JP2012245456A - Carbon catalyst, method for producing the same, cathode catalyst layer of fuel cell, and fuel cell - Google Patents

Carbon catalyst, method for producing the same, cathode catalyst layer of fuel cell, and fuel cell Download PDF

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純一 尾崎
Naokatsu Kaminari
尚克 神成
Takahito Itakura
崇仁 板倉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prepare a carbon catalyst which has the oxygen reduction activity equivalent to that of another carbon catalyst having a nanoshell structure, without using a metal.SOLUTION: The carbon catalyst is prepared, which has a defect in a carbon structure thereof and is characterized in that a parameter W of an X-band electron spin resonance spectrum appearing at 3,200-3,500 gauss is ≤11 gauss. A method for preparing the carbon catalyst includes the steps of: heat-treating nanodiamond to about 1,400-1,600°C with the nanodiamond as a start material; and treating the nanodiamond having a nano-onion structure with nitrogen at ≥600°C.

Description

本発明は、ナノダイヤモンドをベースとして作製したカーボン触媒とその製造方法、及びこのカーボン触媒を用いた燃料電池のカソード触媒層とこれを利用した燃料電池に関する。   The present invention relates to a carbon catalyst produced on the basis of nanodiamond, a method for producing the same, a cathode catalyst layer of a fuel cell using the carbon catalyst, and a fuel cell using the same.

現在、地球温暖化の要因となっている二酸化炭素を削減するために、化石燃料からクリーンエネルギーへの転換が叫ばれている。その中で、二酸化炭素を排出しない実用的な燃料電池の開発が期待されている。しかし、燃料電池は、その電極反応を起こす触媒としては高価な貴金属である白金が用いられるため、この白金触媒がコスト高を引き起こし、開発及びその普及の足かせとなっているのが現状である。   Currently, in order to reduce carbon dioxide, which is a cause of global warming, conversion from fossil fuels to clean energy has been screamed. Among them, the development of a practical fuel cell that does not emit carbon dioxide is expected. However, in the fuel cell, platinum, which is an expensive noble metal, is used as a catalyst for causing the electrode reaction. Therefore, this platinum catalyst causes an increase in cost, and is currently an obstacle to development and its spread.

そこで、発明者等は、白金のような高価な貴金属を必要としない電極触媒の開発に取り組んできた。その一つがナノシェル構造を導入したカーボン触媒の開発である(特許文献1参照)。ナノシェルは、有機化合物から炭素材料を作る際にあらかじめ金属錯体を添加しておくことで、熱分解時に生成した金属微粒子の触媒作用により形成される球殻状のグラファイト構造を持ったナノカーボンの一つである。   Accordingly, the inventors have been working on the development of an electrode catalyst that does not require an expensive noble metal such as platinum. One of them is the development of a carbon catalyst having a nanoshell structure (see Patent Document 1). The nanoshell is a type of nanocarbon with a spherical shell-like graphite structure formed by the catalytic action of fine metal particles generated during thermal decomposition by adding a metal complex in advance when making a carbon material from an organic compound. One.

この開発では、ナノシェル構造を持つ炭素が、酸素還元活性を示すこと、そして炭素材料の構造、物性、化学反応性は炭素の原料となる有機物の種類、炭素化の温度や時間などの調製条件に依存することを利用している。そのため、炭素が酸素還元活性を与えるためのナノシェル構造の形成とカーボンアロイ法により炭素材料の制御を行って、炭素材料を使用した非白金カソード触媒を提案した(特許文献1参照)。   In this development, carbon with a nanoshell structure exhibits oxygen reduction activity, and the structure, physical properties, and chemical reactivity of the carbon material depend on the preparation conditions such as the type of organic material that is the raw material for carbon, the temperature and time of carbonization, etc. Utilizes dependency. Therefore, a non-platinum cathode catalyst using a carbon material was proposed by forming a nanoshell structure for imparting oxygen reduction activity to carbon and controlling the carbon material by a carbon alloy method (see Patent Document 1).

発明者等が試みたもう一つの方法は、カソード触媒となる炭素材料に窒素とホウ素をドープ(ドーピング)する方法である。この方法により、炭素材料に窒素とホウ素を同時にドーピングすることによって、酸素還元反応が高くなることが確認されている(非特許文献1参照)。   Another method that the inventors have tried is a method of doping (doping) nitrogen and boron into a carbon material to be a cathode catalyst. By this method, it has been confirmed that the oxygen reduction reaction is enhanced by simultaneously doping nitrogen and boron into a carbon material (see Non-Patent Document 1).

