒を数層分担持させることが望ましい。金属配位高分子触媒の担持は、触媒の合成時に担体を混合してもよいし、高分子触媒の合成後に混合してもよい。さらに、担持した触媒を触媒電極とする際には、バインダーなどのイオン導電性を持つ添加物を加えることもできる。ただし、この触媒担持方法は上記に限定されるものではなく、触媒と電極が電気的に接触すればいかなる状態でもかまわない。   When used as an electrode catalyst for fuel cells or air cells, it may be dispersed or coated directly on the current collecting electrode, or dispersed on a carrier having a large specific surface area such as carbon fine particles, It may be applied. In order to reduce the amount of metal, it is desirable to support several layers of metal coordination polymer catalyst on a support having a large specific surface area. The support of the metal coordination polymer catalyst may be mixed at the time of synthesis of the catalyst, or may be mixed after the synthesis of the polymer catalyst. Further, when the supported catalyst is used as a catalyst electrode, an additive having ion conductivity such as a binder can be added. However, this catalyst loading method is not limited to the above, and any state may be used as long as the catalyst and the electrode are in electrical contact.

金属配位高分子触媒を含む電極触媒を、燃料電池や空気電池の電極触媒として用いることができる。   An electrode catalyst including a metal coordination polymer catalyst can be used as an electrode catalyst for a fuel cell or an air cell.

即ち、本実施形態に係る有機金属高分子構造体を酸素還元触媒として組み込むことにより製造した燃料電池や空気電池もそれぞれ利用可能である。   That is, a fuel cell and an air cell manufactured by incorporating the organometallic polymer structure according to the present embodiment as an oxygen reduction catalyst can also be used.

燃料電池としては、酸性溶液、アルカリ溶液、中性溶液のいかなる性質をもつ電解液も使用することが可能である。燃料電池の燃料は、なんら限定されることなく水素や水素化合物を用いることができる。空気電池の場合も同様に、なんら電解液や負極活物質に限定されることなく使用することが可能である。   As the fuel cell, an electrolytic solution having any property of an acidic solution, an alkaline solution, and a neutral solution can be used. The fuel of the fuel cell is not limited at all, and hydrogen or a hydrogen compound can be used. Similarly, in the case of an air battery, it can be used without being limited to an electrolytic solution or a negative electrode active material.

以下、本発明の詳細を具体的に実施例において示す。しかし、本発明はこれら実施例等に何ら制約されるものではない。 Hereinafter, details of the present invention will be specifically described in Examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(ポリピロールの作製)
カウンターイオンとしてベンゼンスルホン酸のパラ位にドデシル基を持つp‐ドデシルベンゼンスルホン酸(DBS)を用いたポリピロール(PPy)を、以下に示したドデシルベンゼンスルホン酸鉄(III)を酸化剤に用いた化学酸化重合法により作製した。
(Production of polypyrrole)
Polypyrrole (PPy) using p-dodecylbenzenesulfonic acid (DBS) having a dodecyl group at the para-position of benzenesulfonic acid as a counter ion, and iron (III) dodecylbenzenesulfonate shown below as an oxidizing agent were used. It was prepared by a chemical oxidative polymerization method.

ドデシルベンゼンスルホン酸鉄(III)は、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム溶液に塩化鉄(III)を加えて作製した。塩化鉄とドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムのモル比は1:3にした。塩化鉄投入後、攪拌しているとドデシルベンゼンスルホン酸鉄が析出してくる。溶液を遠心分離にかけて析出物を取り出した。この段階の析出物には塩化ナトリウムが混入している可能性があるので、超純水で十分に洗浄し除去した。洗浄後のドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムをメタノールに溶かし、酸化剤溶液とした。   Iron (III) dodecylbenzenesulfonate was prepared by adding iron (III) chloride to a sodium dodecylbenzenesulfonate solution. The molar ratio of iron chloride to sodium dodecylbenzenesulfonate was 1: 3. If iron chloride is added and stirred, iron dodecylbenzenesulfonate will precipitate. The solution was centrifuged to remove the precipitate. Since there is a possibility that sodium chloride is mixed in the precipitate at this stage, it was thoroughly washed with ultrapure water and removed. After washing, sodium dodecylbenzenesulfonate was dissolved in methanol to obtain an oxidizing agent solution.

次にピロールモノマーを超純水に滴下し攪拌を加えてエマルジョン化したピロールを作製した。ここに酸化剤を滴下してピロールの化学酸化重合を行い、ドデシルベンゼンスルホン酸をカウンターイオンとして含んだPPy−DBSを得た。   Next, pyrrole monomer was added dropwise to ultrapure water and stirred to prepare pyrrole emulsified. An oxidizing agent was added dropwise thereto for chemical oxidative polymerization of pyrrole to obtain PPy-DBS containing dodecylbenzenesulfonic acid as a counter ion.

比較例として特許文献1に記載のClをカウンターイオンとしたPPy-Clの作製も行った。   As a comparative example, PPy-Cl was prepared using Cl described in Patent Document 1 as a counter ion.

