JP2011032117A - Method for manufacturing porous carbon and method for manufacturing electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、1μm以上の細孔サイズが制御可能な多孔質炭素の製造方法、及び、この製造方法を適用した電子デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing porous carbon capable of controlling a pore size of 1 μm or more, and a method for producing an electronic device to which this production method is applied.
多孔質炭素は二次電池、キャパシタ等のエネルギー貯蔵システム、吸着材、各種金属触媒の担体等に広く使用されている。 Porous carbon is widely used in energy storage systems such as secondary batteries and capacitors, adsorbents, and supports for various metal catalysts.
従来、多孔質炭素であるカーボンゲルは、例えば、レゾルシノール(R)とホルムアルデヒド(F)を弱塩基性下でゾル−ゲル重合させ、この重合によって得られたRF湿潤ゲルを乾燥して乾燥ゲルを作製し、これを不活性雰囲気下で炭化することによって得られていた。 Conventionally, carbon gel, which is porous carbon, is prepared by, for example, resorcinol (R) and formaldehyde (F) being sol-gel polymerized under weak basicity, and drying the RF wet gel obtained by this polymerization to form a dry gel. It was prepared and carbonized under an inert atmosphere.
多孔質炭素の製造法の1つとして、湿潤ゲルを使用する方法が知られている(例えば、後記の特許文献1、特許文献2を参照。)。 As one method for producing porous carbon, a method using a wet gel is known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2 described later).
先ず、「活性炭」と題する後記の特許文献1には、次の記載がある。 First, Patent Document 1 below entitled “activated carbon” has the following description.
有機エアロゲル(2)の製造方法としては、例えば、フェノール性化合物、アルデヒド化合物、塩基性触媒及び水系溶媒を一括で混合し、通常、0〜100℃、好ましくは30〜90℃にて攪拌して湿潤ゲルを得たのち、乾燥させる方法;フェノール性化合物、塩基性触媒及び水系溶媒からなる混合物にアルデヒド化合物を、通常、0〜100℃、好ましくは30〜90℃にて混合させて湿潤ゲルを得たのち、乾燥させる方法;アルデヒド化合物、塩基性触媒及び水系溶媒からなる混合物にフェノール性化合物を、通常、0〜100℃、好ましくは30〜90℃にて混合させて湿潤ゲルを得たのち、乾燥させる方法;フェノール性化合物、アルデヒド化合物及び水系溶媒からなる混合物に塩基性触媒を、通常、0〜100℃、好ましくは30〜90℃にて混合させて湿潤ゲルを得たのち、乾燥させる方法等が挙げられる。中でもフェノール性化合物、塩基性触媒及び水系溶媒からなる混合物にアルデヒド化合物を混合させて湿潤ゲルを得る方法が好ましいとしている。 As a manufacturing method of organic airgel (2), for example, a phenolic compound, an aldehyde compound, a basic catalyst, and an aqueous solvent are mixed together and usually stirred at 0 to 100 ° C., preferably 30 to 90 ° C. A method in which a wet gel is obtained and then dried; an aldehyde compound is usually mixed at 0 to 100 ° C., preferably 30 to 90 ° C., with a mixture comprising a phenolic compound, a basic catalyst and an aqueous solvent to obtain a wet gel. A method of drying after obtaining; after obtaining a wet gel by mixing a phenolic compound with a mixture comprising an aldehyde compound, a basic catalyst and an aqueous solvent, usually at 0 to 100 ° C., preferably 30 to 90 ° C. A method of drying; a basic catalyst in a mixture comprising a phenolic compound, an aldehyde compound and an aqueous solvent, usually at 0 to 100 ° C., preferably 30 After obtaining a wet gel by mixing at 90 ° C., a method for drying and the like. Among them, a method of obtaining a wet gel by mixing an aldehyde compound with a mixture comprising a phenolic compound, a basic catalyst and an aqueous solvent is preferred.
湿潤ゲルの乾燥は、例えば、室温〜100℃程度で通風するか、減圧乾燥する方法等が挙げられる。また、湿潤ゲル中の溶媒が水である場合、親水性有機溶媒で置換した後、室温〜100℃程度で通風するか、減圧乾燥する方法等が挙げられる。上記の親水性有機溶媒としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、t−ブチルアルコール等のアルコール類;アセトニトリル等の脂肪族ニトリル類;アセトン等の脂肪族ケトン類;ジメチルスルホキシド等の脂肪族スルホキシド類;酢酸等の脂肪族カルボン酸類が挙げられる。 Examples of the drying of the wet gel include a method of ventilating at room temperature to about 100 ° C. or drying under reduced pressure. In addition, when the solvent in the wet gel is water, after substitution with a hydrophilic organic solvent, a method of ventilating at room temperature to about 100 ° C. or drying under reduced pressure can be used. Examples of the hydrophilic organic solvent include alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, n-propyl alcohol, and t-butyl alcohol; aliphatic nitriles such as acetonitrile; aliphatic ketones such as acetone; dimethyl sulfoxide, and the like. Aliphatic sulfoxides; and aliphatic carboxylic acids such as acetic acid.
親水性有機溶媒としては、t−ブチルアルコール、ジメチルスルホキシド、酢酸が好ましく用いられ、t−ブチルアルコールは水と置換し易いことから特に好ましい。また、室温〜100℃程度で通風するか、減圧乾燥する方法に代えて、凍結乾燥を実施してもよい。凍結乾燥における温度は、通常、−70〜20℃の範囲であり、好ましくは−30〜10℃の範囲である。また、凍結乾燥は、通常、真空下で実施される。更に、特開平9−328308号公報に記載されているように、二酸化炭素等を用いて、超臨界状態下で乾燥してもよい。湿潤ゲルの乾燥方法としては、凍結乾燥が乾燥による細孔容積の変動が少ないことから好ましいとしている。 As the hydrophilic organic solvent, t-butyl alcohol, dimethyl sulfoxide, and acetic acid are preferably used, and t-butyl alcohol is particularly preferable because it can be easily replaced with water. Moreover, it may replace with the method of ventilating at room temperature-about 100 degreeC, or drying under reduced pressure, and may perform freeze-drying. The temperature in lyophilization is usually in the range of −70 to 20 ° C., preferably in the range of −30 to 10 ° C. In addition, lyophilization is usually performed under vacuum. Further, as described in JP-A-9-328308, carbon dioxide or the like may be used for drying under supercritical conditions. As a method for drying a wet gel, lyophilization is preferred because there is little variation in pore volume due to drying.
また、「炭素材料の製造方法及び該炭素材料を含む電気二重層キャパシタ」と題する後記の特許文献2には、次の記載がある。 Further, Patent Document 2 described later entitled “Method for producing carbon material and electric double layer capacitor including the carbon material” includes the following description.
特許文献2の発明は、下記[1]〜[5]工程を含む炭素材料の製造方法、および該炭素材料を含む電気二重層キャパシタである。
[1]フェノール化合物、アルデヒド化合物及び塩基性触媒を含む水溶液を反応させて湿潤ゲルを作製する工程。
[2][1]で得られた湿潤ゲルを脱水して、乾燥ゲルを作製する工程。
[3][2]で得られた乾燥ゲルに、フェノール化合物、アルデヒド化合物及び塩基性触媒を含む水溶液を含浸、反応させて、再湿潤ゲルを作製する工程。
[4][3]で得られた再湿潤ゲルを脱水して、再乾燥ゲルを作製する工程。
[5][4]で得られた再乾燥ゲルを焼成して炭素材料を作製する工程。
[2]工程は、[1]で得られた湿潤ゲルを脱水する工程であり、この工程で乾燥ゲルを得ることができる。湿潤ゲルから水を除去する方法としては、例えば、水を直接、通風乾燥法、減圧乾燥法、30〜150℃程度での加熱乾燥法、0℃以下での凍結乾燥法、或いはこれらの乾燥法の組合せ等が挙げられるが、好ましい実施態様として、前記湿潤ゲル中の水を親水性有機溶媒で置換したのち、該親水性有機溶媒を除去する方法が推奨されるとしている。
The invention of Patent Document 2 is a carbon material manufacturing method including the following steps [1] to [5], and an electric double layer capacitor including the carbon material.
[1] A step of producing a wet gel by reacting an aqueous solution containing a phenol compound, an aldehyde compound and a basic catalyst.
[2] A step of dehydrating the wet gel obtained in [1] to produce a dry gel.
[3] A step of preparing a rewet gel by impregnating and reacting the dry gel obtained in [2] with an aqueous solution containing a phenol compound, an aldehyde compound and a basic catalyst.
[4] A step of dehydrating the rewet gel obtained in [3] to produce a re-dried gel.
[5] A step of firing the redried gel obtained in [4] to produce a carbon material.
[2] The step is a step of dehydrating the wet gel obtained in [1], and a dry gel can be obtained in this step. As a method for removing water from the wet gel, for example, direct water drying method, drying method under reduced pressure, heat drying method at about 30 to 150 ° C., freeze drying method at 0 ° C. or less, or these drying methods As a preferred embodiment, a method of removing the hydrophilic organic solvent after replacing the water in the wet gel with the hydrophilic organic solvent is recommended.
親水性有機溶媒を除去する方法としては、例えば、通風乾燥法、減圧乾燥法、30〜150℃程度での加熱乾燥法、0℃以下での凍結乾燥法、或いはこれらの乾燥法の組合せ等が挙げられるが、凍結乾燥法は、ゾル−ゲル反応により作られた湿潤ゲルを構成する粒子の三次元の網目状構造を保持することができることから好ましい。すなわち、凍結乾燥法形態及び機能的に三次元の網目状構造が有する性状を維持しつつ、湿潤ゲル中の親水性有機溶媒等の液体を除去することができるとしている。 Examples of the method for removing the hydrophilic organic solvent include a ventilation drying method, a vacuum drying method, a heat drying method at about 30 to 150 ° C., a freeze drying method at 0 ° C. or less, or a combination of these drying methods. The lyophilization method is preferable because it can retain the three-dimensional network structure of the particles constituting the wet gel made by the sol-gel reaction. That is, the liquid such as the hydrophilic organic solvent in the wet gel can be removed while maintaining the properties of the freeze-drying method and the functionally three-dimensional network structure.
更に、凍結乾燥装置を用いることにより、湿潤ゲルを短時間で乾燥することができると共に、乾燥ゲルの製造コストを低減化することができることから好ましい。凍結乾燥における凍結温度は、通常は−70〜0℃の範囲であり、好ましくは−30〜−5℃の範囲であるとしている。 Furthermore, it is preferable to use a freeze-drying apparatus because the wet gel can be dried in a short time and the production cost of the dry gel can be reduced. The freezing temperature in lyophilization is usually in the range of −70 to 0 ° C., preferably in the range of −30 to −5 ° C.
[3]工程は、[2]工程で得られた乾燥ゲルに、フェノール化合物、アルデヒド化合物及び塩基性触媒を含む水溶液を含浸させ、反応させる工程であり、乾燥ゲルが有するマクロ孔やメソ孔等の空孔、中でもメソ孔に、フェノール化合物、アルデヒド化合物及び塩基性触媒を含む水溶液を含浸させ、該水溶液からコロイド粒子を経て、乾燥ゲル内の空孔に更に三次元網目構造を形成させた再湿潤ゲルを得る工程である。 [3] The step is a step in which the dry gel obtained in the step [2] is impregnated with an aqueous solution containing a phenol compound, an aldehyde compound and a basic catalyst and reacted, and the dried gel has macropores, mesopores, etc. The pores, particularly the mesopores, were impregnated with an aqueous solution containing a phenolic compound, an aldehyde compound and a basic catalyst, and colloidal particles were formed from the aqueous solution to further form a three-dimensional network structure in the pores in the dried gel. This is a step of obtaining a wet gel.
[4]工程は、[3]工程で得られた含浸ゲルを脱水する工程であり、再乾燥ゲルを得る工程である。具体的には[2]工程の項で例示された方法と同様に行えばよい。[2]工程と[4]工程は同一条件でも異なった条件で行ってもよい。 [4] The step is a step of dehydrating the impregnated gel obtained in the [3] step, and is a step of obtaining a re-dried gel. Specifically, it may be carried out in the same manner as the method exemplified in the section [2]. The [2] step and the [4] step may be performed under the same conditions or different conditions.