特開2008−282725号公報JP 2008-282725 A

Jun-ichiOzaki, Naofumi Kimura, Tomonori Anahara, Asao Oya, Carbon 45 (2007) 1847-1853Jun-ichiOzaki, Naofumi Kimura, Tomonori Anahara, Asao Oya, Carbon 45 (2007) 1847-1853

しかしながら、特許文献1に示すような、ナノシェル構造を持つ炭素を調製する上では、製法上金属の使用が不可欠であった。これは、金属が有する炭素化プロセスを改変する触媒的機能を利用するからである。しかし、ナノシェル構造を持つ炭素を調製する上で必要とされる金属が、過酸化水素(H)と化学反応を引き起こして燃料電池の部材としての電解質膜やセパレータの劣化を招くため、調製後は使用した金属を取り除かなければならないという問題があった。
この金属の除去は塩酸水溶液等を用いて行われるのであるが、塩酸水溶液で金属を除去しようとしても完全に取り除くことは困難であった。このため、金属を用いることなく、ナノシェル構造と類似する構造を持つ炭素材料を調製することが望まれていた。
However, in preparing carbon having a nanoshell structure as shown in Patent Document 1, it is indispensable to use a metal for the production method. This is because the catalytic function of modifying the carbonization process of the metal is utilized. However, the metal required to prepare the carbon having a nanoshell structure causes a chemical reaction with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), leading to deterioration of the electrolyte membrane or separator as a fuel cell member. After preparation, there was a problem that the used metal had to be removed.
The removal of the metal is performed using a hydrochloric acid aqueous solution or the like, but even if it is attempted to remove the metal with the hydrochloric acid aqueous solution, it is difficult to completely remove the metal. For this reason, it has been desired to prepare a carbon material having a structure similar to the nanoshell structure without using a metal.

このため、発明者等は、非特許文献1で発表したような、炭素材料に窒素とホウ素をドープすることで、酸素還元活性を高める方法を試みたが、この方法で調製されたカーボン触媒は、ナノシェル構造のものほど酸素還元活性を高めることができなかった。もちろん、ある程度の酸素還元活性は期待できるものの頭打ちになって、ナノシェル構造ほどの酸素還元活性を得ることができなかった。   For this reason, the inventors tried a method of increasing the oxygen reduction activity by doping nitrogen and boron into a carbon material as disclosed in Non-Patent Document 1, but the carbon catalyst prepared by this method is The oxygen reduction activity could not be increased as much as the nanoshell structure. Of course, although some oxygen reduction activity can be expected, it has reached the peak, and the oxygen reduction activity as high as the nanoshell structure could not be obtained.

このような研究過程の中で、発明者等は、金属を用いないで、しかもナノシェル構造と同程度の酸素還元活性を有する触媒を調製することができないかを考えた。そこで、思いついたのが工業用研磨剤として用いられる市販のナノタイヤモンド(ND)の利用である。
ナノダイヤモンドの大きさは粒径5nm程度であり、高温で焼き入れをすると、ナノオニオン構造といわれる断面が玉ネギ状の炭素構造を持つことが知られている。この断面が玉ネギ状になる炭素構造は、炭素が玉ネギ状の円形に積層された状態になることを示しており、この構造が金属を用いて調製したナノシェル構造と類似しているのである。なお、発明者等が調製したナノオニオン構造のカーボン触媒を図14に示す。
In the course of such research, the inventors considered whether a catalyst having oxygen reduction activity comparable to that of the nanoshell structure could be prepared without using a metal. Then, what came to mind was the use of commercially available nano tiremond (ND) used as an industrial abrasive.
Nanodiamond has a particle size of about 5 nm, and it is known that a cross-section called a nano-onion structure has an onion-like carbon structure when quenched at high temperature. The carbon structure in which the cross-section has an onion shape indicates that the carbon is laminated in an onion-like circular shape, and this structure is similar to the nanoshell structure prepared using a metal. . A carbon catalyst having a nano-onion structure prepared by the inventors is shown in FIG.