(XRDを用いた高分子鎖間距離の測定)
作製した3種類のPPyのX線回折(XRD)測定を行い、PPy鎖の間隔(d)を測定した。解析の結果、PPy‐Clにおいては鎖間隔が平均3.5Å(3.5×10−10m)程度であったのに対してPPy−DBSにおいては鎖間隔が5Å(5×10−10m)と大きな値が得られた(図1)。PPy‐Clにおいて得られた3.5Å(3.5×10−10m)という値はグラフェンの面間隔3.46Å(3.46×10−10m)に近い値で、環状分子がスタックしたときの一般的な面間隔である。本発明の特徴を持つカウンターイオンを用いればこの間隔を広げることができる。
(Measurement of polymer chain distance using XRD)
X-ray diffraction (XRD) measurement was performed on the three types of PPy produced, and the PPy chain spacing (d) was measured. As a result of analysis, in PPy-Cl, the average chain spacing was about 3.5 mm (3.5 × 10 −10 m), whereas in PPy-DBS, the chain spacing was 5 mm (5 × 10 −10 m). ) And a large value were obtained (FIG. 1). The value of 3.5 y (3.5 × 10 -10 m) obtained in PPy-Cl is close to the graphene plane spacing of 3.46 Å (3.46 × 10 -10 m), and cyclic molecules were stacked. It is a general surface interval. If a counter ion having the characteristics of the present invention is used, this interval can be widened.

(金属導入)
特許文献1などで配位金属として用いられているコバルトのPPyへの導入処理を以下の方法で行った。
(Metal introduction)
Introducing cobalt, which is used as a coordination metal in Patent Document 1 or the like, into PPy was performed by the following method.

PPyを分散させたメタノール溶液に酢酸コバルトをいれ、不活性ガス雰囲気で還流処理を6時間行った。還流後超純水で十分に洗浄し、PPyに配位せずに吸着しているコバルトを洗い流した。洗浄後の試料を十分に乾燥させコバルト配位ポリピロール(CoPPy)を作製した。   Cobalt acetate was added to a methanol solution in which PPy was dispersed, and refluxing was performed for 6 hours in an inert gas atmosphere. After refluxing, it was thoroughly washed with ultrapure water, and the adsorbed cobalt was washed away without coordination to PPy. The washed sample was sufficiently dried to produce cobalt coordinated polypyrrole (CoPPy).

CoPPy中のピロール由来の窒素量とコバルト量の比(窒素の原子量を元に規格化したもの)を有機元素分析、ICP発光分光分析より求めた(表1)。   The ratio of the amount of nitrogen derived from pyrrole and the amount of cobalt in CoPPy (standardized based on the atomic weight of nitrogen) was determined by organic elemental analysis and ICP emission spectroscopic analysis (Table 1).

Figure 2010084094
Figure 2010084094

測定の結果、PPy鎖間隔の増加がみられたPPy−DBSにはPPy‐Clと比較して2倍近い量のコバルトが配位していることが分かった。カウンターイオンによりPPy鎖間隔を拡大し、PPy内部へのコバルトの浸入を容易にし、コバルトの配位量を向上させることに成功した。   As a result of the measurement, it was found that PPy-DBS in which an increase in the PPy chain spacing was observed was coordinated with an amount of cobalt nearly twice that of PPy-Cl. The PPy chain spacing was increased by the counter ion, and it was possible to facilitate the penetration of cobalt into the PPy and improve the coordination amount of cobalt.

(PPyの酸素還元能の評価)
作製したCo‐PPyの酸素還元能を以下の方法により評価した。電極の作製では、まず乳鉢で粉末状にしたCo‐PPyに超純水を加えて超音波照射により分散液を作製した。その分散液をよく研磨した直径3mmのグラッシカーボン(GC)電極上に10μgのCo‐PPyが担持されるように滴下乾燥し、さらにナフィオンとプロパノールの混合液を5μl滴下乾燥させ電極を作製した。作製した電極を用いて酸素飽和1M HClO水溶液中で酸素還元活性を測定した。
(Evaluation of PPy's ability to reduce oxygen)
The oxygen reduction ability of the produced Co-PPy was evaluated by the following method. In producing the electrode, first, ultrapure water was added to Co-PPy powdered in a mortar, and a dispersion was produced by ultrasonic irradiation. The dispersion was dripped and dried so that 10 μg of Co-PPy was supported on a 3 mm diameter glassy carbon (GC) electrode that had been well polished, and then 5 μl of a mixture of Nafion and propanol was dripped and dried to produce an electrode. Using the prepared electrode, the oxygen reduction activity was measured in an oxygen-saturated 1 M HClO 4 aqueous solution.

カウンターイオンの異なる三種類のCo‐PPyの酸素還元活性を調べた結果、開回路電位及び0.6Vにおける電流値などがCo導入量の向上にともなって向上した(図2)。PPyの鎖間隔をカウンターイオンを用いることで広げPPy内部でのコバルトの浸入拡散を促進しコバルト配位量を向上させた結果、酸素還元活性が向上した。   As a result of examining the oxygen reduction activity of three types of Co-PPy having different counter ions, the open circuit potential and the current value at 0.6 V were improved as the amount of introduced Co increased (FIG. 2). As a result of increasing the chain spacing of PPy by using counter ions to promote infiltration and diffusion of cobalt inside PPy and improving the amount of cobalt coordination, the oxygen reduction activity was improved.

(置換基の導入及び導入の効果)
p‐ドデシルベンゼンスルホン酸のアルキル基のオルト位にさらにドデシル基で置換した2,1-ドデシル-スルホン酸をカウンターイオンに用いてPPyを作製し、これにコバルトを配位させコバルト配位量への置換基の影響を調べた。
(Introduction of substituents and effects of introduction)
PPy is prepared by using 2,1-dodecyl-sulfonic acid substituted with dodecyl group at the ortho position of the alkyl group of p-dodecylbenzenesulfonic acid as a counter ion, and then coordinating cobalt to the cobalt coordination amount. The influence of the substituents of was investigated.

