JP2011256093A - 窒素含有炭素材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アズルミン酸と遷移金属を含むプレカーサーを炭化して得られる窒素含有炭素材料。
【選択図】なし
Description
また窒素含有炭素材料を製造するには、特殊な出発物質を合成する必要があり、製造プロセスが複雑であったり、資源、エネルギーの消費が大きいという問題があり、製造コストも高くなるという問題がある。
すなわち、本発明は、下記のとおりである。
(2)アズルミン酸と遷移金属と溶媒とを混合し、次いで溶媒を除去することにより前記プレカーサーを製造する工程を有する(1)に記載の窒素含有炭素材料の製造方法
(3)アズルミン酸と遷移金属とを含む窒素含有炭素材料のプレカーサー
(4)アズルミン酸と遷移金属を含むプレカーサーを炭化して得られた窒素含有炭素材料
(5)炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)が0.03〜0.6の窒素含有炭素材料であって、
CuKα線をX線源として得られるX線回折図において、回折角(2θ)が24.0〜26.5°の位置にピークを有し、該ピークの半値幅が7.5°以下
である窒素含有炭素材料
(6)炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)が0.03〜0.6の窒素含有炭素材料であって、
大気圧下200Ncc/min.の窒素気流中で60分かけて1000℃まで昇温し、1000℃で1時間保持した後、CuKα線をX線源として得たX線回折図において、回折角(2θ)が24.0〜26.5°の位置にピークを有し、該ピークの半値幅が7.5°以下、
である窒素含有炭素材料。
図1は、窒素含有炭素材料を製造するための工程の一例を示す。図1に示すように、青酸を含む原料を重合してアズルミン酸を製造する工程S10と、アズルミン酸と遷移金属を含むプレカーサーを製造する工程S12と、炭化する工程S14とを有する。
鉄原料としては、鉄(II)フタロシアニン、鉄(III)アセチルアセトネート、鉄(II)メトキシド、鉄(III)エトキシド、鉄(III)イソプロポキシド、ビス(シクロペンタジエニル)鉄、ビス(エチルシクロペンタジエニル)鉄 ビス(エチルシクロペンタジエニル)鉄、ビス(イソプロピルシクロペンタジエニル)鉄、ビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)鉄、塩化第二鉄、クエン酸第二鉄 、りん化第二鉄、酒石酸第二鉄、フマル酸第一鉄、 ヘキサシアノ鉄(II)酸アンモニウム、ヘキサシアノ鉄(II)酸アンモニウム鉄(III)、しゅう酸アンモニウム鉄(III)三水和物 、硫酸鉄(III)アンモニウム、硫酸アンモニウム鉄(III)、ビス(シクロペンタジエニル)鉄、塩化第二鉄、エチレンジアミン四酢酸、クエン酸鉄アンモニウム、硝酸第二鉄、酢酸鉄(II)、フマル酸鉄(II)、グルコン酸鉄(II) 、シュウ酸鉄及び水酸化鉄(III)を例示できる。好ましくは鉄(II)フタロシアニン、硝酸鉄である。
炭化の方法は、以下のものに限定されないが、回転炉、トンネル炉、管状炉、流動焼成炉等を用い、プレカーサーを不活性ガス雰囲気下で500〜1500℃、好ましくは600〜1200℃、より好ましくは700〜1100℃、特に好ましくは、800〜1000℃の範囲で熱処理することにより行うことができる。上記不活性ガスとしては、以下のガスに限定されないが、例えば窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、二酸化炭素等の不活性ガスが挙げられ、コスト的には窒素ガスが好ましい。なお、不活性ガス雰囲気で熱処理する代わりに、真空中で熱処理しても良い。
(1)炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)が0.03〜0.6、
(2)CuKα線をX線源として得られるX線回折図において、回折角(2θ)が24.0〜26.5°の位置にピークを有し、該ピークの半値幅が7.5°以下、
である。
分析方法は以下のとおりとした。
(CHN分析)
ジェイサイエンスラボ社製MICRO CORDER JM10を用い、2500μgの試料を試料台に充填してCHN分析を行った。試料炉は950℃、燃焼炉(酸化銅触媒)は850℃、還元炉(銀粒+酸化銅のゾーン、還元銅のゾーン、酸化銅のゾーンからなる)は550℃に設定されている。酸素は15ml/min、Heは150ml/minに設定されている。検出器はTCDである。アンチピリン(Antipyrine)を用いてマニュアルに記載の方法でキャリブレーションを行う。