[5]工程は、[4]工程で得られた再乾燥ゲルを焼成(炭化)し、炭素材料を得る工程である。通常は、不活性ガス雰囲気中で行われ、焼成(炭化)時の不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素等が好ましい。焼成(炭化)温度は、通常は200〜3000℃の範囲であり、体積抵抗率を低減させるためには、カルボキシル基等の官能基を除去し得る800℃以上であることが好ましく、グラファイト化を抑制するためには1100℃以下であることが好ましい。焼成時間は、通常は数分間〜数時間の範囲であるとしている。 [5] The step is a step of baking (carbonizing) the re-dried gel obtained in the [4] step to obtain a carbon material. Usually, it is performed in an inert gas atmosphere, and nitrogen, argon, helium, hydrogen, etc. are preferable as the inert gas at the time of firing (carbonization). The firing (carbonization) temperature is usually in the range of 200 to 3000 ° C., and in order to reduce the volume resistivity, it is preferably 800 ° C. or higher that can remove a functional group such as a carboxyl group, and graphitization is performed. In order to suppress, it is preferable that it is 1100 degrees C or less. The firing time is usually in the range of several minutes to several hours.
はじめに、以下の説明で使用する用語について説明しておく。 First, terms used in the following explanation will be explained.
「有機ポリマーヒドロゲル(単に、ポリマーヒドロゲルとも言う。)」は、水和(hydration)した有機ポリマーゲル(単に、ポリマーゲルとも言う。)であり、有機ポリマー骨格の間に取り込まれた水を含み、有機湿潤ゲル(単に、湿潤ゲルとも言う。)とも言う。 “Organic polymer hydrogel (also referred to simply as polymer hydrogel)” is a hydrated organic polymer gel (also referred to simply as polymer gel), including water entrapped between organic polymer backbones, Also referred to as organic wet gel (also referred to simply as wet gel).
「有機ポリマークライオゲル(単に、ポリマークライオゲル、有機エアロゲルとも言う。)」は、ポリマーヒドロゲルを凍結乾燥させて得られ、ゲル中に含まれる水を空気に置換したゲルを意味するものとする。 “Organic polymer cryogel (also simply referred to as polymer cryogel or organic aerogel)” means a gel obtained by freeze-drying a polymer hydrogel and replacing the water contained in the gel with air.
「炭化ゲル」は、ポリマークライオゲルを焼成して得られたゲルを意味するものとする。 "Carbonized gel" shall mean a gel obtained by firing a polymer cryogel.
多孔質炭素は、吸着剤、触媒担体等の化学分野、高電導材料等のエレクトロニクス分野等の多くの分野で利用されている。多孔質炭素を使用する目的に対応して、最適な細孔特性を有する多孔質炭素をどのようにして製造するのかは非常に重要な課題である。 Porous carbon is used in many fields such as the chemical field such as an adsorbent and a catalyst carrier, and the electronics field such as a highly conductive material. How to produce porous carbon having optimum pore characteristics corresponding to the purpose of using porous carbon is a very important issue.
二次電池、キャパシタ等のエネルギー貯蔵システムはその容量を向上させるために、使用される炭素材料の用途に最も適合するように細孔サイズが制御された多孔質炭素が要求されている。同様に、吸着材、各種金属触媒の担体等に使用される炭素材料に関しても、その用途に最も適合するように細孔サイズが制御された多孔質炭素が要求されている。従来、ナノメータ(nm)オーダの細孔サイズを有する多孔質炭素に関する研究開発が盛んであるが、ミクロンメータ(μm)オーダの細孔サイズを有する多孔質炭素に関する研究開発は進んでおらず、使用用途に適合するように細孔サイズが制御された多孔質炭素の製造方法が望まれている。 In order to improve the capacity of an energy storage system such as a secondary battery or a capacitor, porous carbon having a controlled pore size is required so as to best suit the application of the carbon material used. Similarly, regarding carbon materials used for adsorbents, supports for various metal catalysts, etc., porous carbons whose pore sizes are controlled so as to be most suitable for the applications are required. Conventionally, research and development on porous carbon with pore size of nanometer (nm) order has been active, but research and development on porous carbon with pore size of micrometer (μm) order has not progressed and is used There is a demand for a method for producing porous carbon in which the pore size is controlled to suit the application.
例えば、多孔質炭素は、燃料電池に使用される触媒の担体として注目されているが、これまでの研究開発は、主としてミクロ細孔と呼ばれる0.001μmから0.002μmのサイズの範囲の細孔をもつ多孔質炭素に関するものであった。このミクロ細孔は、大きな表面積を実現するために必須なものであるが、ミクロ細孔、メソ細孔より大きな細孔は、細孔体積やバルク密度のような性質に影響する。 For example, porous carbon has attracted attention as a support for catalysts used in fuel cells, but research and development so far has been conducted mainly on pores in the size range of 0.001 μm to 0.002 μm called micropores. It was related to porous carbon with These micropores are indispensable for realizing a large surface area, but pores larger than micropores and mesopores affect properties such as pore volume and bulk density.
多孔質炭素を触媒層、拡散層に使用する燃料電池では、触媒層、拡散層のもつ特性、例えば、燃料ガスや酸化剤ガスの透過率、水分透過率、機械的強度等の特性は、多孔質炭素の特性によって大きく左右される。メタノール燃料電池では、フラッディング現象、メタノールクロスオーバーは、拡散層、触媒層の空隙の大きさが関係しており、燃料電池の特性を優れたものとするためには、多孔質炭素の空隙の大きさが最適なものとなるように制御することが重要である。優れた特性をもつ燃料電池を実現するために細孔サイズが制御された多孔質炭素が要求され、細孔サイズが制御された多孔質炭素の製造方法が望まれている。 In fuel cells that use porous carbon for the catalyst layer and diffusion layer, the characteristics of the catalyst layer and diffusion layer, such as the fuel gas and oxidant gas permeability, moisture permeability, and mechanical strength, are porous. It depends greatly on the properties of carbonaceous material. In methanol fuel cells, the flooding phenomenon and methanol crossover are related to the size of the gaps in the diffusion layer and the catalyst layer. In order to improve the fuel cell characteristics, the size of the pores in the porous carbon is large. It is important to control so that the length is optimal. In order to realize a fuel cell with excellent characteristics, porous carbon with controlled pore size is required, and a method for producing porous carbon with controlled pore size is desired.
従来、湿潤ゲルを使用する多孔質炭素の製造法では、殆どの場合、湿潤ゲルから水を除去する方法として、湿潤ゲル中の水を親水性有機溶媒で置換した後、親水性有機溶媒を除去する方法がとられている。親水性有機溶媒を除去する方法として、減圧乾燥法、加熱乾燥法、凍結乾燥法、超臨界乾燥法等が使用されているが、1μm以上、1000μm以下のマクロ細孔を有する多孔質炭素を製造するための乾燥方法はこれまで検討が進んでいない。 Conventionally, in most methods for producing porous carbon using a wet gel, water is removed from the wet gel by replacing the water in the wet gel with a hydrophilic organic solvent and then removing the hydrophilic organic solvent. The way to do it is taken. As a method for removing the hydrophilic organic solvent, a vacuum drying method, a heat drying method, a freeze drying method, a supercritical drying method or the like is used, but a porous carbon having macropores of 1 μm or more and 1000 μm or less is manufactured. The drying method for doing so has not been studied so far.
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、1μm以上の細孔サイズが制御可能な多孔質炭素の製造方法、及び、この製造方法を適用した電子デバイスの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is to apply a method for producing porous carbon capable of controlling a pore size of 1 μm or more, and this production method. An object is to provide a method for manufacturing an electronic device.
即ち、本発明は、水(例えば、後述の実施の形態における脱イオン水)を溶媒として塩基性触媒(例えば、後述の実施の形態における炭酸ナトリウム)の存在下でフェノール類合物(例えば、後述の実施の形態におけるレゾルシノール)とアルデヒド類合物(例えば、後述の実施の形態におけるホルムアルデヒド)を重合させて有機ポリマーヒドロゲルを生成させる第1工程と、前記有機ポリマーヒドロゲルを凍結させる第2工程と、凍結された前記有機ポリマーヒドロゲルを凍結乾燥させる第3工程と、凍結乾燥された前記有機ポリマーヒドロゲルを焼成して多孔質炭素を生成させる第4工程とを有する、多孔質炭素の製造方法に係るものである。 That is, the present invention uses a phenol compound (for example, described later) in the presence of a basic catalyst (for example, sodium carbonate in the following embodiment) using water (for example, deionized water in the embodiment described later) as a solvent. A first step of polymerizing resorcinol) and an aldehyde compound (for example, formaldehyde in the embodiments described later) to produce an organic polymer hydrogel, and a second step of freezing the organic polymer hydrogel, A method for producing porous carbon, comprising: a third step of freeze-drying the frozen organic polymer hydrogel; and a fourth step of firing the freeze-dried organic polymer hydrogel to produce porous carbon. It is.
また、本発明は、上記の多孔質炭素の製造方法を適用し、この多孔質炭素によって触媒用担体、ガス拡散層、電極の少なくとも1つを形成する電子デバイスの製造方法に係るものである。 The present invention also relates to an electronic device manufacturing method in which the above porous carbon manufacturing method is applied, and at least one of a catalyst carrier, a gas diffusion layer, and an electrode is formed by the porous carbon.
本発明によれば、水を溶媒として塩基性触媒の存在下でフェノール類合物とアルデヒド類合物を重合させて有機ポリマーヒドロゲルを生成させる第1工程と、前記有機ポリマーヒドロゲルを凍結させる第2工程と、凍結された前記有機ポリマーヒドロゲルを凍結乾燥させる第3工程と、凍結乾燥された有機ポリマーヒドロゲルを焼成して多孔質炭素を生成させる第4工程とを有するので、前記有機ポリマーヒドロゲルに取り込まれている水を有機溶媒によって置換することなく、前記有機ポリマーヒドロゲルを凍結させるので、高価な装置を使用することなく、より少ない工程により低コストで1μm以上の細孔を有する多孔質炭素を製造することができる多孔質炭素の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, the first step of producing an organic polymer hydrogel by polymerizing a phenol compound and an aldehyde compound in the presence of a basic catalyst using water as a solvent, and the second step of freezing the organic polymer hydrogel. And having a third step of freeze-drying the frozen organic polymer hydrogel and a fourth step of firing the freeze-dried organic polymer hydrogel to produce porous carbon, so that the organic polymer hydrogel is incorporated into the organic polymer hydrogel. Since the organic polymer hydrogel is frozen without replacing the water with an organic solvent, porous carbon having pores of 1 μm or more can be produced at a low cost with fewer steps without using an expensive apparatus. A method for producing porous carbon that can be provided can be provided.
また、本発明によれば、上記の多孔質炭素の製造方法を適用し、この多孔質炭素によって触媒用担体、ガス拡散層、電極の少なくとも1つを形成するので、低コストで目的とする電子デバイスが製造可能な電子デバイスの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, since the porous carbon production method is applied and at least one of the catalyst carrier, the gas diffusion layer, and the electrode is formed by the porous carbon, the target electron can be produced at low cost. An electronic device manufacturing method capable of manufacturing a device can be provided.
本発明の多孔質炭素の製造方法では、前記第2工程において、前記有機ポリマーヒドロゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間によって細孔径の大きさが制御される構成とするのがよい。このような構成によれば、前記有機ポリマーヒドロゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間によって、細孔の源となる氷結晶の大きさを制御して所望の前記細孔径を有する多孔質炭素を生成させることができる。なお、最大氷結晶生成帯は、前記有機ポリマーヒドロゲルの含有する水が氷に変わる温度(氷結点)に達し、氷結晶が生成する約0℃から−5℃〜−7℃までの温度帯を意味し、この最大氷結晶生成帯を通過する時間は、前記有機ポリマーヒドロゲルが最大氷結晶生成帯の温度におかれ氷結晶が生成される時間(即ち、凍結時間)である。 In the method for producing porous carbon of the present invention, in the second step, the pore size may be controlled by the time during which the organic polymer hydrogel passes through the maximum ice crystal formation zone. According to such a configuration, the porous polymer having the desired pore diameter can be obtained by controlling the size of the ice crystals that are the source of the pores according to the time during which the organic polymer hydrogel passes through the maximum ice crystal formation zone. Can be generated. The maximum ice crystal formation zone reaches a temperature (freezing point) at which the water contained in the organic polymer hydrogel turns into ice, and a temperature range from about 0 ° C. to −5 ° C. to −7 ° C. at which ice crystals are formed. Meaning, the time for passing through the maximum ice crystal formation zone is the time during which the organic polymer hydrogel is at the temperature of the maximum ice crystal formation zone and ice crystals are formed (that is, the freezing time).
また、前記細孔径が1μm以上、1000μm以下である多孔質炭素を生成させる構成とするのがよい。このような構成によれば、前記有機ポリマーヒドロゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間を制御することによって、1μm以上、1000μm以下の範囲にある前記細孔径を有する多孔質炭素を生成させることができる。 Moreover, it is good to set it as the structure which produces | generates the porous carbon whose said pore diameter is 1 micrometer or more and 1000 micrometers or less. According to such a configuration, the porous carbon having the pore diameter in the range of 1 μm or more and 1000 μm or less can be generated by controlling the time during which the organic polymer hydrogel passes through the maximum ice crystal formation zone. it can.