PPyの合成法やコバルトの合成法は〔実施例1〕及び〔実施例3〕に記載の方法と同様に行った。XRDにより高分子鎖間隔を測定した結果、d=5.3Å(5.3×10−10m)が得られた。ベンゼン環中の水素がさらにドデシル基で置換したことによりカウンターイオンのサイズがさらに増え、高分子鎖間隔がさらに拡大した。有機元素分析及びICP発光分光分析によりコバルトの配位量を調べた結果、コバルト配位量が9%と高くなっている事が確認された。置換基を導入してカウンターイオンサイズを大きくすることでさらに高分子鎖間隔を拡大でき、コバルト配位量を向上することができた。 The synthesis method of PPy and the synthesis method of cobalt were performed in the same manner as described in [Example 1] and [Example 3]. As a result of measuring the polymer chain interval by XRD, d = 5.3 cm (5.3 × 10 −10 m) was obtained. Substitution of hydrogen in the benzene ring with a dodecyl group further increased the size of the counter ion and further expanded the polymer chain spacing. As a result of examining the coordination amount of cobalt by organic elemental analysis and ICP emission spectroscopic analysis, it was confirmed that the cobalt coordination amount was as high as 9%. By introducing a substituent and increasing the counter ion size, the polymer chain spacing could be further increased, and the cobalt coordination amount could be improved.

(燃料電池用電極触媒の製造、および特性評価)
図3(a)に示すように、本発明の金属配位高分子構造体をカソード電極触媒に用いた燃料電池1を作製し、その特性評価を行った。
(Manufacture and characteristic evaluation of fuel cell electrode catalysts)
As shown in FIG. 3 (a), a fuel cell 1 using the metal coordination polymer structure of the present invention as a cathode electrode catalyst was produced, and its characteristics were evaluated.

〔実施例1〕で作製したPPy−DBSにCoを配位させた金属配位高分子構造体をカソード電極の触媒として用いて、以下の手順に従い小型の試験燃料電池を作製した。まず、拡散層3として、カーボンクロスの表面にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョンで撥水化したカーボンブラックを塗布し撥水化処理したものを用意した。次に、撥水化処理された拡散層の表面にPPy−DBSにCoが配位した金属配位高分子構造体の粉末を触媒5として塗布しカソード電極7とした。アノード電極13には拡散層9としてのケッチェンブラック上にPt担持した触媒11をナフィオン溶液(ポリマ分5%wt、アルドリッチ社製)と混合したものを触媒として用いた。   A small test fuel cell was produced according to the following procedure using the metal coordination polymer structure obtained by coordinating Co to PPy-DBS produced in [Example 1] as a catalyst for the cathode electrode. First, the diffusion layer 3 was prepared by applying carbon black water-repellent with a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion on the surface of the carbon cloth and performing water-repellent treatment. Next, a powder of a metal coordination polymer structure in which Co was coordinated to PPy-DBS was applied as a catalyst 5 on the surface of the diffusion layer subjected to the water repellency treatment to form a cathode electrode 7. The anode electrode 13 was prepared by mixing a catalyst 11 supported on Pt on ketjen black as a diffusion layer 9 with a Nafion solution (polymer content 5% wt, manufactured by Aldrich) as a catalyst.

その後、触媒5、11を内側にして電解質膜15(厚さ約50μmのナフィオン(登録商標)膜、デュポン社製)の両面からガス拡散電極(カソード電極7、アノード電極13)を熱圧着し、膜電極接合体(MEA)を得た。さらにMEAをグラファイト板にガス流路を設けた集電体17で挟んで、試験電池とした。   Thereafter, the gas diffusion electrodes (cathode electrode 7 and anode electrode 13) are thermocompression-bonded from both surfaces of the electrolyte membrane 15 (a Nafion (registered trademark) membrane having a thickness of about 50 μm, manufactured by DuPont) with the catalysts 5 and 11 inside. A membrane electrode assembly (MEA) was obtained. Further, the MEA was sandwiched between current collectors 17 each having a gas flow path in a graphite plate to obtain a test battery.

図3(b)はPPy−DBSにCoが配位した金属配位高分子構造体をカソード電極の触媒5に用いた燃料電池1の放電試験の結果である。試験条件はセル温度80℃、水素及び空気圧2.0atm(2.0×10Pa)、水素流量5ml/s、空気流量9ml/s、燃料ガス温度は水素80℃、空気70℃である。カソード電極7の触媒活性は高く、電流密度が増加しても高い電圧を維持していた。 FIG. 3B shows the results of a discharge test of the fuel cell 1 in which a metal coordination polymer structure in which Co is coordinated to PPy-DBS is used for the catalyst 5 of the cathode electrode. The test conditions are a cell temperature of 80 ° C., hydrogen and air pressure of 2.0 atm (2.0 × 10 5 Pa), a hydrogen flow rate of 5 ml / s, an air flow rate of 9 ml / s, and a fuel gas temperature of hydrogen 80 ° C. and air 70 ° C. The catalytic activity of the cathode electrode 7 was high, and a high voltage was maintained even when the current density increased.

(空気電池用電極触媒の製造、および特性評価)
図4(a)に示すように、カソード電極の触媒にCo‐PPy‐DBSを用いてコイン型空気亜鉛電池(空気電池21)を作製し、その特性を評価した。
(Manufacture of electrode catalyst for air battery and characteristic evaluation)
As shown in FIG. 4 (a), a coin-type zinc-air battery (air battery 21) was prepared using Co-PPy-DBS as a catalyst for the cathode electrode, and its characteristics were evaluated.