XRF(リガク RIX−3000、X線管球:Rh管球、管電圧:50kV、管電流50mA)を用いて定量分析を行い、窒素含有炭素材料中に含まれる金属量を定量した。
X線回折パターンは、試料をメノウ乳鉢で粉砕後、粉末用セルに充填して下記の条件で測定した。装置:リガク社製Rint2500、X線管球:Cu管球(Cu−Kα線) 管電圧:40kV、管電流:200mA、分光結晶:あり、散乱スリット:1°、発散スリット:1°、受光スリット:0.15mm、スキャン速度:2°/分、サンプリング幅:0.02°、スキャン法:2θ/θ法。X線回折角(2θ)の補正は、シリコン粉末について得られたX線回折角データを用いて行った。
水350gに青酸150gを溶解させた水溶液を調製し、攪拌を行いながら、25%アンモニア水溶液120gを10分かけて添加し、得られた混合液を35℃に加熱した。重合が始まり黒褐色の重合物が析出し始め、温度は徐々に上昇し45℃となった。2時間後から30質量%青酸水溶液を200g/hの速度で添加し、4時間かけて800g添加した。添加中は反応温度50℃保つようにコントロールした。この温度で100時間攪拌した。得られた黒色沈殿物をろ過によって分離し、黒色のアズルミン酸を得た。このときの収率は96%であった。分離後の沈殿物を水洗した後、乾燥器にて120℃で4時間乾燥させてアズルミン酸を得た。
<窒素含有炭素材料の製造>
硝酸鉄(III)・9水和物0.7gを純水20gに溶解させて硝酸鉄水溶液を調製した。アズルミン酸10gを25%アンモニア水200gと混合して50℃で1時間加熱したのちに硝酸鉄水溶液を添加し、そのまま50℃で1時間攪拌してプレカーサー混合液を得た。プレカーサー混合液を、ロータリーエバポレーターにて200rpmで回転させながら、減圧下で溶媒を蒸発させて、プレカーサーを得た。得られたプレカーサーを内径25mmの石英管に充填し、大気圧下、200Ncc/ min.の窒素気流中で60分かけて800℃まで昇温させ、800℃で1時間ホールドすることにより炭化させ3gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
得られた窒素含有炭素材料を粉砕、分級して平均粒径約10μm(日機装社製Microtrac MT3300)として電極作製に用いた。
窒素含有炭素材料の粉末5mgに精製水を加え5gに調整し、超音波を印加して分散させ、0.1%触媒懸濁液を得た。この触媒懸濁液を回転ディスクカーボン電極上に120μl滴下し、乾燥機において120℃で乾燥させた。次に導電性樹脂溶液(アシプレックス、旭化成ケミカルズ登録商標、含有量0.15%エタノール溶液)を90μl滴下し、同じく乾燥機において120℃で約2時間乾燥させ、触媒試験電極を作製した。
白金線を対極、銀/塩化銀電極を参照極とした。酸性溶液中での酸素還元活性を調べるために、0.5Mの硫酸水溶液を使用した。この硫酸水溶液を純酸素で酸素飽和にするために1時間バブリングを行った。
次に、作用極を+0.8Vから+0Vの電位まで2mV/secで掃引し、電位−電流曲線を測定した。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
鉄(II)フタロシアニン0.9gをエチレンジアミン20gに溶解させてエチレンジアミン溶液を調製した。アズルミン酸10gをエチレンジアミン200gと混合して90℃で1時間加熱したのちにエチレンジアミン溶液を添加し、そのまま90℃で1時間攪拌してプレカーサー混合液を得た。プレカーサー混合液を、ロータリーエバポレーターにて200rpmで回転させながら、減圧下で溶媒を蒸発させて、プレカーサーを得た。得られたプレカーサーを内径25mmの石英管に充填し、大気圧下、200Ncc/ min.の窒素気流中で60分かけて800℃まで昇温させ、800℃で1時間ホールドして炭化処理をして3gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
硝酸ニッケル(II)・6水和物0.7gを純水20gに溶解させて硝酸ニッケル水溶液を調製した。アズルミン酸10gを25%アンモニア水200gと混合して50℃で1時間加熱したのちに硝酸ニッケル水溶液を添加し、そのまま50℃で1時間攪拌してプレカーサー混合液を得た。プレカーサー混合液を、ロータリーエバポレーターにて200rpmで回転させながら、減圧下で溶媒を蒸発させて、プレカーサーを得た。得られたプレカーサーを内径25mmの石英管に充填し、大気圧下、200Ncc/ min.の窒素気流中で60分かけて800℃まで昇温させ、800℃で1時間ホールドして炭化処理をして3gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