また、前記有機ポリマーヒドロゲルを急速凍結させることによって、前記細孔径が1μm以上、100μm以下の範囲に制御される構成とするのがよい。このような構成によれば、前記有機ポリマーヒドロゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間を制御することによって、1μm以上、100μm以下の範囲にある前記細孔径を有する多孔質炭素を生成させることができる。 Moreover, it is good to set it as the structure by which the said pore diameter is controlled by the range of 1 micrometer or more and 100 micrometers or less by rapidly freezing the said organic polymer hydrogel. According to such a configuration, the porous carbon having the pore diameter in the range of 1 μm or more and 100 μm or less can be generated by controlling the time during which the organic polymer hydrogel passes through the maximum ice crystal formation zone. it can.
また、前記有機ポリマーヒドロゲルを急速凍結させることによって、前記細孔径が10μm以上、30μm以下の範囲に制御される構成とするのがよい。このような構成によれば、前記有機ポリマーヒドロゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間がより短くなるように制御することによって、10μm以上、30μm以下の範囲にある前記細孔径を有する多孔質炭素を生成させることができる。 Further, it is preferable that the pore diameter is controlled in a range of 10 μm or more and 30 μm or less by rapidly freezing the organic polymer hydrogel. According to such a configuration, the porous carbon having the pore diameter in the range of 10 μm or more and 30 μm or less is controlled by controlling the organic polymer hydrogel to pass through the maximum ice crystal formation zone. Can be generated.
また、前記有機ポリマーヒドロゲルを63K以上、77K以下の温度に冷却させる構成とするのがよい。このような構成によれば、安価な液体窒素を使用して前記有機ポリマーヒドロゲルを短時間で急速凍結させることができる。 The organic polymer hydrogel may be cooled to a temperature of 63K or higher and 77K or lower. According to such a configuration, the organic polymer hydrogel can be rapidly frozen in a short time using inexpensive liquid nitrogen.
また、前記有機ポリマーヒドロゲルを小片に分割した後に急速凍結させることによって、前記細孔径が1μm以上、2μm以下の範囲に制御される構成とするのがよい。このような構成によれば、前記有機ポリマーヒドロゲルが効率よく急速凍結され、前記細孔径を1μm以上、2μm以下とすることができる。 Further, it is preferable that the pore diameter is controlled in a range of 1 μm or more and 2 μm or less by rapid freezing after dividing the organic polymer hydrogel into small pieces. According to such a configuration, the organic polymer hydrogel can be rapidly frozen efficiently, and the pore diameter can be 1 μm or more and 2 μm or less.
また、前記有機ポリマーヒドロゲルを水に分散させた分散溶液を噴霧して急速凍結させる構成とするのがよい。このような構成によれば、噴霧によって微小な液滴とされた前記有機ポリマーヒドロゲルを効率よく急速凍結することができる。 Moreover, it is good to set it as the structure frozen by spraying the dispersion solution which disperse | distributed the said organic polymer hydrogel in water. According to such a configuration, the organic polymer hydrogel formed into fine droplets by spraying can be quickly and efficiently frozen.
また、噴霧された前記分散溶液の液滴を63K以上、77K以下の温度に冷却させる構成とするのがよい。このような構成によれば、安価な液体窒素を使用して前記有機ポリマーヒドロゲルを短時間で急速凍結させることができる。 The sprayed droplets of the dispersion solution may be cooled to a temperature of 63K or higher and 77K or lower. According to such a configuration, the organic polymer hydrogel can be rapidly frozen in a short time using inexpensive liquid nitrogen.
また、前記有機ポリマーヒドロゲルを緩慢凍結させることによって、前記細孔径が100μm以上、1000μm以下の範囲に制御される構成とするのがよい。このような構成によれば、前記有機ポリマーヒドロゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間を制御することによって、100μm以上、1000μm以下の範囲にある前記細孔径を有する多孔質炭素を生成させることができる。 Moreover, it is good to set it as the structure by which the said pore diameter is controlled in the range of 100 micrometers or more and 1000 micrometers or less by making the said organic polymer hydrogel freeze slowly. According to such a configuration, the porous carbon having the pore diameter in the range of 100 μm or more and 1000 μm or less can be generated by controlling the time during which the organic polymer hydrogel passes through the maximum ice crystal formation zone. it can.
また、前記有機ポリマーヒドロゲルを緩慢凍結させることによって、前記細孔径が500μm以上、1000μm以下の範囲に制御される構成とするのがよい。このような構成によれば、前記有機ポリマーヒドロゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間がより長くなるように制御することによって、500μm以上、1000μm以下の範囲にある前記細孔径を有する多孔質炭素を生成させることができる。 Moreover, it is good to set it as the structure by which the said pore diameter is controlled by the range of 500 micrometers or more and 1000 micrometers or less by making the said organic polymer hydrogel freeze slowly. According to such a configuration, the porous carbon having the pore diameter in the range of 500 μm or more and 1000 μm or less is controlled by controlling the organic polymer hydrogel to pass through the maximum ice crystal formation zone longer. Can be generated.
また、前記有機ポリマーヒドロゲルを200K以上、273K以下の温度に冷却させる構成とするのがよい。このような構成によれば、汎用的な低コストの装置を使用して前記有機ポリマーヒドロゲルを凍結させることができる。 The organic polymer hydrogel may be cooled to a temperature of 200K or higher and 273K or lower. According to such a structure, the said organic polymer hydrogel can be frozen using a general purpose low-cost apparatus.
また、前記有機ポリマーヒドロゲルを冷蔵庫又は凍結庫中で凍結させる構成とするのがよい。このような構成によれば、冷蔵庫又は凍結庫の動作温度条件を制御することによって、前記有機ポリマーヒドロゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間を制御することができる。 The organic polymer hydrogel may be frozen in a refrigerator or freezer. According to such a configuration, the time for the organic polymer hydrogel to pass through the maximum ice crystal formation zone can be controlled by controlling the operating temperature condition of the refrigerator or the freezer.
また、前記第1工程において、前記フェノール類合物、前記アルデヒド類合物、及び、前記塩基性触媒を前記溶媒に溶解させた後、355K以上、365K以下の温度に昇温する構成とするのがよい。このような構成によれば、前記溶媒である水の蒸発が過度になく、前記フェノール類合物、前記アルデヒド類合物の水溶液中でのゾル−ゲル重合の反応速度を高め効率よく均一な前記有機ポリマーヒドロゲルを生成することができる。 In the first step, the phenol compound, the aldehyde compound, and the basic catalyst are dissolved in the solvent and then heated to a temperature of 355 K or more and 365 K or less. Is good. According to such a configuration, there is no excessive evaporation of water as the solvent, the reaction rate of sol-gel polymerization in an aqueous solution of the phenol compound and the aldehyde compound is increased, and the uniform is efficiently performed. Organic polymer hydrogels can be produced.
また、前記フェノール類合物がレゾルシノール、前記アルデヒド類合物がホルムアルデヒド、前記塩基性触媒が炭酸ナトリウムである構成とするのがよい。このような構成によれば、安価な材料によって他校いつ炭化水素を生成することができる。 The phenol compound is preferably resorcinol, the aldehyde compound is formaldehyde, and the basic catalyst is sodium carbonate. According to such a configuration, it is possible to generate hydrocarbons at other schools with an inexpensive material.
また、前記有機ポリマーヒドロゲルは、95質量%以上、97質量%以下の水を含有する構成とするのがよい。このような構成によれば、前記細孔径が1μm以上、1000μm以下である多孔質炭素を生成させることができる。 The organic polymer hydrogel preferably contains 95% by mass to 97% by mass of water. According to such a configuration, porous carbon having a pore diameter of 1 μm or more and 1000 μm or less can be generated.
また、前記第4工程において、大気圧の不活性ガス下で、凍結乾燥された前記有機ポリマーヒドロゲルが焼成される構成とするのがよい。このような構成によれば、酸化による損失がなく前記有機ポリマーヒドロゲルを炭化させることができる。 In the fourth step, the freeze-dried organic polymer hydrogel may be fired under an inert gas at atmospheric pressure. According to such a configuration, the organic polymer hydrogel can be carbonized without loss due to oxidation.
また、凍結乾燥された前記有機ポリマーヒドロゲルが873K以上、1473K以下の温度で焼成される構成とするのがよい。このような構成によれば、活性化された多孔質炭素を生成することができる。 In addition, the freeze-dried organic polymer hydrogel may be fired at a temperature of 873 K or higher and 1473 K or lower. According to such a configuration, activated porous carbon can be generated.
本発明の電子デバイスの製造方法では、電子デバイスを、燃料電池、電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパタ、レドックスキャパシタとして構成するのがよい。このような構成によれば、低コストで電子デバイスが製造可能な電子デバイスの製造方法を提供することができる。 In the electronic device manufacturing method of the present invention, the electronic device may be configured as a fuel cell, an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, or a redox capacitor. According to such a configuration, it is possible to provide an electronic device manufacturing method capable of manufacturing an electronic device at low cost.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[実施の形態]
〈多孔質炭素の製造方法〉
本発明では、フェノール類合物とアルデヒド類合物を塩基性触媒の存在下の水溶液中で重合させ、重合反応で生成したポリマーが水溶液中に含まれるゾル状態を経て、最終的にゲルの隙間に水が含まれた有機湿潤ゲルを生成させる。そして、この湿潤ゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間が制御された下で湿潤ゲルを凍結させ、続いて、凍結乾燥によって乾燥させ、制御された細孔サイズを有する乾燥ゲル(有機エアロゲル)を作製し、これを不活性雰囲気下で焼成して炭化させ制御された細孔サイズを有する多孔質炭素を得ることができる。湿潤ゲルを凍結する際、図3によって後述するように、最大氷結晶生成帯を通過させる時間(湿潤ゲルが最大氷結晶生成帯の温度におかれ氷結晶が生成される時間(凍結時間))を制御することによって、細孔の源となる氷結晶の大きさを制御することができる。
[Embodiment]
<Method for producing porous carbon>
In the present invention, a phenol compound and an aldehyde compound are polymerized in an aqueous solution in the presence of a basic catalyst, and a polymer formed by the polymerization reaction is finally passed through a sol state in which the aqueous solution is contained. To form an organic wet gel containing water. Then, the wet gel is frozen under a controlled time for the wet gel to pass through the maximum ice crystal formation zone, followed by drying by freeze-drying, and a dry gel (organic aerogel) having a controlled pore size. Can be fired under an inert atmosphere and carbonized to obtain porous carbon having a controlled pore size. When freezing the wet gel, as will be described later with reference to FIG. 3, the time for allowing the wet gel to pass through the maximum ice crystal formation zone (the time during which the wet gel is placed at the temperature of the maximum ice crystal formation zone and ice crystals are formed (freezing time)) By controlling this, the size of the ice crystal that is the source of the pores can be controlled.
図1は、本発明の実施の形態における、多孔質炭素の製造方法を説明する図である。 FIG. 1 is a diagram for explaining a method for producing porous carbon in an embodiment of the present invention.
図1に示すように、先ず、水を溶媒として塩基性触媒の存在下でフェノール類合物とアルデヒド類合物を混合し、酸を添加し固相を溶解させた後、加熱してフェノール類合物とアルデヒド類合物を重合させて、水和したポリマーゲル(有機ポリマーヒドロゲル、又は、有機湿潤ゲル)を生成させる。 As shown in FIG. 1, first, a phenol compound and an aldehyde compound are mixed using water as a solvent in the presence of a basic catalyst, an acid is added to dissolve the solid phase, and then the phenol compound is heated. The compound and the aldehyde compound are polymerized to form a hydrated polymer gel (organic polymer hydrogel or organic wet gel).
次に、この有機湿潤ゲルを急速凍結又は緩慢凍結させ、続いて、この凍結された有機湿潤ゲルを凍結乾燥させポリマークライオゲル(有機エアロゲル)を生成し、最後に、ポリマークライオゲルを不活性雰囲気下で焼成処理して炭化させ多孔質炭素を得る。このようにして得られた多孔質炭素は、所望の粒径をもつように粉砕処理される。 The organic wet gel is then rapidly or slowly frozen, followed by lyophilization of the frozen organic wet gel to produce a polymer cryogel (organic aerogel), and finally the polymer cryogel is inerted The porous carbon is obtained by calcination and carbonization below. The porous carbon thus obtained is pulverized so as to have a desired particle size.
以下、水和したポリマーゲル(有機ポリマーヒドロゲル)の生成、有機ポリマーヒドロゲルの凍結、ポリマークライオゲルの生成、炭化ゲルの生成についてより詳細に説明する。 Hereinafter, generation of a hydrated polymer gel (organic polymer hydrogel), freezing of an organic polymer hydrogel, generation of a polymer cryogel, and generation of a carbonized gel will be described in more detail.