作製方法は典型的なコイン型空気電池の作製方法と同様である。亜鉛粉末とデンプン等でゲル化した40%水酸化カリウムから成る亜鉛合剤25が充填された負極缶23(耐食性コーティングを施したステンレス製)をポリプロピレンやポリエチレン等の多孔質樹脂膜からなるセパレータ27で封じた。次に、〔実施例1〕、〔実施例3〕で作製したCo‐PPy‐DBSの粉末、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンを溶解させたNi-メチルピロリドン溶液を混錬したスラリーをニッケル金網に塗布した正極触媒層29と、微孔性テフロン(登録商標)フィルム31をセパレータ27の外側に取り付けた。その後、セパレータ27、正極触媒層29、微孔性テフロン(登録商標)フィルム31を取り付けた負極缶23にプラスチック製の絶縁性ガスケット37で空気通入孔33が設けられた正極缶35を2つの間が絶縁された状態で封止した。   The manufacturing method is the same as that of a typical coin-type air battery. Separator 27 made of a porous resin film such as polypropylene or polyethylene is used for negative electrode can 23 (made of stainless steel coated with corrosion resistance coating) filled with zinc mixture 25 made of 40% potassium hydroxide gelled with zinc powder and starch. Sealed with. Next, a slurry obtained by kneading Ni-methylpyrrolidone solution in which Co-PPy-DBS powder, carbon black, and polyvinylidene fluoride prepared in [Example 1] and [Example 3] were applied was applied to a nickel wire mesh. The positive electrode catalyst layer 29 and the microporous Teflon (registered trademark) film 31 were attached to the outside of the separator 27. Thereafter, two positive electrode cans 35 each provided with an air inlet hole 33 with a plastic insulating gasket 37 are attached to the negative electrode can 23 to which the separator 27, the positive electrode catalyst layer 29, and the microporous Teflon (registered trademark) film 31 are attached. Sealed in a state where the gap was insulated.

作製したコイン型の空気電池21の室温下における放電試験の結果を図4(b)に示す。1.15Vの高い電圧で平坦な放電曲線が記録された。従って本発明の金属配位高分子構造体は空気電池のカソード電極触媒としても有効であると考えられる。   The result of the discharge test at room temperature of the manufactured coin-type air battery 21 is shown in FIG. A flat discharge curve was recorded at a high voltage of 1.15V. Therefore, it is considered that the metal coordination polymer structure of the present invention is also effective as a cathode electrode catalyst for an air battery.

(他の高分子成分、配位子、金属など)
実施例1〜7に記載されていない他の環状分子、炭素数の異なるアルキル基、スルホン酸アニオンを含むドーパントを用いてコバルト配位ポリピロールを合成し、それらの高分子鎖間隔と配位金属量を評価した。合成方法は実施例1、3に記載したものと同様の方法で行った。高分子鎖間隔(d)をXRDにより求め、成分分析とICP発光分光分析により配位金属量を調べた。表2に得られた結果を示す。なお、図中の%は原子%である。
(Other polymer components, ligands, metals, etc.)
Cobalt coordinated polypyrrole was synthesized using other cyclic molecules not described in Examples 1 to 7, an alkyl group having a different carbon number, and a dopant containing a sulfonate anion, and their polymer chain spacing and coordinated metal content. Evaluated. The synthesis method was the same as that described in Examples 1 and 3. The polymer chain spacing (d) was determined by XRD, and the amount of coordination metal was examined by component analysis and ICP emission spectroscopic analysis. Table 2 shows the results obtained. In the figure,% is atomic%.

Figure 2010084094
Figure 2010084094

またドデシル基とスルホン酸アニオン、環状分子を含むドーパントのスルホン酸基のメタ位を各種置換基で置換したものを用いてコバルト配位ポリピロールを合成し、それらの高分子鎖間隔と配位金属量を評価した。合成方法は実施例1、3に記載したものと同様である。高分子鎖間隔(d)をXRDにより求め、成分分析とICP発光分光分析により配位金属量を調べた。表3に得られた結果を示す。なお、図中の%は原子%である。   Cobalt coordinated polypyrrole was synthesized using a dodecyl group, a sulfonate anion, and a meta group of a sulfonate group of a dopant containing a cyclic molecule substituted with various substituents, and their polymer chain spacing and coordination metal content. Evaluated. The synthesis method is the same as that described in Examples 1 and 3. The polymer chain spacing (d) was determined by XRD, and the amount of coordination metal was examined by component analysis and ICP emission spectroscopic analysis. Table 3 shows the results obtained. In the figure,% is atomic%.

Figure 2010084094
Figure 2010084094

上記の結果から明らかなように、本実施形態に係る金属配位高分子構造体からなる酸素還元触媒を用いることにより、安定性に優れ活性が高く金属量を低減することが可能な触媒を提供することができる。   As is clear from the above results, by using the oxygen reduction catalyst comprising the metal coordination polymer structure according to the present embodiment, a catalyst having excellent stability and high activity and capable of reducing the amount of metal is provided. can do.