一般に、炭素材料に存在する湾曲した部分にはπ電子系の歪みがあるといわれている。発明者等は、これが酸素還元活性点であると仮定し、ナノダイヤモンド(ND)を熱処理して得られるナノオニオン構造は、ナノシェル構造と同様の酸素還元活性を示すものと考えた。   In general, it is said that a curved portion existing in a carbon material has a π-electron strain. The inventors assumed that this was an oxygen reduction active site, and thought that the nano-onion structure obtained by heat-treating nanodiamond (ND) exhibited the same oxygen reduction activity as the nanoshell structure.

本発明の目的は、上記ナノシェル構造に近いナノオニオン構造を、金属を使わないで調製し、その結果、酸素還元活性が金属を用いて調製したナノシェル構造のカーボン触媒と同程度になるカーボン触媒を提供することである。   An object of the present invention is to prepare a carbon catalyst having a nano-onion structure close to the above-described nano-shell structure without using a metal, and as a result, having a carbon catalyst having oxygen reduction activity comparable to that of a nano-shell structure carbon catalyst prepared using a metal. Is to provide.

本発明のカーボン触媒は、電子スピン共鳴スペクトルを、X−バンド分光器を用いて測定すると、3200〜3500ガウスに現れる吸収の微分曲線で求められるパラメータが11ガウス以下となる。本発明のカーボン触媒は、炭素格子の中に欠陥を有すると考えられ、例えば、ナノダイヤモンドを出発原料として約1400℃〜1600℃まで加熱処理し、ナノオニオン構造としたナノダイヤモンドに600℃以上で窒素処理することにより調製することができる。   When the electron spin resonance spectrum of the carbon catalyst of the present invention is measured using an X-band spectrometer, the parameter determined by the absorption differential curve appearing at 3200 to 3500 gauss is 11 gauss or less. The carbon catalyst of the present invention is considered to have defects in the carbon lattice, for example, heat treatment from about 1400 ° C. to 1600 ° C. using nano diamond as a starting material to form nano onion nano diamond at 600 ° C. or higher. It can be prepared by nitrogen treatment.

また、本発明のカーボン触媒の中の炭素中の窒素割合をX線光電子分光装置で測定すると、炭素に対する窒素割合が4%以下となる。
更に、本発明のカーボン触媒について、硫酸水溶液中で測定したサイクリックボルタモグラムを見ると、低電位側の電流値が高電位側に比べて増大していることが認められた。
Moreover, when the nitrogen ratio in carbon in the carbon catalyst of the present invention is measured with an X-ray photoelectron spectrometer, the nitrogen ratio relative to carbon is 4% or less.
Furthermore, when the cyclic voltammogram measured in the sulfuric acid aqueous solution was seen about the carbon catalyst of this invention, it was recognized that the electric current value of the low electric potential side is increasing compared with the high electric potential side.

本発明のカーボン触媒の製造方法は、ナノダイヤモンドを出発原料として約1000℃まで加熱する第一の加熱工程と、加熱したナノダイヤモンドを、更に高温に昇温して1400℃〜1600℃まで加熱し、ナノオニオン構造のナノダイヤモンドを得る第二の加熱工程と、第二の加熱工程の後に、ナノダイヤモンドに600℃以上の温度で、アンモオキシデーションにより窒素処理をしてカーボン触媒を調製する工程と、を含む。   The method for producing a carbon catalyst of the present invention includes a first heating step of heating to about 1000 ° C. using nano diamond as a starting material, and heating the heated nano diamond to a higher temperature to 1400 ° C. to 1600 ° C. A second heating step for obtaining nano-onion-structured nanodiamond, and a step of preparing a carbon catalyst by performing nitrogen treatment by ammoxidation at a temperature of 600 ° C. or higher after the second heating step. ,including.

本発明のカーボン触媒によれば、従来のナノシェル構造を有するカーボン触媒のように金属を用いることがないので、金属を取り除く必要がない。そして、金属を用いて調製した従来のカーボン触媒に比べても同等な酸素還元活性を有する触媒を提供することができる。   According to the carbon catalyst of the present invention, there is no need to remove the metal because no metal is used unlike the conventional carbon catalyst having a nanoshell structure. And the catalyst which has equivalent oxygen reduction activity compared with the conventional carbon catalyst prepared using the metal can be provided.