(水和したポリマーゲルの生成)
水和したポリマーゲル(有機ポリマーヒドロゲル)は、蒸留水、イオン交換水を溶媒として使用し、塩基性触媒の存在下でフェノール類合物とアルデヒド類合物を重合させて有機ポリマーヒドロゲルを生成させるが、フェノール類化合物として、例えば、レゾシノール(m−ジオキシベンゼン)、ヒドロキノン(p−ジオキシベンゼン)、カテコール(o−ジオキシベンゼン)、フェノールを使用することができる。また、アルデヒド類化合物として、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ブチルアルデヒドを使用することができる。ホルムアルデヒドは水溶性であり、フェノール類化合物との反応性が良好であり、ゾル−ゲル反応を効率的に行うことができる。また、塩基性触媒として、水溶性のアルカリ又はアルカリ土類金属の水酸化物或いは炭酸塩、例えば、炭酸ナトリウム(Na2CO3)、炭酸カリウム(K2CO3)、炭酸リチウム(Li2CO3)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)を使用することができる。
(Formation of hydrated polymer gel)
Hydrated polymer gel (organic polymer hydrogel) uses distilled water and ion-exchanged water as a solvent, and polymerizes a phenol compound and an aldehyde compound in the presence of a basic catalyst to form an organic polymer hydrogel. However, as the phenol compound, for example, resorcinol (m-dioxybenzene), hydroquinone (p-dioxybenzene), catechol (o-dioxybenzene), and phenol can be used. Moreover, formaldehyde, paraformaldehyde, acetaldehyde, and butyraldehyde can be used as an aldehyde compound. Formaldehyde is water-soluble, has good reactivity with phenolic compounds, and can efficiently perform a sol-gel reaction. As basic catalysts, water-soluble alkali or alkaline earth metal hydroxides or carbonates such as sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO) 3 ), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH) can be used.
好適な具体例としては、フェノール類合物としてレゾルシノール、アルデヒド類合物としてホルムアルデヒド、塩基性触媒として炭酸ナトリウムが使用され、酸の添加によってこれらが溶解された水溶液が355K以上、365K以下の温度に昇温され、ゾル−ゲル反応が進行して、95質量%以上、97質量%以下の水を含有する有機ポリマーヒドロゲルが形成される。 Preferable specific examples include resorcinol as a phenol compound, formaldehyde as an aldehyde compound, sodium carbonate as a basic catalyst, and an aqueous solution in which these are dissolved by addition of an acid at a temperature of 355 K or more and 365 K or less. The temperature is raised, and the sol-gel reaction proceeds to form an organic polymer hydrogel containing 95% by mass or more and 97% by mass or less of water.
次に、有機ポリマーヒドロゲルの凍結について説明する。 Next, freezing of the organic polymer hydrogel will be described.
(有機ポリマーヒドロゲルの凍結)
図2は、本発明の実施の形態における、水和したポリマーゲル(湿潤ゲル)の凍結方法を説明する図であり、図2(A)及び図2(B)は急速凍結、図2(C)は緩慢凍結を説明する図である。
(Freezing organic polymer hydrogel)
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of freezing a hydrated polymer gel (wet gel) according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 (A) and FIG. 2 (B) are quick freezing and FIG. ) Is a diagram for explaining slow freezing.
図3は、本発明の実施の形態における、凍結曲線の概要を説明する図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining the outline of the freezing curve in the embodiment of the present invention.
図3に示す凍結曲線は、凍結対象物体(ここでは、湿潤ゲルである。)を凍結したとき、時間の経過に伴う凍結対象物体の温度の変化を示すものであり、縦軸は凍結対象物体の温度、横軸は時間の経過を示す。 The freezing curve shown in FIG. 3 shows changes in the temperature of the object to be frozen over time when the object to be frozen (here, a wet gel) is frozen, and the vertical axis represents the object to be frozen. The temperature and horizontal axis indicate the passage of time.
一般に、凍結対象物体が冷却環境におかれると、凍結対象物体の温度が時間と共に低下していき、凍結対象物体の氷結点(水が氷に変わる温度)に達し、氷結晶が生成する約0℃から−5℃〜−7℃までの温度帯(「最大氷結晶生成帯」と呼ばれる。)を通過し、時間の経過と共に凍結対象物体の温度は低下していき、冷却環境で与えられる温度まで下がる。冷却環境は、例えば、固体炭素と有機溶媒による寒剤、液体窒素、液体酸素等の冷媒、冷蔵庫、冷凍庫等によって与えられる。 In general, when the object to be frozen is placed in a cooling environment, the temperature of the object to be frozen decreases with time, reaches the freezing point of the object to be frozen (the temperature at which water turns into ice), and generates approximately 0 ice crystals. It passes through the temperature zone from ℃ to -5 ℃ to -7 ℃ (referred to as the “maximum ice crystal formation zone”), and the temperature of the object to be frozen decreases with the passage of time. Go down. The cooling environment is given by, for example, a refrigerant made of solid carbon and an organic solvent, a refrigerant such as liquid nitrogen or liquid oxygen, a refrigerator, a freezer, or the like.
図3に示す、最大氷結晶生成帯と呼ばれる約0℃から−5℃〜−7℃までのゾーンは、凍結対象物体に含まれる水が氷に変化し、冷却熱が氷結晶の生成に要する潜熱として消費され、氷結晶の成長が促進されるゾーンである。従って、最大氷結晶生成帯を通過する通過時間(T)、言い換えると、凍結対象物体が最大氷結晶生成帯におかれ氷結晶が生成される時間(T)(以下、「凍結時間」と言う。)の長短によって凍結対象物体中に含まれる水から生成される氷結晶の大きさが異なる。 In the zone from about 0 ° C. to −5 ° C. to −7 ° C., called the maximum ice crystal formation zone shown in FIG. 3, the water contained in the object to be frozen changes to ice, and the heat of cooling is required for the formation of ice crystals. This zone is consumed as latent heat and promotes the growth of ice crystals. Therefore, the passage time (T) passing through the maximum ice crystal formation zone, in other words, the time (T) when the object to be frozen is placed in the maximum ice crystal formation zone and ice crystals are generated (hereinafter referred to as “freezing time”). )), The size of ice crystals generated from the water contained in the object to be frozen differs.
図3に示す右方の凍結曲線で示され、氷結晶生成帯を急速に短時間で通過させる急速凍結では、多数の微細結晶の氷結晶が凍結対象物体に生じる。一方、図3に示す左方の凍結曲線で示され、最大氷結晶生成帯をゆっくりと時間をかけて通過させる緩慢凍結では、少数の大きな氷結晶が凍結対象物体に生じる。なお、図3では、急速凍結における凍結時間(T)をTr、緩慢凍結における凍結時間(T)をTsで示している。 As shown by the freezing curve on the right side shown in FIG. 3, in the quick freezing that rapidly passes through the ice crystal formation zone in a short time, a large number of fine crystal ice crystals are generated in the object to be frozen. On the other hand, in the slow freezing shown in the left freezing curve shown in FIG. 3 and slowly passing the maximum ice crystal formation zone over time, a small number of large ice crystals are generated in the object to be frozen. In FIG. 3, the freezing time (T) in rapid freezing is denoted by Tr, and the freezing time (T) in slow freezing is denoted by Ts.
本発明では、湿潤ゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間(凍結時間)(T)を制御することによって、最終的に炭化ゲルに生成される細孔の源となる氷結晶の大きさを制御することができ、炭化ゲルの細孔径を1μm以上、1000μm以下の範囲に制御ことができる。 In the present invention, by controlling the time (T) during which the wet gel passes through the maximum ice crystal formation zone (T), the size of the ice crystals that finally become the source of pores generated in the carbonized gel is reduced. The pore diameter of the carbonized gel can be controlled in the range of 1 μm or more and 1000 μm or less.
図2(A)は、小片化された水和ポリマー(湿潤ゲル)を液体窒素中に投入して急速凍結する例を示している。液体窒素を用いて63K以上、77K以下の温度に湿潤ゲルを冷却し、例えば、凍結しようとする湿潤ゲルの大きさを変える等によって、急速凍結における凍結時間(Tr)が短い時間となるように制御することによって、細孔径を1μm以上、100μm以下の範囲、或いは、10μm以上、30μm以下の範囲に制御することができる。 FIG. 2 (A) shows an example in which a fragmented hydrated polymer (wet gel) is put into liquid nitrogen and rapidly frozen. Cooling the wet gel to a temperature of 63K or more and 77K or less using liquid nitrogen, for example, changing the size of the wet gel to be frozen, etc., so that the freezing time (Tr) in quick freezing becomes a short time. By controlling, the pore diameter can be controlled in the range of 1 μm to 100 μm, or in the range of 10 μm to 30 μm.
図2(B)は、霧化された水和ポリマー(湿潤ゲル)を液体窒素中に入れて急速凍結する例を示している。湿潤ゲルを微細片化してこれを水に分散させた分散溶液を液体窒素中に噴霧して、湿潤ゲルを含む霧(液滴)を63K以上、77K以下の温度に冷却し微細な凍結体として、凍結時間(Tr)が短い時間となるように急速凍結させることによって、細孔径を1μm以上、2μm以下の範囲に制御することができる。 FIG. 2 (B) shows an example in which the atomized hydrated polymer (wet gel) is rapidly frozen in liquid nitrogen. The wet gel is divided into fine pieces and dispersed in water. The dispersion is sprayed onto liquid nitrogen, and the mist (droplet) containing the wet gel is cooled to a temperature of 63K or higher and 77K or lower to form a fine frozen body. The pore diameter can be controlled in the range of 1 μm or more and 2 μm or less by rapid freezing so that the freezing time (Tr) is short.
図2(C)は、小片化された水和ポリマー(湿潤ゲル)を冷凍庫(freezing storage)に入れて庫内の温度を制御し、例えば、200K以上、273K以下の温度に湿潤ゲルを冷却し、緩慢凍結する例を示している。例えば、凍結しようとする湿潤ゲルの大きさを変える、或いは、凍結時間(Ts)が長い時間となるように冷凍庫内の温度を制御する等によって、凍結時間(Ts)を制御することによって、細孔径を100μm以上、1000μm以下の範囲、或いは、500μm以上、1000μm以下の範囲に制御することができる。冷凍庫に換えて−10℃以下に冷却可能な冷蔵庫(cooling storage)を使用して、湿潤ゲルの緩慢凍結をおこなうことができることは言うまでもない。 FIG. 2 (C) shows that the fragmented hydrated polymer (wet gel) is put in a freezing storage to control the temperature in the refrigerator, and the wet gel is cooled to a temperature of 200 K or more and 273 K or less, for example. An example of slow freezing. For example, by controlling the freezing time (Ts) by changing the size of the wet gel to be frozen or by controlling the temperature in the freezer so that the freezing time (Ts) is long, The pore diameter can be controlled in the range of 100 μm or more and 1000 μm or less, or in the range of 500 μm or more and 1000 μm or less. It goes without saying that the freezing of the wet gel can be performed by using a cooling storage that can be cooled to -10 ° C or lower instead of the freezer.
次に、凍結された湿潤ゲルの凍結乾燥によるポリマークライオゲルの生成について説明する。 Next, production of a polymer cryogel by freeze drying of a frozen wet gel will be described.
(凍結された湿潤ゲルの凍結乾燥:ポリマークライオゲルの生成)
ことで凍結乾燥対象とされる例は、図2(A)又は図2(B)に示した急速凍結によって得られもの(図4に示す(A)又は(B))であり、液体窒素中の凍結された湿潤ゲル、或いは、図2(C)に示した緩慢凍結によって得られもの(図4に示す(C))であり、冷凍庫の冷凍用容器中の凍結された湿潤ゲルである。
(Freeze drying of frozen wet gel: production of polymer cryogel)
The examples that are lyophilized are those obtained by rapid freezing shown in FIG. 2 (A) or FIG. 2 (B) ((A) or (B) shown in FIG. 4) in liquid nitrogen. A frozen wet gel, or one obtained by slow freezing as shown in FIG. 2C (FIG. 4C), and a frozen wet gel in a freezing container of a freezer.
図4に示すように、凍結乾燥(フリーズドライ)装置は、排気ポンプによって排気される真空室と、この中に配置され熱媒体によって加熱される加熱ステージ、冷凍機によって低温に保持されたコールドトラップから構成されている。凍結乾燥の概要は次の通りである。 As shown in FIG. 4, a freeze-drying (freeze-drying) apparatus includes a vacuum chamber that is evacuated by an exhaust pump, a heating stage that is placed in the vacuum chamber and heated by a heat medium, and a cold trap that is held at a low temperature by a refrigerator. It is composed of The outline of freeze-drying is as follows.