上記した実施形態および実施例では、有機金属高分子構造体を、燃料電池1と空気電池21に適用した場合について説明したが、本発明は、なんら、これに限定されることなく、金属を従来より多く担持させる必要がある全ての有機金属高分子構造体に適用できる。   In the above-described embodiments and examples, the case where the organometallic polymer structure is applied to the fuel cell 1 and the air cell 21 has been described. However, the present invention is not limited to this, and metal is conventionally used. It can be applied to all organometallic polymer structures that need to be supported more.

X線回折(XRD)を用いて、PPy鎖の間隔を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the space | interval of PPy chain | strand using X-ray diffraction (XRD). CoPPyの酸素還元活性を示す図である。It is a figure which shows the oxygen reduction activity of CoPPy. 図3(a)は燃料電池1を示す断面図であって、図3(b)は燃料電池1の放電試験の結果を示す図である。FIG. 3A is a cross-sectional view showing the fuel cell 1, and FIG. 3B is a diagram showing the result of a discharge test of the fuel cell 1. 図4(a)は空気電池21を示す断面図であって、図4(b)は空気電池21の放電試験の結果を示す図である。FIG. 4A is a cross-sectional view showing the air battery 21, and FIG. 4B is a view showing a result of a discharge test of the air battery 21.

符号の説明Explanation of symbols

1…………燃料電池
3…………拡散層
5…………触媒
7…………カソード電極
9…………拡散層
11………触媒
13………アノード電極
15………電解質膜
17………集電体
21………空気電池
23………負極缶
25………亜鉛合材
27………セパレータ
29………正極触媒層
31………微孔性テフロン(登録商標)フィルム
33………空気通入孔
35………正極缶
37………ガスケット
1 ………… Fuel cell 3 ………… Diffusion layer 5 ………… Catalyst 7 ………… Cathode electrode 9 ………… Diffusion layer 11 ………… Catalyst 13 ……… Anode electrode 15 ……… Electrolyte Membrane 17 ......... Current collector 21 ......... Air battery 23 ......... Negative electrode can 25 ......... Zinc composite 27 ......... Separator 29 ......... Positive catalyst layer 31 ......... Microporous Teflon (registered trademark) ) Film 33 ……… Air inlet 35 ……… Positive can 37 ……… Gasket

Claims (26)