ニッケル(II)フタロシアニン0.9gをエチレンジアミン20gに溶解させてエチレンジアミン溶液を調製した。アズルミン酸10gをエチレンジアミン200gと混合して90℃で1時間加熱したのちにエチレンジアミン溶液を添加し、そのまま90℃で1時間攪拌してプレカーサー混合液を得た。プレカーサー混合液を、ロータリーエバポレーターにて200rpmで回転させながら、減圧下で溶媒を蒸発させて、プレカーサーを得た。得られたプレカーサーを内径25mmの石英管に充填し、大気圧下、200Ncc/ min.の窒素気流中で60分かけて800℃まで昇温させ、800℃で1時間ホールドして炭化処理をして3gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
硝酸コバルト(II)・6水和物0.7gを純水20gに溶解させて硝酸コバルト水溶液を調製した。アズルミン酸10gを25%アンモニア水200gと混合して50℃で1時間加熱したのちに硝酸コバルト水溶液を添加し、そのまま50℃で1時間攪拌してプレカーサー混合液を得た。プレカーサー混合液を、ロータリーエバポレーターにて200rpmで回転させながら、減圧下で溶媒を蒸発させて、プレカーサーを得た。得られたプレカーサーを内径25mmの石英管に充填し、大気圧下、200Ncc/ min.の窒素気流中で60分かけて800℃まで昇温させ、800℃で1時間ホールドして炭化処理をして3gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
アズルミン酸10gを25%アンモニア水200gと混合して50℃で1時間加熱したのちに白金を0.01g含むヘキサヒドロキソ白金硝酸水溶液を添加し、そのまま50℃で1時間攪拌してプレカーサー混合液を得た。プレカーサー混合液を、ロータリーエバポレーターにて200rpmで回転させながら、減圧下で溶媒を蒸発させて、プレカーサーを得た。得られたプレカーサーを内径25mmの石英管に充填し、
大気圧下、200Ncc/ min.の10%水素ガス中(窒素90%)で400℃で2時間ホールドし、ついで大気圧下、200Ncc/ min.の窒素気流中で60分かけて800℃まで昇温させ、800℃で1時間ホールドして炭化処理をして3gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
アズルミン酸10gを内径25mmの石英管に充填し、大気圧下、200Ncc/ min.の窒素気流中で60分かけて800℃まで昇温させ、800℃で1時間ホールドして炭化処理をして3.4gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
硝酸鉄(III)・9水和物0.7gを純水20gに溶解させて硝酸鉄水溶液を調製した。比較例1と同様にして窒素含有炭素材料を得て、得られた窒素含有炭素材料3gを25%アンモニア水200gと混合して50℃で1時間加熱したのちに硝酸鉄水溶液を添加し、そのまま50℃で1時間攪拌してプレカーサー混合液を得た。プレカーサー混合液を、ロータリーエバポレーターにて200rpmで回転させながら、減圧下で溶媒を蒸発させて、プレカーサーを得た。得られたプレカーサーを内径25mmの石英管に充填し、大気圧下、200Ncc/ min.の窒素気流中で60分かけて800℃まで昇温させ、800℃で1時間ホールドして炭化処理をして2.9gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<メラミン樹脂の製造>
メラミン252gと37%ホルムアルデヒド水溶液650mLを混合し、攪拌しながら6mol/Lの水酸化カリウム水溶液を少量加えて、pH8〜9にした。還流させながら、70℃で攪拌して40時間重合させた。この間、適宜水酸化カリウム水溶液を加えてpHを8〜9に保つようにした。50時間後に加熱を停止し冷却し、1500gの水を添加して反応液から分離してきた粘調な樹脂を取り出し、80℃で真空乾燥させてメラミン樹脂を得た。