例えば、0.1mmHgの圧力下では、1gの氷は蒸発して10,000Lにも膨張するため、これを排気ポンプのみで排気することは実用的にできない。凍結乾燥装置では、凍結された乾燥対象(ここでは、凍結されたポリマーヒドロゲルである。)から昇華してくる水蒸気は、冷凍機によって低温に保持されたコールドトラップ(例えば、冷凍パイプ)に同体積の氷として凝固されるので、コールドトラップが排気ポンプの役割を果たしている。装置内の真空度は常に低く保たれ、乾燥対象の温度は飽和蒸気圧と対応して低温のまま保持され、水の昇華が進行し乾燥対象は脱水されていく。排気ポンプは、乾燥初期に装置内の空気を排気するために使用され、乾燥工程では、コールドトラップでトラップされなかった非凝縮ガスを排出するのに使用される。 For example, under a pressure of 0.1 mmHg, 1 g of ice evaporates and expands to 10,000 L, so that it cannot be practically exhausted by only an exhaust pump. In the freeze-drying apparatus, water vapor sublimated from a frozen object to be dried (here, a frozen polymer hydrogel) has the same volume in a cold trap (for example, a freezing pipe) held at a low temperature by a refrigerator. Because it is solidified as ice, the cold trap plays the role of an exhaust pump. The degree of vacuum in the apparatus is always kept low, the temperature of the object to be dried is kept at a low temperature corresponding to the saturated vapor pressure, the water sublimation proceeds, and the object to be dried is dehydrated. The exhaust pump is used to exhaust the air in the apparatus at the beginning of drying, and is used to exhaust non-condensable gas that has not been trapped by the cold trap in the drying process.
熱源による熱エネルギーは、熱交換機を通して熱媒体に付与され、熱媒体によって加熱ステージが加熱され、乾燥対象に昇華潜熱として伝達され、乾燥対象から昇華した水は、コールドトラップで熱を放出して氷に戻り、その熱は冷却機の冷却水に放熱される。乾燥対象からの水の昇華は進行し、水の昇華量が少なくなるに従って、加熱ステージから供給される熱の方が多くなり、熱バランスが崩れ乾燥対象の温度が上昇していく。凍結乾燥装置を使用することにより、低コストで湿潤ゲルを短時間で乾燥させ、ポリマークライオゲルを生成することができる。 The heat energy from the heat source is applied to the heat medium through the heat exchanger, the heating stage is heated by the heat medium, and is transmitted as sublimation latent heat to the object to be dried. The heat is released to the cooling water of the cooler. The sublimation of water from the drying target proceeds, and as the amount of water sublimation decreases, the heat supplied from the heating stage increases, the heat balance is lost, and the temperature of the drying target increases. By using a freeze-drying apparatus, a wet gel can be dried in a short time at a low cost, and a polymer cryogel can be produced.
以上の説明では、湿潤ゲルの凍結と、凍結された湿潤ゲルの凍結乾燥を分けて説明したが、湿潤ゲルの凍結と凍結された湿潤ゲルの凍結乾燥を、図4に示す凍結乾燥装置内で連続して行うことができることは言うまでもない。 In the above description, the freezing of the wet gel and the freeze drying of the frozen wet gel have been described separately. However, the freezing of the wet gel and the freeze drying of the frozen wet gel are performed in the freeze drying apparatus shown in FIG. Needless to say, it can be performed continuously.
次に、ポリマークライオゲルを焼成処理による炭化ゲルの生成について説明する。 Next, the production | generation of the carbonized gel by baking processing of a polymer cryogel is demonstrated.
(ポリマークライオゲルの焼成:炭化ゲルの生成)
ポリマークライオゲルは、大気圧の不活性ガス下で、873K以上、1473K以下の温度で焼成され炭化ゲルとされ、活性化された多孔質炭素が得られる。得られた多孔質炭素は、粉砕機を使用して、使用目的に応じた所望の粒径とされる。
(Baking of polymer cryogel: generation of carbonized gel)
The polymer cryogel is baked at a temperature of 873 K or more and 1473 K or less under an inert gas at atmospheric pressure to obtain a carbonized gel, and activated porous carbon is obtained. The obtained porous carbon is made into a desired particle size according to the purpose of use using a pulverizer.
このようにして得られた多孔質炭素は、各種の電子デバイスに使用することができ、電子デバイスは、例えば、多孔質炭素を白金触媒が担持される担体として具備する燃料電池、多孔質炭素を使用して形成されたガス拡散層を具備する燃料電池、多孔質炭素を使用して形成された電極を具備する二次電池、多孔質炭素を使用して形成された電極を具備するキャパシタ(電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパタ、レドックスキャパシタ)等である。 The porous carbon obtained in this way can be used for various electronic devices. The electronic device includes, for example, a fuel cell comprising porous carbon as a support on which a platinum catalyst is supported, porous carbon. A fuel cell having a gas diffusion layer formed using, a secondary battery having an electrode formed using porous carbon, and a capacitor having an electrode formed using porous carbon (electricity Double layer capacitor, hybrid capacitor, redox capacitor) and the like.
また、多孔質炭素は、種々の化学種の吸着剤、一般の化学反応用の触媒の担体として使用することができることは言うまでもない。 Needless to say, the porous carbon can be used as an adsorbent of various chemical species and as a support for a catalyst for a general chemical reaction.
次に、本発明による多孔質炭素が適用される燃料電池について説明する。 Next, a fuel cell to which the porous carbon according to the present invention is applied will be described.
<本発明による多孔質炭素用される燃料電池>
本発明による多孔質炭素が適用され形成される触媒層、ガス拡散層を燃料電池に使用することができる。次に、この燃料電池の例について説明する。
<Fuel Cell for Porous Carbon According to the Present Invention>
The catalyst layer and the gas diffusion layer formed by applying the porous carbon according to the present invention can be used for a fuel cell. Next, an example of this fuel cell will be described.
図5は、本発明の実施の形態におけるDMFC(直接型メタノール燃料電池)の構成例を説明する断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a DMFC (direct methanol fuel cell) according to the embodiment of the present invention.
図5に示すように、メタノール水溶液が燃料25として、流路をもつ燃料供給部(セパレータ)50の入口26aから通路27aへと流され、基体である導電性のガス拡散層24aを通って、ガス拡散層24aによって保持された触媒電極22aに到達し、図5の下方に示すアノード反応に従って、触媒電極22a上でメタノールと水が反応し、水素イオン、電子、二酸化炭素が生成され、二酸化炭素を含む排ガス29aが出口28aから排出される。生成された水素イオンは、プロトン伝導性複合電解質によって形成された高分子電解質膜23中を、生成された電子はガス拡散層24a、外部回路70を通り、更に、基体である導電性のガス拡散層24bを通って、ガス拡散層24bによって保持された触媒電極22bに到達する。 As shown in FIG. 5, the methanol aqueous solution is flowed from the inlet 26a of the fuel supply section (separator) 50 having a flow path to the passage 27a as the fuel 25, through the conductive gas diffusion layer 24a as the base, The catalyst electrode 22a held by the gas diffusion layer 24a is reached, and according to the anode reaction shown in the lower part of FIG. 5, methanol and water react on the catalyst electrode 22a to generate hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide. The exhaust gas 29a containing is discharged from the outlet 28a. The generated hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane 23 formed by the proton-conducting composite electrolyte, and the generated electrons pass through the gas diffusion layer 24a and the external circuit 70, and further, conductive gas diffusion as a substrate. The catalyst electrode 22b held by the gas diffusion layer 24b is reached through the layer 24b.
図5に示すように、空気又は酸素35が、流路をもつ空気又は酸素供給部(セパレータ)60の入口26bから通路27bへと流され、ガス拡散層24bを通って、ガス拡散層24bによって保持された触媒電極22aに到達し、図5の下方に示すカソード反応に従って、触媒電極22b上で水素イオン、電子、酸素が反応し、水が生成され、水を含む排ガス29bが出口28bら排出される。図5の下方に示すように全反応は、メタノールと酸素から電気エネルギーを取り出して水と二酸化炭素を排出するというメタノールの燃焼反応となる。 As shown in FIG. 5, air or oxygen 35 flows from the inlet 26b of the air or oxygen supply section (separator) 60 having a flow path to the passage 27b, passes through the gas diffusion layer 24b, and passes through the gas diffusion layer 24b. Reaching the retained catalyst electrode 22a, hydrogen ions, electrons, and oxygen react on the catalyst electrode 22b according to the cathode reaction shown in the lower part of FIG. 5 to produce water, and the exhaust gas 29b containing water is discharged from the outlet 28b. Is done. As shown in the lower part of FIG. 5, the entire reaction is a methanol combustion reaction in which electric energy is extracted from methanol and oxygen and water and carbon dioxide are discharged.
図6は、本発明の実施の形態におけるPEFC(高分子電解質型燃料電池)の構成例を説明する断面図である。 FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a PEFC (polymer electrolyte fuel cell) according to the embodiment of the present invention.
図6に示すように、加湿された水素ガスが燃料25として、燃料供給部50の入口26aから通路27aへと流されガス拡散層24aを通って、触媒電極22aに到達し、図6の下方に示すアノード反応に従って、触媒電極22a上で水素ガスから水素イオン、電子が生成され、余剰の水素ガスを含む排ガス29aが出口28aから排出される。生成された水素イオンは、プロトン伝導性複合電解質によって形成された高分子電解質膜23中を、生成された電子はガス拡散層24a、外部回路70を通り、更に、ガス拡散層24bを通って触媒電極22bに到達する。 As shown in FIG. 6, the humidified hydrogen gas flows as fuel 25 from the inlet 26a of the fuel supply unit 50 to the passage 27a, passes through the gas diffusion layer 24a, and reaches the catalyst electrode 22a. In accordance with the anode reaction shown in FIG. 2, hydrogen ions and electrons are generated from the hydrogen gas on the catalyst electrode 22a, and the exhaust gas 29a containing excess hydrogen gas is discharged from the outlet 28a. The generated hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane 23 formed by the proton conductive composite electrolyte, and the generated electrons pass through the gas diffusion layer 24a and the external circuit 70, and further pass through the gas diffusion layer 24b to form a catalyst. It reaches the electrode 22b.
図6に示すように、空気又は酸素35が、空気又は酸素供給部60の入口26bから通路27bへと流され、ガス拡散層24bを通って触媒電極22aに到達し、図6の下方に示すカソード反応に従って、触媒電極22b上で水素イオン、電子、酸素が反応し、水が生成され、水を含む排ガス29bが出口28bら排出される。図6の下方に示すように全反応は、水素ガスと酸素から電気エネルギーを取り出して水を排出するという水素ガスの燃焼反応となる。 As shown in FIG. 6, air or oxygen 35 flows from the inlet 26b of the air or oxygen supply section 60 to the passage 27b, reaches the catalyst electrode 22a through the gas diffusion layer 24b, and is shown in the lower part of FIG. According to the cathode reaction, hydrogen ions, electrons, and oxygen react on the catalyst electrode 22b to generate water, and the exhaust gas 29b containing water is discharged from the outlet 28b. As shown in the lower part of FIG. 6, the entire reaction is a hydrogen gas combustion reaction in which electric energy is extracted from hydrogen gas and oxygen and water is discharged.
図5、図6において、高分子電解質膜23は、プロトン伝導性複合電解質が結着剤(例えば、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、等…)によって結着されて形成されている。高分子電解質膜23によって、アノード20とカソード30が隔てられ、高分子電解質膜23を通して水素イオンや水分子が移動する。高分子電解質膜23は、水素イオンの伝導性が高い膜であり、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。 5 and 6, the polymer electrolyte membrane 23 is formed by binding a proton conductive composite electrolyte with a binder (eg, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.). Has been. The anode 20 and the cathode 30 are separated by the polymer electrolyte membrane 23, and hydrogen ions and water molecules move through the polymer electrolyte membrane 23. The polymer electrolyte membrane 23 is a membrane having high hydrogen ion conductivity, preferably chemically stable and high in mechanical strength.
図5、図6において、触媒電極22a、22bは、集電体である導電性の基体を構成し、ガスや溶液に対して透過性をもったガス拡散層24a、24b上に密着して形成されている。ガス拡散層24a、24bは、例えば、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体から構成される。燃料電池の駆動によって生じる水によるガス拡散効率の低下を防止するために、ガス拡散層は、フッ素樹脂等で撥水処理されている。 5 and 6, the catalyst electrodes 22a and 22b constitute a conductive substrate as a current collector and are formed in close contact with gas diffusion layers 24a and 24b that are permeable to gases and solutions. Has been. The gas diffusion layers 24a and 24b are made of, for example, a porous substrate such as carbon paper, a carbon molded body, a carbon sintered body, a sintered metal, and a foam metal. In order to prevent a decrease in gas diffusion efficiency due to water generated by driving the fuel cell, the gas diffusion layer is subjected to water repellent treatment with a fluororesin or the like.