π共役系を主鎖に含む高分子と、
前記高分子に導入され、有機骨格を有するアニオン基を含み、前記高分子鎖の間隔を拡張するカウンターイオンと、
前記高分子に配位した金属と、
を有することを特徴とする有機金属高分子構造体。
a polymer containing a π-conjugated system in the main chain;
A counter ion introduced into the polymer, including an anionic group having an organic skeleton, and extending a distance between the polymer chains;
A metal coordinated to the polymer;
An organometallic polymer structure characterized by comprising:
前記高分子鎖の間隔は、3.5〜5.5Å(3.5〜5.5×10−10m)であることを特徴とする請求項1記載の有機金属高分子構造体。 The organometallic polymer structure according to claim 1, wherein an interval between the polymer chains is 3.5 to 5.5 mm (3.5 to 5.5 × 10 −10 m). 前記金属は、
Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Zn、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも一種類の金属を有することを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の有機金属高分子構造体。
The metal is
Having at least one metal selected from Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Zn, Ir, Pt, Au The organometallic polymer structure according to claim 1, wherein:
前記高分子は、
主鎖あるいは主鎖の一部として、ポリアセチレン、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、フェナントレン、クリセン、トリフェニレン、テトラフェン、ピレン、ピセン、ペンタフェン、ペリレン、ヘリセン、コロネン、ビフェニル、トリフェニルメタン、アセプレイアジレン、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、テルラゾール、イソテルラゾール、セレナゾール、イソセレナゾール、チオゾール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、フラザン、トリアゾール、フラン、ジオキサン、チオフェン、セレノフェン、ピリジン、ピリミジン、ピペリジン、ピラジン、ピペラジン、ピリダジン、セレノモルホリン、モルホリン、ピラン、ジオキセン、チオピラン、トリチアン、チオキサン、セレニン、キナゾリン、イソキノリン、キノリン、ナフチリジン、アクリジン、ベンゾキノリン、フェナントロリン、キノキサリン、インドール、インドリン、インダゾール、カルバゾール、ベンゾチアゾール、ベンズイミダゾール、ピロロピリジン、ベンゾフラン、ジヒドロベンゾフラン、フェノキサチイン、ジベンゾフラン、ジベンゾジオキシン、メチレンジオキシベンゼン、ベンズオキサゾール、ベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェン、チアントレンの中から選ばれる少なくとも1種類を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の有機金属高分子構造体。
The polymer is
As the main chain or part of the main chain, polyacetylene, benzene, naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene, phenanthrene, chrysene, triphenylene, tetraphen, pyrene, picene, pentaphen, perylene, helicene, coronene, biphenyl, triphenylmethane, aceto Preazilene, pyrrole, imidazole, pyrazole, tellurazole, isotelrazole, selenazole, isoselenazole, thiozole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, furazane, triazole, furan, dioxane, thiophene, selenophene, pyridine, pyrimidine, Piperidine, pyrazine, piperazine, pyridazine, selenomorpholine, morpholine, pyran, dioxene, thiopyran, trithiane, thioxa , Selenine, quinazoline, isoquinoline, quinoline, naphthyridine, acridine, benzoquinoline, phenanthroline, quinoxaline, indole, indoline, indazole, carbazole, benzothiazole, benzimidazole, pyrrolopyridine, benzofuran, dihydrobenzofuran, phenoxathiin, dibenzofuran, dibenzodioxin 4. The organometallic polymer structure according to claim 1, comprising at least one selected from the group consisting of benzene, methylenedioxybenzene, benzoxazole, benzothiophene, dibenzothiophene, and thianthrene.
前記高分子は、
側鎖あるいは側鎖の一部として、ポリアセチレン、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、フェナントレン、クリセン、トリフェニレン、テトラフェン、ピレン、ピセン、ペンタフェン、ペリレン、ヘリセン、コロネン、ビフェニル、トリフェニルメタン、アセプレイアジレン、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、テルラゾール、イソテルラゾール、セレナゾール、イソセレナゾール、チオゾール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、フラザン、トリアゾール、フラン、ジオキサン、チオフェン、セレノフェン、ピリジン、ピリミジン、ピペリジン、ピラジン、ピペラジン、ピリダジン、セレノモルホリン、モルホリン、ピラン、ジオキセン、チオピラン、トリチアン、チオキサン、セレニン、キナゾリン、イソキノリン、キノリン、ナフチリジン、アクリジン、ベンゾキノリン、フェナントロリン、キノキサリン、インドール、インドリン、インダゾール、カルバゾール、ベンゾチアゾール、ベンズイミダゾール、ピロロピリジン、ベンゾフラン、ジヒドロベンゾフラン、フェノキサチイン、ジベンゾフラン、ジベンゾジオキシン、メチレンジオキシベンゼン、ベンズオキサゾール、ベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェン、チアントレンの中から選ばれる少なくとも1種類を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の有機金属高分子構造体。
The polymer is
As the side chain or part of the side chain, polyacetylene, benzene, naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene, phenanthrene, chrysene, triphenylene, tetraphen, pyrene, picene, pentaphen, perylene, helicene, coronene, biphenyl, triphenylmethane, aceto Preazilene, pyrrole, imidazole, pyrazole, tellurazole, isotelrazole, selenazole, isoselenazole, thiozole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, furazane, triazole, furan, dioxane, thiophene, selenophene, pyridine, pyrimidine, Piperidine, pyrazine, piperazine, pyridazine, selenomorpholine, morpholine, pyran, dioxene, thiopyran, trithiane, thioxa , Selenine, quinazoline, isoquinoline, quinoline, naphthyridine, acridine, benzoquinoline, phenanthroline, quinoxaline, indole, indoline, indazole, carbazole, benzothiazole, benzimidazole, pyrrolopyridine, benzofuran, dihydrobenzofuran, phenoxathiin, dibenzofuran, dibenzodioxin 5. The organometallic polymer structure according to claim 1, comprising at least one selected from the group consisting of benzene, methylenedioxybenzene, benzoxazole, benzothiophene, dibenzothiophene, and thianthrene.
前記カウンターイオンは、
ベンゼン、及びその炭素数の異なるアヌレン類、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン等のアセン類、フェナントレン、クリセン、トリフェニレン、テトラフェン、ピレン、ピセン、ペンタフェン、ペリレン、ヘリセン、コロネン、芳香族多環化合物であるビフェニル、トリフェニルメタン、アセプレイアジレンおよび、上記有機化合物の誘導体のうち、少なくともひとつ以上を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の有機金属高分子構造体。
The counter ion is