本発明のカーボン触媒を製造する工程を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the process of manufacturing the carbon catalyst of this invention. 図1の製造工程で製造されたカーボン触媒の電位と電流密度を計測するための回転ディスク電極装置の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a rotating disk electrode device for measuring the potential and current density of the carbon catalyst manufactured in the manufacturing process of FIG. 1. 図2の装置を使って求めた酸素還元に関する電位と電流密度との関係を示すボルタモグラムである。It is a voltammogram which shows the relationship between the electric potential regarding the oxygen reduction calculated | required using the apparatus of FIG. 2, and current density. 図3の電位と電流密度の関係のグラフから求めた、アンモオキシデーション処理温度(窒素処理温度)に対する酸素還元開始電位を示す図である。It is a figure which shows the oxygen reduction start potential with respect to the ammoxidation processing temperature (nitrogen processing temperature) calculated | required from the graph of the relationship between the electric potential of FIG. 3, and current density. 図4のアンモオキシデーションの処理温度(窒素処理温度)に対する窒素ドープ割合(N/C原子比)の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the nitrogen dope ratio (N / C atomic ratio) with respect to the process temperature (nitrogen process temperature) of the ammoxidation of FIG. 図5の窒素ドープ割合と酸素還元開始電位との関係をND1400シリーズとND1600シリーズとで比較して示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the nitrogen doping ratio and the oxygen reduction start potential in FIG. 5 in a comparison between the ND1400 series and the ND1600 series. 図1で製造したカーボン触媒のND1400シリーズとND1600シリーズをサイクリックボルタンメトリー(CV)で測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the ND1400 series and ND1600 series of the carbon catalyst manufactured in FIG. 1 by cyclic voltammetry (CV). 電位0.05Vの電流値I(0.05V)と電位0.6Vの電流値I(0.6V)との比に対する酸素還元開始電位(V vs. NHE)を示す図である。It is a figure which shows oxygen reduction start potential (V vs. NHE) with respect to ratio of electric current value I (0.05V) of electric potential 0.05V, and electric current value I (0.6V) of electric potential 0.6V. ESR(電子スピン共鳴)スペクトルよりパラメータWを求める方法を説明するための図であるIt is a figure for demonstrating the method of calculating | requiring the parameter W from an ESR (electron spin resonance) spectrum. X−バンドESR装置(電子スピン共鳴装置)を用いてND1400シリーズを測定したときのスペクトルである。It is a spectrum when measuring ND1400 series using an X-band ESR apparatus (electron spin resonance apparatus). X−バンドESR装置(電子スピン共鳴装置)を用いてND1600シリーズを測定したときのスペクトルである。It is a spectrum when measuring ND1600 series using an X-band ESR apparatus (electron spin resonance apparatus). 図10と図11のX−バンド電子スピン共鳴測定結果から得られるパラメータWに対する酸素還元活性電位を示す図である。It is a figure which shows the oxygen reduction active potential with respect to the parameter W obtained from the X-band electron spin resonance measurement result of FIG. 10 and FIG. 燃料電池の原理を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the principle of a fuel cell. カーボンナノオニオンを透過型電子顕微鏡で観察したときの写真である。It is a photograph when carbon nano-onion is observed with a transmission electron microscope.

以下、図1〜13を用いて本発明の実施の形態例(以下、「本例」ということもある。)のカーボン触媒とその調製法、及び特に本例のカーボン触媒の酸素還元活性について説明する。説明は、以下の項目の順に行う。
1.本発明の実施の形態のカーボン触媒の調製法
2.本発明の実施の形態であるカーボン触媒の酸素還元活性の説明
実験例1:回転ディスク電極装置による測定
実験例2:X線光電子分光装置による測定
実験例3:サイクリックボルタンメトリー(CV)による測定
実験例4:X−バンドESR装置(電子スピン共鳴装置)による測定
3.燃料電池への応用
Hereinafter, the carbon catalyst of the embodiment of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “this example”) and the preparation method thereof, and particularly the oxygen reduction activity of the carbon catalyst of this example will be described with reference to FIGS. To do. The description will be given in the following order.
1. 1. Method for preparing carbon catalyst of embodiment of the present invention Description of the oxygen reduction activity of the carbon catalyst according to the embodiment of the present invention
Experimental Example 1: Measurement with a rotating disk electrode device
Experimental example 2: Measurement by X-ray photoelectron spectrometer
Experimental Example 3: Measurement by cyclic voltammetry (CV)
Experimental Example 4: Measurement with X-band ESR apparatus (electron spin resonance apparatus) Application to fuel cells

<1.本例のカーボン触媒の調製法>
最初に、カーボン触媒の調製法について、図1のフローチャート(工程表)を参照して説明する。まず、市販(PROSONIC製)のナノダイヤモンド(ND)の熱処理を行う(ステップS1)。この熱処理は、赤外線イメージ炉を用いて、窒素流通下、昇温速度10℃/minで、1000 ℃まで昇温した状態で1時間保持して行った。
<1. Preparation method of carbon catalyst of this example>
Initially, the preparation method of a carbon catalyst is demonstrated with reference to the flowchart (process table) of FIG. First, a commercially available (made by PROSONIC) nano diamond (ND) is heat-treated (step S1). This heat treatment was performed by using an infrared image furnace and maintaining for 1 hour in a state where the temperature was raised to 1000 ° C. at a temperature raising rate of 10 ° C./min under a nitrogen flow.