触媒電極22a、22bは、例えば、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金等からなる触媒が担持された担体が、結着剤(例えば、ポリテトラフロロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、等…)によって結着され形成されている。担体として、例えば、アセチレンブラック、黒鉛のような炭素、アルミナ、シリカ等の無機物微粒子が使用される。結着剤を溶解させた有機溶剤に炭素粒子(触媒金属が担持されている。)が分散された溶液を、ガス拡散層24a、24bに塗布し、有機溶剤を蒸発させて結着剤によって結着された膜状の触媒電極22a、22bが形成される。 The catalyst electrodes 22a and 22b are made of, for example, a carrier on which a catalyst made of platinum, ruthenium, osmium, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or the like is supported by a binder (eg, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride ( PVDF), etc.)). As the carrier, for example, acetylene black, carbon such as graphite, inorganic fine particles such as alumina and silica are used. A solution in which carbon particles (catalyst metal is supported) is dispersed in an organic solvent in which the binder is dissolved is applied to the gas diffusion layers 24a and 24b, and the organic solvent is evaporated and bound by the binder. The attached film-like catalyst electrodes 22a and 22b are formed.
高分子電解質膜23が、ガス拡散層24a、24b上に密着して形成された触媒電極22a、22bによって挟持され、膜電極接合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)40が形成されている。触媒電極22a、ガス拡散層24aによってアノード20が構成され、触媒電極22b、ガス拡散層24bによってカソード30が構成されている。アノード20及びカソード極30は高分子電解質膜23に密着し、炭素粒子の間にプロトン伝導体が入り込み、触媒電極22a、22bに高分子電解質(プロトン伝導体)を含浸させた状態となって、触媒電極22a、22と高分子電解質膜23とが密着して接合され、接合界面で水素イオンの高い伝導性が保持され、電気抵抗が低く保持される。 The polymer electrolyte membrane 23 is sandwiched between catalyst electrodes 22a and 22b formed in close contact with the gas diffusion layers 24a and 24b, thereby forming a membrane-electrode assembly (MEA) 40. The anode 20 is constituted by the catalyst electrode 22a and the gas diffusion layer 24a, and the cathode 30 is constituted by the catalyst electrode 22b and the gas diffusion layer 24b. The anode 20 and the cathode electrode 30 are in close contact with the polymer electrolyte membrane 23, the proton conductor enters between the carbon particles, and the catalyst electrodes 22a and 22b are impregnated with the polymer electrolyte (proton conductor). The catalyst electrodes 22a, 22 and the polymer electrolyte membrane 23 are closely bonded to each other, and high conductivity of hydrogen ions is maintained at the bonding interface, and electric resistance is kept low.
なお、図5、図6に示した例では、燃料25の入口26a、排ガス29aの出口28a、空気又は酸素(O2)35の入口26b、排ガス29bの出口28bの各開口部が、高分子電解質膜23、触媒電極22a、22bの面に垂直に配置されているが、上記の各開口部が、高分子電解質膜23、触媒電極22a、22bの面に平行に配置されている構成とすることもでき、上記の各開口部の配置に関して種々の変形が可能である。 In the examples shown in FIGS. 5 and 6, the openings of the fuel 26 inlet 26a, the exhaust gas 29a outlet 28a, the air or oxygen (O 2 ) 35 inlet 26b, and the exhaust gas 29b outlet 28b are provided with a polymer. Although arranged perpendicularly to the surfaces of the electrolyte membrane 23 and the catalyst electrodes 22a and 22b, the openings are arranged in parallel to the surfaces of the polymer electrolyte membrane 23 and the catalyst electrodes 22a and 22b. Various modifications can be made with respect to the arrangement of the openings.
図5、図6に示す燃料電池の製造は、各種文献に公知されている一般的な方法を利用できるので、製造に関する詳細な説明は省略する。 The fuel cells shown in FIGS. 5 and 6 can be manufactured by using general methods known in various literatures, and thus detailed description on the manufacturing will be omitted.
次に、本発明による多孔質炭素が適用されるキャパシタについて説明する。 Next, a capacitor to which the porous carbon according to the present invention is applied will be described.
<本発明による多孔質炭素が適用される電気二重層キャパシタ>
図7は、本発明の実施の形態における、電気二重層キャパシタの基本構成の概要を説明する断面図である。
<Electric double layer capacitor to which porous carbon according to the present invention is applied>
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the outline of the basic configuration of the electric double layer capacitor in the embodiment of the present invention.
図7に示すように、電気二重層キャパシタ(Electric Double Layer Capacitor:EDC))は、セパレータ13を挟んで配置された分極性電極(正極)10a及び分極性電極(負極)10bと、分極性電極(正極)10a、分極性電極(負極)10bにそれぞれ接合された集電体12と、電解質に対して不溶性、耐食性を有し、密封、封止するための電気絶縁性樹脂からなるガスケット14から構成されている。分極性電極(正極)10a、分極性電極(負極)10bはそれぞれ、多孔質炭素からなる電極であり、電解質が非プロトン性溶媒に溶解された電解質液が含浸されている。分極性電極10a、10bと電解質との間に形成される界面(電気二重層)に電荷が蓄えられ、電気エネルギーが貯蔵される。 As shown in FIG. 7, an electric double layer capacitor (EDC) includes a polarizable electrode (positive electrode) 10a and a polarizable electrode (negative electrode) 10b arranged with a separator 13 interposed therebetween, and a polarizable electrode. A current collector 12 joined to each of (positive electrode) 10a and polarizable electrode (negative electrode) 10b, and gasket 14 made of an electrically insulating resin that is insoluble and corrosion resistant to the electrolyte, and is hermetically sealed. It is configured. Each of the polarizable electrode (positive electrode) 10a and the polarizable electrode (negative electrode) 10b is an electrode made of porous carbon, and is impregnated with an electrolyte solution in which an electrolyte is dissolved in an aprotic solvent. Electric charges are stored in an interface (electric double layer) formed between the polarizable electrodes 10a and 10b and the electrolyte, and electric energy is stored.
電解質として、例えば、テトラアルキルアンモニウム塩、アルキレン基を有する4級アンモニウム塩、ホスホニウム塩、これらのアルキル基やアルキレン基のHの少なくとも1つがF等のハロゲンに置換されたハロゲン化アンモニウム塩等のオニウム塩等からなるイオン解離性塩が使用される。 Examples of the electrolyte include tetraalkylammonium salts, quaternary ammonium salts having an alkylene group, phosphonium salts, and oniums such as ammonium halide salts in which at least one of H of these alkyl groups or alkylene groups is substituted with a halogen such as F. An ion dissociable salt composed of a salt or the like is used.
非プロトン性溶媒として、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン等の環状炭酸エステル類、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル等の鎖状炭酸エステル類、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状カルボン酸エステル類、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等の鎖状カルボン酸エステル類、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル等のニトリル類、スルホラン、トリメチルホスフェート等が使用される。 Examples of the aprotic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and diethyl carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone and the like. Used as cyclic carboxylic acid esters, chain carboxylic acid esters such as methyl acetate and methyl propionate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, nitriles such as 3-methoxypropionitrile, sulfolane, trimethyl phosphate, etc. Is done.
セパレータは、イオン透過度が大きく、電解質に対して不溶性、耐食性を有する電気絶縁性樹脂、ガラス繊維やセラミクス等からなる多孔質フィルム、不織布又は抄紙等からなり、電解質液が含浸されている。集電体としては、例えば、銅、ステンレス、アルミニウム合金等の金属が使用される。 The separator is made of an electrically insulating resin having a high ion permeability, insoluble in an electrolyte and having corrosion resistance, a porous film made of glass fiber, ceramics, or the like, a nonwoven fabric or papermaking, and is impregnated with an electrolyte solution. As the current collector, for example, a metal such as copper, stainless steel, or aluminum alloy is used.
<本発明による多孔質炭素が適用されるハイブリッドキャパシタ>
図8は、本発明の実施の形態における、ハイブリッドキャパシタの基本構成の概要を説明する断面図である。
<Hybrid capacitor to which porous carbon according to the present invention is applied>
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining the outline of the basic configuration of the hybrid capacitor in the embodiment of the present invention.
ハイブリッドキャパシタは、充電時に、負極においてリチウムイオンが黒鉛等のカーボンの層間に挿入され、正極では電極表面に電解質のアニオンが引き寄せられて電気二重層を構成することにより、蓄電されるデバイスである。 A hybrid capacitor is a device that stores electricity by charging lithium ions between layers of carbon such as graphite at the negative electrode during charging, and forming an electric double layer by attracting anions of electrolyte to the electrode surface at the positive electrode.
図8に示すように、ハイブリッドキャパシタは、図7に示す電気二重層キャパシタにおいて、分極性電極(負極)10bをリチウムイオン二次電池の負極と同様の黒鉛電極(負極)10cに換えた構成を有している。 As shown in FIG. 8, the hybrid capacitor has a configuration in which the polarizable electrode (negative electrode) 10b is replaced with the graphite electrode (negative electrode) 10c similar to the negative electrode of the lithium ion secondary battery in the electric double layer capacitor shown in FIG. Have.
電解質として、リチウムカチオンと無機アニオンとの組み合わせが用いられ、無機アニオンは、BF4 -、PF6 -、ClO4 -からなる群から選ばれる少なくとも1種が使用される。電解質液に含まれる有機極性溶媒として、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、γ−ブチロラクトン等が使用される。 As the electrolyte, a combination of a lithium cation and an inorganic anion is used, and the inorganic anion is at least one selected from the group consisting of BF 4 − , PF 6 − and ClO 4 − . As the organic polar solvent contained in the electrolyte solution, cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate and butylene carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and diethyl carbonate, γ-butyrolactone, and the like are used.
<本発明による多孔質炭素が適用されるレドックスキャパシタ>
図9は、本発明の実施の形態における、レドックスキャパシタの基本構成の概要を説明する断面図である。
<Redox capacitor to which porous carbon according to the present invention is applied>
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining the outline of the basic configuration of the redox capacitor in the embodiment of the present invention.
レドックスキャパシタは、擬似容量を利用して、電気二重層キャパシタの容量拡大をしたキャパシタであり、電気エネルギーの貯蔵と放出に、電極材料の酸化還元、電気二重層における充放電、電極表面でのイオンの脱吸着を利用するものである。 A redox capacitor is a capacitor that expands the capacity of an electric double layer capacitor by using a pseudo-capacitance. For storage and release of electric energy, redox of an electrode material, charge / discharge in an electric double layer, ions on an electrode surface It utilizes the desorption of.
図9に示すように、レドックスキャパシタは、図7に示す電気二重層キャパシタにおいて、分極性電極(正極)10a、分極性電極(負極)10bをそれぞれ、電極(正極)10d、電極(負極)10に換えた構成を有している。電極(正極)10d、電極(負極)10はそれぞれ、多孔質炭素からなる電極であり、活物質を含む電解質液が含浸されている。活物質は、ルテニウム等の遷移金属酸化物、遷移金属水酸化物、導電性高分子等である。電解質液として、ルテニウム等の遷移金属酸化物又は遷移金属水酸化物を活物質とするとき、硫酸水溶液を電解液とし、導電性高分子を活物質とするとき、LiBF4、LiPF6、LiClO4等のリチウム塩等の電解質を溶解し解離させた有機溶媒を電解液とする。電解質液に含まれる溶媒は、電気二重層キャパシタで使用される非プロトン性溶媒が使用される。 As shown in FIG. 9, the redox capacitor is the same as the electric double layer capacitor shown in FIG. 7, but the polarizable electrode (positive electrode) 10 a and the polarizable electrode (negative electrode) 10 b are respectively an electrode (positive electrode) 10 d and an electrode (negative electrode) 10. It has the structure replaced with. The electrode (positive electrode) 10d and the electrode (negative electrode) 10 are electrodes made of porous carbon, respectively, and are impregnated with an electrolyte solution containing an active material. The active material is a transition metal oxide such as ruthenium, a transition metal hydroxide, a conductive polymer, or the like. As an electrolyte solution, when a transition metal oxide such as ruthenium or a transition metal hydroxide is used as an active material, an aqueous solution of sulfuric acid is used as an electrolyte solution, and a conductive polymer is used as an active material, LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 An organic solvent in which an electrolyte such as a lithium salt is dissolved and dissociated is used as an electrolytic solution. The aprotic solvent used in the electric double layer capacitor is used as the solvent contained in the electrolyte solution.
次に、多孔質炭素に関する実施例について説明する。 Next, examples relating to porous carbon will be described.