Benzene and annulenes with different carbon numbers, naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene and other acenes, phenanthrene, chrysene, triphenylene, tetraphen, pyrene, picene, pentaphen, perylene, helicene, coronene, aromatic polycyclic compounds The organometallic polymer structure according to any one of claims 1 to 5, comprising at least one of certain biphenyls, triphenylmethanes, acepleazilenes and derivatives of the organic compounds.
前記カウンターイオンは、
アルキル基もしくはアルケニル基もしくはアルキニル基のうち、少なくとも1つ以上を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の有機金属高分子構造体。
The counter ion is
The organometallic polymer structure according to any one of claims 1 to 6, comprising at least one of an alkyl group, an alkenyl group, and an alkynyl group.
前記カウンターイオンは、
カルボン酸アニオン、硫酸アニオン、スルホン酸アニオン、亜硫酸アニオン、チオ硫酸アニオン、炭酸アニオン、クロム酸アニオン、二クロム酸アニオン、リン酸一水素アニオン、リン酸アニオンから選ばれる少なくとも1つ以上を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の有機金属高分子構造体。
The counter ion is
Containing at least one or more selected from carboxylate anion, sulfate anion, sulfonate anion, sulfite anion, thiosulfate anion, carbonate anion, chromate anion, dichromate anion, monohydrogen phosphate anion, phosphate anion The organometallic polymer structure according to any one of claims 1 to 7, wherein
前記カウンターイオンに含まれる水素の全てまたは一部をカルボニル基、アミノ基、イミノ基、シアノ基、アゾ基、アジ基、チオール基、スルホ基、ニトロ基、ヒドロキシ基、アシル基、アルデヒド基、シクロアルキル基、アリール基などの置換基の中から選ばれる少なくとも1種類で置換したことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の有機金属高分子構造体。   All or part of the hydrogen contained in the counter ion is carbonyl group, amino group, imino group, cyano group, azo group, azi group, thiol group, sulfo group, nitro group, hydroxy group, acyl group, aldehyde group, cyclohexane The organometallic polymer structure according to any one of claims 1 to 8, which is substituted with at least one selected from substituents such as an alkyl group and an aryl group. 請求項1〜請求項9記載の有機金属高分子構造体を電気伝導性のある担体に担持させた電極触媒。   An electrode catalyst comprising the organometallic polymer structure according to claim 1 supported on an electrically conductive carrier. 請求項1〜請求項9記載の有機金属高分子構造体を酸素還元触媒として用いる燃料電池。   A fuel cell using the organometallic polymer structure according to claim 1 as an oxygen reduction catalyst. 請求項1〜請求項9記載の有機金属高分子構造体を酸素還元触媒として用いる空気電池。   An air battery using the organometallic polymer structure according to claim 1 as an oxygen reduction catalyst. 請求項11記載の燃料電池を用いることを特徴とする充放電方法。   A charge / discharge method using the fuel cell according to claim 11. 請求項12記載の空気電池を用いることを特徴とする充放電方法。   A charge / discharge method using the air battery according to claim 12. π共役系を主鎖に含む高分子に、有機骨格を有するアニオン基を含むカウンターイオンを導入し、前記高分子に金属を配位させる工程を有することを特徴とする有機金属高分子構造体の製造方法。   An organometallic polymer structure comprising a step of introducing a counter ion containing an anionic group having an organic skeleton into a polymer containing a π-conjugated system in the main chain, and coordinating a metal to the polymer. Production method. 前記工程は、
前記高分子に前記カウンターイオンを導入することにより、前記高分子鎖の間隔を、3.5〜5.5Å(3.5〜5.5×10−10m)とする工程を有することを特徴とする請求項15記載の有機金属高分子構造体の製造方法。
The process includes
Introducing the counter ion into the polymer has a step of setting the distance between the polymer chains to 3.5 to 5.5 mm (3.5 to 5.5 × 10 −10 m). The method for producing an organometallic polymer structure according to claim 15.
前記工程は、
前記金属として、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Zn、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも一種類の金属を配位させる工程を有することを特徴とする請求項15または16のいずれかに記載の有機金属高分子構造体の製造方法。
The process includes
The metal is at least one selected from Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Zn, Ir, Pt, and Au. The method for producing an organometallic polymer structure according to claim 15, further comprising a step of coordinating a metal.
前記高分子は、
主鎖あるいは主鎖の一部として、ポリアセチレン、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、フェナントレン、クリセン、トリフェニレン、テトラフェン、ピレン、ピセン、ペンタフェン、ペリレン、ヘリセン、コロネン、ビフェニル、トリフェニルメタン、アセプレイアジレン、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、テルラゾール、イソテルラゾール、セレナゾール、イソセレナゾール、チオゾール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、フラザン、トリアゾール、フラン、ジオキサン、チオフェン、セレノフェン、ピリジン、ピリミジン、ピペリジン、ピラジン、ピペラジン、ピリダジン、セレノモルホリン、モルホリン、ピラン、ジオキセン、チオピラン、トリチアン、チオキサン、セレニン、キナゾリン、イソキノリン、キノリン、ナフチリジン、アクリジン、ベンゾキノリン、フェナントロリン、キノキサリン、インドール、インドリン、インダゾール、カルバゾール、ベンゾチアゾール、ベンズイミダゾール、ピロロピリジン、ベンゾフラン、ジヒドロベンゾフラン、フェノキサチイン、ジベンゾフラン、ジベンゾジオキシン、メチレンジオキシベンゼン、ベンズオキサゾール、ベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェン、チアントレンの中から選ばれる少なくとも1種類を含むことを特徴とする請求項15〜17のいずれかに記載の有機金属高分子構造体の製造方法。
The polymer is
As the main chain or part of the main chain, polyacetylene, benzene, naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene, phenanthrene, chrysene, triphenylene, tetraphen, pyrene, picene, pentaphen, perylene, helicene, coronene, biphenyl, triphenylmethane, aceto Preazilene, pyrrole, imidazole, pyrazole, tellurazole, isotelrazole, selenazole, isoselenazole, thiozole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, furazane, triazole, furan, dioxane, thiophene, selenophene, pyridine, pyrimidine, Piperidine, pyrazine, piperazine, pyridazine, selenomorpholine, morpholine, pyran, dioxene, thiopyran, trithiane, thioxa , Selenine, quinazoline, isoquinoline, quinoline, naphthyridine, acridine, benzoquinoline, phenanthroline, quinoxaline, indole, indoline, indazole, carbazole, benzothiazole, benzimidazole, pyrrolopyridine, benzofuran, dihydrobenzofuran, phenoxathiin, dibenzofuran, dibenzodioxin The production of an organometallic polymer structure according to any one of claims 15 to 17, comprising at least one selected from the group consisting of benzene, methylenedioxybenzene, benzoxazole, benzothiophene, dibenzothiophene, and thianthrene. Method.