硝酸鉄(III)・9水和物0.7gを純水20gに溶解させて硝酸鉄水溶液を調製した。メラミン樹脂10gを25%アンモニア水200gと混合して50℃で1時間加熱したのちに硝酸鉄水溶液を添加し、そのまま50℃で1時間攪拌してプレカーサー混合液を得た。プレカーサー混合液を、ロータリーエバポレーターにて200rpmで回転させながら、減圧下で溶媒を蒸発させて、プレカーサーを得た。得られたプレカーサーを内径25mmの石英管に充填し、大気圧下、200Ncc/ min.の窒素気流中で60分かけて800℃まで昇温させ、800℃で1時間ホールドして炭化処理をして1.1gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作成>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
実施例1において硝酸鉄(III)・9水和物0.7gを1.4gに、800℃の焼成温度を1000℃に変更した以外は実施例1を反復して2.6gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
実施例2において鉄(II)フタロシアニン0.9gを1.4gに、800℃の焼成温度を1000℃に変更した以外は実施例2を反復して2.6gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
実施例3において硝酸ニッケル(II)・6水和物0.7gを1gに、800℃の焼成温度を1000℃に変更した以外は実施例3を反復して2.6gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
実施例4においてニッケル(II)フタロシアニン0.9gを1gに、800℃の焼成温度を1000℃に変更した以外は実施例4を反復して2.6gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
実施例5において硝酸コバルト(II)・6水和物0.7gを1.3gに、800℃の焼成温度を1000℃に変更した以外は実施例5を反復して2.6gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<窒素含有炭素材料の製造>
比較例1において800℃の焼成温度を1000℃に変更した以外は比較例1を反復して2.8gの窒素含有炭素材料を得た。
(CHN分析結果)
CHN分析より、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)を分析した。結果を表1に示す。
(金属量の分析結果)
結果を表1に示す。
実施例1の粉砕と分級と同様に実施した。
<電極作製>
実施例1の電極作製と同様にして作製した。
<電気化学的測定>
実施例1の電気化学的測定と同様にして測定した。結果を表1に示す。
実施例7、実施例8、実施例11、比較例4のXRDを図2に示す。いずれも回折角(2θ)が24.0〜26.5°の位置にピークを有し、各ピークの半値幅は、それぞれ2.4°、4.5°、5.9°、8.2°であった。
また本実施態様の窒素含有炭素材料の製造方法は、アクリロニトリル等基礎原料の製造において副生物として製造されている青酸の重合体を利用可能であり、工程数が少なく、しかも炭素化収率が高い。そのため、省資源、省エネルギーとなる製造方法として有用である。
Claims (6)
- アズルミン酸と遷移金属を含むプレカーサーを炭化する工程を有する窒素含有炭素材料の製造方法。
- アズルミン酸と遷移金属と溶媒とを混合し、次いで溶媒を除去することにより前記プレカーサーを製造する工程を有する請求項1に記載の窒素含有炭素材料の製造方法。
- アズルミン酸と遷移金属とを含む窒素含有炭素材料のプレカーサー。
- アズルミン酸と遷移金属を含むプレカーサーを炭化して得られた窒素含有炭素材料。
- 炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)が0.03〜0.6の窒素含有炭素材料であって、
CuKα線をX線源として得られるX線回折図において、回折角(2θ)が24.0〜26.5°の位置にピークを有し、該ピークの半値幅が7.5°以下
である窒素含有炭素材料。 - 炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)が0.03〜0.6の窒素含有炭素材料であって、
大気圧下200Ncc/min.の窒素気流中で60分かけて1000℃まで昇温し、1000℃で1時間保持した後、CuKα線をX線源として得られるX線回折図において、回折角(2θ)が24.0〜26.5°の位置にピークを有し、該ピークの半値幅が7.5°以下、
である窒素含有炭素材料。
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