本発明の実施例では、レゾルシノールとホルムアルデヒドが重合され相互に連結された網目構造に水が満たされて構成される水和されたレゾルシノール−ホルムアルデヒドポリマーゲル(湿潤ゲル)が、ゾル−ゲルプロセスによって合成される。 In an embodiment of the present invention, a hydrated resorcinol-formaldehyde polymer gel (wet gel) composed of a network structure in which resorcinol and formaldehyde are polymerized and interconnected with water is synthesized by a sol-gel process. Is done.
この湿潤ゲルが凍結されると、ゲル中に取り込まれた水は結晶化して六方晶系の氷結晶を生成するため、ゲルの網目構造は離散的なものとなる。この氷結晶の大きさは、湿潤ゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間を変化させることによって制御することができる。 When this wet gel is frozen, water taken into the gel is crystallized to form hexagonal ice crystals, so that the network structure of the gel becomes discrete. The size of the ice crystals can be controlled by changing the time that the wet gel passes through the maximum ice crystal formation zone.
湿潤ゲルの急速凍結は小さな氷結晶を生成し、この小さな氷結晶が生成された箇所から後処理(凍結乾燥)によって氷結晶が昇華されるので、例えば、1μm以上、100μm以下のサイズを有する細孔を生じることになる。湿潤ゲルの急速凍結は、例えば、湿潤ゲルを液体窒素中に置く方法、その他の方法によってなされる。湿潤ゲルの緩慢凍結は、より大きな氷結晶を形成し、このより大きな氷結晶が生成された箇所から後処理(凍結乾燥)によって氷結晶が昇華されるので、例えば、100μm以上、1000μm以下のサイズを有する細孔を生じることになる。湿潤ゲルの緩慢凍結は、例えば、湿潤ゲルを−10℃の凍結庫中に置く方法、その他の方法によってなされる。 The rapid freezing of the wet gel produces small ice crystals, and the ice crystals are sublimated from the place where the small ice crystals are formed by post-treatment (freeze drying). For example, the fine gel having a size of 1 μm or more and 100 μm or less. Will result in holes. The quick freezing of the wet gel is performed, for example, by placing the wet gel in liquid nitrogen or other methods. The slow freezing of the wet gel forms larger ice crystals, and the ice crystals are sublimated from the place where the larger ice crystals are generated by post-treatment (freeze drying). For example, the size is 100 μm or more and 1000 μm or less. Will result in pores having. The slow freezing of the wet gel is performed, for example, by placing the wet gel in a freezer at −10 ° C. or other methods.
このように湿潤ゲルを凍結処理して、更に、凍結乾燥することによって、湿潤ゲルから水が除去され、低密度、多孔質のレゾルシノール−ホルムアルデヒドポリマーゲル(有機エアロゲル)が形成される。 By freezing the wet gel in this way and further freeze-drying, water is removed from the wet gel, and a low-density, porous resorcinol-formaldehyde polymer gel (organic aerogel) is formed.
この有機エアロゲルは、大気圧の不活性ガス中で加熱処理することによって炭化され、炭化ゲルとされる。 This organic aerogel is carbonized by heat treatment in an inert gas at atmospheric pressure to form a carbonized gel.
本発明の実施例による方法では、最終的に形成される炭化ゲルの細孔径は、湿潤ゲルの凍結工程で形成される氷結晶の大きさによって決定されるので、湿潤ゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間を変化させることによって、細孔径の大きさを調整することができ、1μm以上、1000μm以下の範囲の大きさの細孔を有する多孔質炭素を合成することができた。 In the method according to the embodiment of the present invention, since the pore diameter of the carbonized gel finally formed is determined by the size of the ice crystals formed in the freezing process of the wet gel, the wet gel has a maximum ice crystal formation zone. It was possible to adjust the size of the pore diameter by changing the time required to pass through, and to synthesize porous carbon having pores having a size in the range of 1 μm or more and 1000 μm or less.
なお、従来法では、殆どの場合、0.5nmから10nmの範囲の大きさの細孔を有する多孔質炭素が合成されているに過ぎない。また、従来法では、湿潤ゲルから水を一旦、有機溶媒で置換した後、有機溶媒を除去しているが、本発明の実施例では、有機溶媒を使用することなしに、水溶液中でのゾル−ゲルプロセスによって形成された湿潤ゲルを、有機溶媒置換を行うことなく、凍結処理して、更に、凍結乾燥することによって水を除去する。 In the conventional method, in most cases, only porous carbon having pores with a size in the range of 0.5 nm to 10 nm is synthesized. In the conventional method, water is once substituted from the wet gel with the organic solvent, and then the organic solvent is removed. In the embodiment of the present invention, the sol in the aqueous solution is used without using the organic solvent. -Freeze the wet gel formed by the gel process without organic solvent substitution and remove the water by freeze-drying.
[実施例1]
図10は、本発明の実施例における、炭化ゲルの製造方法を説明する図である。
[Example 1]
FIG. 10 is a diagram illustrating a method for producing a carbonized gel in an example of the present invention.
図10に示すように、先ず、水和したポリマーゲル(湿潤ゲル)を生成させる。図2(A)に示すように湿潤ゲルを小片化しこの湿潤ゲルを凍結させた後、続いて、凍結乾燥させてポリマークライオゲルを生成させ、最後にこれを焼成して炭化ゲルを生成させる。 As shown in FIG. 10, first, a hydrated polymer gel (wet gel) is generated. As shown in FIG. 2 (A), after the wet gel is broken into pieces and this wet gel is frozen, it is then lyophilized to form a polymer cryogel, and finally it is baked to form a carbonized gel.
(湿潤ゲルの生成)
レゾルシノール(C6H6O2)4g、ホルムアルデヒド(HCHO)(10%水溶液)6g、脱イオン水 190mL、炭酸ナトリウム(Na2CO3)0.08gを、密封可能なプラスチック製容器(容積500mL)に入れ、磁気攪拌子で攪拌する間に、固相が溶解しpHが6.0となるまで5% 硝酸(HNO3)を滴下した。ラスチック製容器を密封して、87℃に保持された加熱炉に24時間置いた。この結果、形成されたゲル(湿潤ゲル)は堅く、密封されたプラスチック製容器の約200mLを占有していた。このゲルを室温まで冷却した後、ゲルをガラス棒でかき混ぜて小片化させ約1cm3 の大きさのゲル片とした。このゲル片を大きなブフナの漏斗(Bucher funnel)に入れて、ゲル片を水で繰り返し洗浄した。
(Generation of wet gel)
Resorcinol (C 6 H 6 O 2 ) 4 g, formaldehyde (HCHO) (10% aqueous solution) 6 g, deionized water 190 mL, sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) 0.08 g can be sealed in a plastic container (volume 500 mL) While stirring with a magnetic stir bar, 5% nitric acid (HNO 3 ) was added dropwise until the solid phase dissolved and the pH reached 6.0. The plastic container was sealed and placed in a heating furnace maintained at 87 ° C. for 24 hours. As a result, the gel formed (wet gel) was firm and occupied about 200 mL of the sealed plastic container. After cooling this gel to room temperature, the gel was agitated with a glass rod to make small pieces to obtain gel pieces having a size of about 1 cm 3 . The gel pieces were placed in a large Bucher funnel and the gel pieces were washed repeatedly with water.
(湿潤ゲルの急速凍結及び凍結乾燥)
次に、湿潤ゲル片を液体窒素が収納されたデュア瓶に投入した。ゲル片が完全に凍結した後、凍結されたゲルを真空排気用容器内に入れて、真空圧力が安定化し氷が除去されたことを示すまで、コールドトラップを介して真空排気用容器を排気し、凍結乾燥を行い凍結乾燥されたポリマー(ポリマークライオゲル)を得た。凍結乾燥の時間は120時間であった。
(Quick freeze and freeze-drying of wet gel)
Next, the wet gel piece was put into a deer bottle containing liquid nitrogen. After the gel pieces are completely frozen, place the frozen gel in an evacuation vessel and evacuate the evacuation vessel through a cold trap until the vacuum pressure stabilizes and the ice is removed. Then, freeze-drying was performed to obtain a freeze-dried polymer (polymer cryogel). The time for lyophilization was 120 hours.
(ポリマークライオゲルの焼成(炭化ゲルの生成))
ポリマークライオゲルをアルミナ製容器に移し、1050℃に加熱して、ポリマークライオゲルを炭素化させ炭化ゲルを得た。炭化ゲルは粉砕され粉体化された。このようして、多孔質炭素が得られた。
(Baking of polymer cryogel (generation of carbonized gel))
The polymer cryogel was transferred to an alumina container and heated to 1050 ° C. to carbonize the polymer cryogel to obtain a carbonized gel. The carbonized gel was pulverized and powdered. In this way, porous carbon was obtained.
図11は、本発明の実施例において得られたポリマークライオゲルの光学顕微鏡像(倍率:35倍)を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing an optical microscope image (magnification: 35 times) of the polymer cryogel obtained in the example of the present invention.
図11に示す、約約1cm3 の大きさポリマークライオゲルの倍率35倍の光学顕微鏡像では、細孔は観察されていない。 In the optical microscope image of a polymer cryogel having a size of about 1 cm 3 and a magnification of 35 times shown in FIG. 11, no pores are observed.
図12は、本発明の実施例において得られたポリマークライオゲルの光学顕微鏡像(倍率:450倍)を示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing an optical microscopic image (magnification: 450 times) of the polymer cryogel obtained in the example of the present invention.
図12に示すように、ポリマークライオゲルには約40μmの大きさの細孔が暗部領域として観察されている。 As shown in FIG. 12, pores having a size of about 40 μm are observed as dark regions in the polymer cryogel.
図13は、本発明の実施例において得られた炭化ゲルの走査電子顕微鏡像(倍率:500倍)を示す図である。 FIG. 13 is a view showing a scanning electron microscope image (magnification: 500 times) of the carbonized gel obtained in the example of the present invention.
図13に示すように、図12に示すポリマークライオゲルと同様に約40μmの大きさの細孔が暗部領域として観察されている。 As shown in FIG. 13, pores having a size of about 40 μm are observed as dark regions, similarly to the polymer cryogel shown in FIG. 12.
図14は、本発明の実施例において得られた炭化ゲルの細孔径と細孔体積の関係を示す図であり、対数微分細孔容積分布を説明する図であり、図14において、横軸は細孔直径(Pore size diameter、μm)、縦軸は対数微分細孔容積(Log deferential Intrusion、dV/d(logD))(mL/g))を示す。 FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the pore diameter and the pore volume of the carbonized gel obtained in the example of the present invention, and is a diagram for explaining the logarithmic differential pore volume distribution. In FIG. The pore diameter (Pore size diameter, μm), and the vertical axis represents logarithmic differential pore volume (Log deferential Intrusion, dV / d (logD)) (mL / g)).
図14に示すように、対数微分細孔容積分布は細孔径約45μmに中心をもつピークを示しており、主要細孔の存在を示している。また、約20μm以下の径を有する細孔が存在していないことを示している。なお、図14は、自動ポロシメータオートポアIV9500(SHIMAZU製)に試料をセットし水銀圧入法により、細孔直径分布を測定した結果である。 As shown in FIG. 14, the logarithmic differential pore volume distribution shows a peak centered on a pore diameter of about 45 μm, indicating the presence of main pores. Moreover, it has shown that the pore which has a diameter of about 20 micrometers or less does not exist. FIG. 14 shows the result of measuring the pore diameter distribution by mercury porosimetry with a sample set in automatic porosimeter autopore IV9500 (manufactured by SHIMAZU).
図15は、本発明の実施例において得られた炭化ゲルと市販品炭素に関する、窒素吸着から求められた特性の比較を説明する図である。 FIG. 15 is a diagram illustrating a comparison of characteristics obtained from nitrogen adsorption regarding the carbonized gel obtained in the example of the present invention and commercial carbon.
図15において、市販品炭素はケッチェンブラック(登録商標)、具体的にはケッチェンブラック900であり、炭化ゲルA、炭化ゲルBはつぎのようにして作製された炭化ゲルである。 In FIG. 15, commercially available carbon is Ketjen Black (registered trademark), specifically Ketjen Black 900, and carbonized gel A and carbonized gel B are carbonized gels produced as follows.
炭化ゲルAは、上述した方法によって作製された3%湿潤ゲル(水和されたレゾルシノール−ホルムアルデヒドポリマーゲル)の水溶液(pH=6)を液体窒素中で凍結させた後、真空凍結乾燥機(EYELA 東京理化器械製FDU−2100)を用いて、−80℃で凍結乾燥させた。凍結乾燥されたポリマークライオゲルをアルミナ製容器に移し、1050℃に加熱して、ポリマークライオゲルを炭素化させ炭化ゲルAを得た。炭化ゲルBは、炭化ゲルAを更に乾燥空気流下で450℃に加熱して得られたものである。 The carbonized gel A was prepared by freezing an aqueous solution (pH = 6) of 3% wet gel (hydrated resorcinol-formaldehyde polymer gel) prepared by the above-described method in liquid nitrogen, and then vacuum lyophilizer (EYELA). It was freeze-dried at −80 ° C. using Tokyo Rika Kikai FDU-2100). The freeze-dried polymer cryogel was transferred to an alumina container and heated to 1050 ° C. to carbonize the polymer cryogel to obtain a carbonized gel A. The carbonized gel B is obtained by further heating the carbonized gel A to 450 ° C. under a dry air flow.