前記高分子は、
側鎖あるいは側鎖の一部として、ポリアセチレン、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、フェナントレン、クリセン、トリフェニレン、テトラフェン、ピレン、ピセン、ペンタフェン、ペリレン、ヘリセン、コロネン、ビフェニル、トリフェニルメタン、アセプレイアジレン、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、テルラゾール、イソテルラゾール、セレナゾール、イソセレナゾール、チオゾール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、フラザン、トリアゾール、フラン、ジオキサン、チオフェン、セレノフェン、ピリジン、ピリミジン、ピペリジン、ピラジン、ピペラジン、ピリダジン、セレノモルホリン、モルホリン、ピラン、ジオキセン、チオピラン、トリチアン、チオキサン、セレニン、キナゾリン、イソキノリン、キノリン、ナフチリジン、アクリジン、ベンゾキノリン、フェナントロリン、キノキサリン、インドール、インドリン、インダゾール、カルバゾール、ベンゾチアゾール、ベンズイミダゾール、ピロロピリジン、ベンゾフラン、ジヒドロベンゾフラン、フェノキサチイン、ジベンゾフラン、ジベンゾジオキシン、メチレンジオキシベンゼン、ベンズオキサゾール、ベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェン、チアントレンの中から選ばれる少なくとも1種類を含むことを特徴とする請求項15〜18のいずれかに記載の有機金属高分子構造体の製造方法。
The polymer is
As the side chain or part of the side chain, polyacetylene, benzene, naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene, phenanthrene, chrysene, triphenylene, tetraphen, pyrene, picene, pentaphen, perylene, helicene, coronene, biphenyl, triphenylmethane, aceto Preazilene, pyrrole, imidazole, pyrazole, tellurazole, isotelrazole, selenazole, isoselenazole, thiozole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, furazane, triazole, furan, dioxane, thiophene, selenophene, pyridine, pyrimidine, Piperidine, pyrazine, piperazine, pyridazine, selenomorpholine, morpholine, pyran, dioxene, thiopyran, trithiane, thioxa , Selenine, quinazoline, isoquinoline, quinoline, naphthyridine, acridine, benzoquinoline, phenanthroline, quinoxaline, indole, indoline, indazole, carbazole, benzothiazole, benzimidazole, pyrrolopyridine, benzofuran, dihydrobenzofuran, phenoxathiin, dibenzofuran, dibenzodioxin The production of an organometallic polymer structure according to any one of claims 15 to 18, comprising at least one selected from the group consisting of methylenedioxybenzene, benzoxazole, benzothiophene, dibenzothiophene, and thianthrene. Method.
前記カウンターイオンは、
ベンゼン、及びその炭素数の異なるアヌレン類、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン等のアセン類、フェナントレン、クリセン、トリフェニレン、テトラフェン、ピレン、ピセン、ペンタフェン、ペリレン、ヘリセン、コロネン、芳香族多環化合物であるビフェニル、トリフェニルメタン、アセプレイアジレンおよび、上記有機化合物の誘導体のうち、少なくともひとつ以上を含むことを特徴とする請求項15〜19のいずれかに記載の有機金属高分子構造体の製造方法。
The counter ion is
Benzene and annulenes with different carbon numbers, naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene and other acenes, phenanthrene, chrysene, triphenylene, tetraphen, pyrene, picene, pentaphen, perylene, helicene, coronene, aromatic polycyclic compounds 20. The production of an organometallic polymer structure according to any one of claims 15 to 19, comprising at least one of certain biphenyls, triphenylmethanes, acepleazilenes and derivatives of the organic compounds. Method.
前記カウンターイオンは、
アルキル基もしくはアルケニル基もしくはアルキニル基のうち、少なくとも1つ以上を含むことを特徴とする請求項15〜20のいずれかに記載の有機金属高分子構造体の製造方法。
The counter ion is
The method for producing an organometallic polymer structure according to any one of claims 15 to 20, comprising at least one of an alkyl group, an alkenyl group, and an alkynyl group.
前記カウンターイオンは、
カルボン酸アニオン、硫酸アニオン、スルホン酸アニオン、亜硫酸アニオン、チオ硫酸アニオン、炭酸アニオン、クロム酸アニオン、二クロム酸アニオン、リン酸一水素アニオン、リン酸アニオンから選ばれる少なくとも1つ以上を含むことを特徴とする請求項15〜21のいずれかに記載の有機金属高分子構造体の製造方法。
The counter ion is
Containing at least one or more selected from carboxylate anion, sulfate anion, sulfonate anion, sulfite anion, thiosulfate anion, carbonate anion, chromate anion, dichromate anion, monohydrogen phosphate anion, phosphate anion The method for producing an organometallic polymer structure according to any one of claims 15 to 21.
前記カウンターイオンに含まれる水素の全てまたは一部をカルボニル基、アミノ基、イミノ基、シアノ基、アゾ基、アジ基、チオール基、スルホ基、ニトロ基、ヒドロキシ基、アシル基、アルデヒド基、シクロアルキル基、アリール基などの置換基の中から選ばれる少なくとも1種類で置換したことを特徴とする請求項15〜22のいずれかに記載の有機金属高分子構造体の製造方法。   All or part of the hydrogen contained in the counter ion is carbonyl group, amino group, imino group, cyano group, azo group, azi group, thiol group, sulfo group, nitro group, hydroxy group, acyl group, aldehyde group, cyclohexane The method for producing an organometallic polymer structure according to any one of claims 15 to 22, which is substituted with at least one selected from substituents such as an alkyl group and an aryl group. 請求項15〜請求項23記載の有機金属高分子構造体を電気伝導性のある担体に担持しさせる工程を有することを特徴とする電極触媒の製造方法。   24. A process for producing an electrode catalyst, comprising a step of supporting the organometallic polymer structure according to claim 15 on an electrically conductive carrier. 請求項15〜請求項23記載の有機金属高分子構造体を酸素還元触媒として組み込む工程を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。   A method for producing a fuel cell, comprising the step of incorporating the organometallic polymer structure according to claim 15 as an oxygen reduction catalyst. 請求項15〜請求項23記載の有機金属高分子構造体を酸素還元触媒として組み込む工程を有することを特徴とする空気電池の製造方法。   24. A method for producing an air battery, comprising the step of incorporating the organometallic polymer structure according to claim 15 as an oxygen reduction catalyst.
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