また、Vm(cm3/g)は、BET式における、単分子層を形成するのに要する吸着量であり、As(m2/g)は比表面積であり、Vp(cm3/g)は全細孔容積である。 V m (cm 3 / g) is an adsorption amount required to form a monomolecular layer in the BET formula, A s (m 2 / g) is a specific surface area, and V p (cm 3 / g g) is the total pore volume.
炭素化ゲルA、炭素化ゲルBのAsの平均値は892(m2/g)でありケッチェンブラック(登録商標)と略同じ値を示し、炭素化ゲルA、炭素化ゲルBのVmの平均値は204.5(cm3/g)でありケッチェンブラック(登録商標)と略同じ値を示している。炭化ゲルA、炭化ゲルBに関するVp、Apはそれぞれケッチェンブラック(登録商標)よりも小さな値を示し、炭化ゲルA、炭化ゲルBに関するRpはケッチェンブラック(登録商標)よりも大きな値を示している。 Average carbon gels A, carbon gels B A s represents a substantially same value as 892 (m 2 / g) and is Ketjenblack (registered trademark), carbon gels A, V carbonization Gel B The average value of m is 204.5 (cm 3 / g), which is substantially the same value as Ketjen Black (registered trademark). V p and A p for carbonized gel A and carbonized gel B each show a smaller value than Ketjen Black (registered trademark), and R p for carbonized gel A and carbonized gel B is larger than Ketjen black (registered trademark). The value is shown.
[実施例2]
実施例1では、湿潤ゲルの急速凍結及び凍結乾燥を行ったが、実施例2では、図2(C)に示すように、湿潤ゲルを緩慢凍結しこれを凍結乾燥した。湿潤ゲルの生成、凍結乾燥、炭化ゲルの生成は、実施例1と同様にして行った。
[Example 2]
In Example 1, the wet gel was rapidly frozen and lyophilized. In Example 2, as shown in FIG. 2 (C), the wet gel was slowly frozen and lyophilized. Generation of wet gel, lyophilization, and generation of carbonized gel were performed in the same manner as in Example 1.
(湿潤ゲルの緩慢凍結)
真空凍結乾燥機(EYELA 東京理化器械製FDU−2100)を使用して、湿潤ゲルが最大氷結晶生成帯に置かれる時間が長くゆっくりと凍結が進行するようにして、その後は急速に−80℃まで冷却されるように、冷却温度を制御して湿潤ゲルを凍結させて、続いて、凍結乾燥をおこなった。
(Slow freezing of wet gel)
Using a vacuum freeze dryer (EYELA Tokyo Rika Kikai FDU-2100), the wet gel was placed in the maximum ice crystal formation zone for a long and slow freezing, and then rapidly -80 ° C. The wet gel was frozen by controlling the cooling temperature so that it was cooled down, followed by lyophilization.
図16は、本発明の実施例2において得られたポリマークライオゲルの光学顕微鏡像(倍率:10倍)を示す図である。 FIG. 16 is a diagram showing an optical microscope image (magnification: 10 times) of the polymer cryogel obtained in Example 2 of the present invention.
図16に示すように、ポリマークライオゲルは500μmから1000μmの範囲の細孔を有している。図示しないが、このポリマークライオゲルを焼成して得られた炭化ゲルでは、図16に示すポリマークライオゲルと同様の大きさの細孔が確認された。 As shown in FIG. 16, the polymer cryogel has pores in the range of 500 μm to 1000 μm. Although not shown, in the carbonized gel obtained by firing this polymer cryogel, pores having the same size as the polymer cryogel shown in FIG. 16 were confirmed.
[実施例3]
実施例3では、湿潤ゲルの急速凍結を実施例1とは異なる方法で行った。湿潤ゲルの生成、凍結乾燥、炭化ゲルの生成は、実施例1と同様にして行った。
[Example 3]
In Example 3, the quick freezing of the wet gel was performed by a method different from that in Example 1. Generation of wet gel, lyophilization, and generation of carbonized gel were performed in the same manner as in Example 1.
(湿潤ゲルの急速凍結)
湿潤ゲルが最大氷結晶生成帯に置かれる時間が短く急速に凍結が進行するようにして、湿潤ゲルを急速凍結させた。続いて、実施例1と同様にして凍結乾燥させた。
(Quick freezing of wet gel)
The wet gel was snap frozen so that the time for the wet gel to be placed in the maximum ice crystal formation zone was short and the freezing proceeded rapidly. Subsequently, it was freeze-dried in the same manner as in Example 1.
図17は、本発明の実施例において得られた炭化ゲルの走査電子顕微鏡像(倍率:500倍)を示す図である。 FIG. 17 is a view showing a scanning electron microscope image (magnification: 500 times) of the carbonized gel obtained in the example of the present invention.
図17に示すように、炭素化ゲルは約10μmの細孔を有している。 As shown in FIG. 17, the carbonized gel has pores of about 10 μm.
[実施例4]
実施例4では、湿潤ゲルの急速凍結を実施例1とは異なる方法で行った。湿潤ゲルの生成、凍結乾燥、炭化ゲルの生成は、実施例1と同様にして行った。
[Example 4]
In Example 4, quick freezing of the wet gel was performed by a method different from that in Example 1. Generation of wet gel, lyophilization, and generation of carbonized gel were performed in the same manner as in Example 1.
(湿潤ゲルの急速凍結)
図2(B)に示すように、湿潤ゲルを微細片化してこれを水に分散させた分散溶液を液体窒素中に噴霧して、湿潤ゲルを含む霧(液滴)を63K以上、77K以下の温度に冷却し微細な凍結体とした。続いて、この微細な凍結体を実施例1と同様にして凍結乾燥させた。
(Quick freezing of wet gel)
As shown in FIG. 2 (B), a dispersion solution in which the wet gel is fragmented and dispersed in water is sprayed into liquid nitrogen, and the mist (droplet) containing the wet gel is 63K or more and 77K or less. It was cooled to a temperature of 5 ° C. to obtain a fine frozen body. Subsequently, this fine frozen body was freeze-dried in the same manner as in Example 1.
図18は、本発明の実施例において得られた炭化ゲルの走査電子顕微鏡像(倍率:8000倍)を示す図である。 FIG. 18 is a view showing a scanning electron microscope image (magnification: 8000 times) of the carbonized gel obtained in the example of the present invention.
図18に示すように、炭素化ゲルは約1μmの細孔を有している。 As shown in FIG. 18, the carbonized gel has pores of about 1 μm.
以上説明したように、本発明によれば、有機湿潤ゲルが最大氷結晶生成帯を通過する時間を制御することによって、1μm以上、1000μm以下の範囲のマクロ細孔径を有し、細孔径が制御された多孔質炭素を製造することができた。 As described above, according to the present invention, by controlling the time during which the organic wet gel passes through the maximum ice crystal formation zone, it has a macropore diameter ranging from 1 μm to 1000 μm, and the pore diameter is controlled. The produced porous carbon could be produced.
細孔径が制御され、1μm以上、1000μm以下の範囲のマクロ細孔径を有する本発明による多孔質炭素は、触媒用担体、ガス拡散層、電極の構成材料として使用することができ、これらを、例えば、燃料電池、電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパタ、レドックスキャパシタ等の電子デバイスに好適に適用することができる。 The porous carbon according to the present invention having a pore diameter controlled and a macropore diameter in the range of 1 μm or more and 1000 μm or less can be used as a constituent material for a catalyst carrier, a gas diffusion layer, and an electrode. It can be suitably applied to electronic devices such as fuel cells, electric double layer capacitors, hybrid capacitors, and redox capacitors.
以上、本発明を実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形が可能である。 As mentioned above, although this invention was described about embodiment, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, Various deformation | transformation are possible based on the technical idea of this invention.
本発明によれは、1μm以上、1000μm以下の範囲で細孔径が制御された多孔質炭素の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing porous carbon in which the pore diameter is controlled in the range of 1 μm or more and 1000 μm or less.
10a、10b、10c、10d、10e…電極、12…集電体、13…セパレータ、
14…ガスケット、20…アノード、22a、22b…触媒電極、
23…高分子電解質膜、24a、24b…ガス拡散層、25…燃料、
26a、26b…入口、27a、27b…通路、28a、28b…出口、
29a、29b…排ガス、30…カソード、35…空気又は酸素、40…膜電極接合体、50…燃料供給部、60…空気又は酸素供給部、70…外部回路
10a, 10b, 10c, 10d, 10e ... electrode, 12 ... current collector, 13 ... separator,
14 ... gasket, 20 ... anode, 22a, 22b ... catalyst electrode,
23 ... polymer electrolyte membrane, 24a, 24b ... gas diffusion layer, 25 ... fuel,
26a, 26b ... inlet, 27a, 27b ... passage, 28a, 28b ... outlet,
29a, 29b ... exhaust gas, 30 ... cathode, 35 ... air or oxygen, 40 ... membrane electrode assembly, 50 ... fuel supply unit, 60 ... air or oxygen supply unit, 70 ... external circuit
Claims (20)
せて有機ポリマーヒドロゲルを生成させる第1工程と、
前記有機ポリマーヒドロゲルを凍結させる第2工程と、
凍結された前記有機ポリマーヒドロゲルを凍結乾燥させる第3工程と、
凍結乾燥された前記有機ポリマーヒドロゲルを焼成して多孔質炭素を生成させる第4
工程と
を有する、多孔質炭素の製造方法。 A first step in which an organic polymer hydrogel is produced by polymerizing a phenol compound and an aldehyde compound in the presence of a basic catalyst using water as a solvent;
A second step of freezing the organic polymer hydrogel;
A third step of lyophilizing the frozen organic polymer hydrogel;
Calcination of the lyophilized organic polymer hydrogel to produce porous carbon;
A method for producing porous carbon, comprising a step.
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014199880A1 (en) * | 2013-06-14 | 2014-12-18 | 日清紡ホールディングス株式会社 | Porous carbon catalyst, method for producing same, electrode and battery |
KR101564909B1 (en) * | 2013-07-26 | 2015-11-03 | 한국과학기술연구원 | Porous carbon materials made by polyamic acid and method of preparing the same |
CN105330885A (en) * | 2015-12-01 | 2016-02-17 | 华中科技大学 | Piezoelectric gel and preparation method and application thereof |
JPWO2014123213A1 (en) * | 2013-02-07 | 2017-02-02 | 株式会社Ihi | Carbon nanowall and manufacturing method thereof, oxygen reduction catalyst, oxygen reduction electrode, and fuel cell |
JP2017117524A (en) * | 2015-12-21 | 2017-06-29 | 日本電信電話株式会社 | Air electrode for lithium air secondary battery and manufacturing method thereof, and lithium air secondary battery |
JP2017528531A (en) * | 2014-06-11 | 2017-09-28 | ハッチンソンHutchinson | Gelled aqueous polymer composition, pyrolytic carbonic acid composition for supercapacitor electrode produced from the gelled aqueous polymer composition, and method for producing the same |
-
2009
- 2009-07-31 JP JP2009178517A patent/JP2011032117A/en active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2014123213A1 (en) * | 2013-02-07 | 2017-02-02 | 株式会社Ihi | Carbon nanowall and manufacturing method thereof, oxygen reduction catalyst, oxygen reduction electrode, and fuel cell |
WO2014199880A1 (en) * | 2013-06-14 | 2014-12-18 | 日清紡ホールディングス株式会社 | Porous carbon catalyst, method for producing same, electrode and battery |
US10388967B2 (en) | 2013-06-14 | 2019-08-20 | Nisshinbo Holdings Inc. | Porous carbon catalyst, method for producing same, electrode and battery |
KR101564909B1 (en) * | 2013-07-26 | 2015-11-03 | 한국과학기술연구원 | Porous carbon materials made by polyamic acid and method of preparing the same |
JP2017528531A (en) * | 2014-06-11 | 2017-09-28 | ハッチンソンHutchinson | Gelled aqueous polymer composition, pyrolytic carbonic acid composition for supercapacitor electrode produced from the gelled aqueous polymer composition, and method for producing the same |
CN105330885A (en) * | 2015-12-01 | 2016-02-17 | 华中科技大学 | Piezoelectric gel and preparation method and application thereof |
JP2017117524A (en) * | 2015-12-21 | 2017-06-29 | 日本電信電話株式会社 | Air electrode for lithium air secondary battery and manufacturing method thereof, and lithium air secondary battery |
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