次に、このように熱処理したナノダイヤモンドをさらに超高温炉を用いて、真空下で1400℃まで昇温したものと、1600℃まで昇温したものを用意し、これを再び1時間保持することで高温の熱処理を行った(ステップS2)。そして、得られた熱処理物を、ボールミルを用いて106 μm以下にする粉砕処理を行った(ステップS3)。このようにして得られた試料をND1400、ND1600と表記することとした(図3参照)。   Next, prepare nano-diamonds that have been heat-treated in this way, using an ultra-high temperature furnace, heated to 1400 ° C under vacuum and those heated to 1600 ° C, and hold them again for 1 hour. Then, a high temperature heat treatment was performed (step S2). Then, the obtained heat-treated product was pulverized to 106 μm or less using a ball mill (step S3). The samples thus obtained were designated as ND1400 and ND1600 (see FIG. 3).

ここで、2つのカーボン触媒試料ND1400、ND1600を取り上げたのは以下の理由による。ステップS1で1000℃まで昇温した段階では、ナノダイヤモンドの構造が残り、ナノオニオン構造にならなかった。実際に、ステップS2で加熱温度を上げていくと、1200℃ではナノダイヤモンドの構造が残り、1400℃まで昇温するとナノオニオン構造に変化することが分かった(図14参照)。なお、1400℃でもわずかにナノダイヤモンド構造が残っていた。また、2000℃近くまで昇温すると、ナノオニオン構造が成長したグラファイト構造(高温で大きな結晶が発達した構造)になって、不活性となることが確認されたため、試料としては、ND1400、ND1600を採用することにした。   Here, the two carbon catalyst samples ND1400 and ND1600 are taken up for the following reason. At the stage where the temperature was raised to 1000 ° C. in Step S1, the nanodiamond structure remained and did not become a nano-onion structure. In fact, it was found that when the heating temperature was increased in step S2, the structure of nanodiamond remained at 1200 ° C, and changed to a nano-onion structure when the temperature was raised to 1400 ° C (see FIG. 14). A slight nanodiamond structure remained even at 1400 ° C. In addition, it was confirmed that when the temperature was raised to near 2000 ° C, the nano-onion structure grew into a graphite structure (a structure in which large crystals developed at a high temperature) and became inactive, so ND1400 and ND1600 were used as samples. I decided to adopt it.

しかし、このように調製した試料ND1400、ND1600でも、後述するように、酸素還元活性の十分な伸びが得られなかった。つまり、当初想定していたような、金属を用いて調製したナノシェル構造の触媒が有する酸素還元活性までは到達できなかった。
そこで、発明者等は、次のステップとして、これらの試料ND1400、ND1600に、アンモオキシデーション法により窒素をドープすることを試みた(ステップS4)。つまり、発明者等が非特許文献1で提案した、炭素材料に窒素をドープする方法を取り込んだわけである。
However, even with the samples ND1400 and ND1600 prepared in this way, as described later, sufficient elongation of oxygen reduction activity was not obtained. That is, it was not possible to reach the oxygen reduction activity of a nanoshell structured catalyst prepared using a metal as originally assumed.
Therefore, the inventors tried to dope the samples ND1400 and ND1600 with nitrogen by the ammoxidation method as the next step (step S4). That is, the method of doping nitrogen with a carbon material proposed by the inventors in Non-Patent Document 1 is incorporated.

アンモオキシデーション法というのは、サンプルをアンモニアと乾燥空気の流通下で熱処理することで窒素ドープを行う方法である。この方法は、アンモニアと空気の混合ガスを加熱処理したナノダイヤモンドND1400、ND1600に接触させ、空気中に含まれる酸素で炭素表面を活性化すると同時に窒素をドープする方法である。
具体的には、赤外線イメージ炉を用いて、窒素気流下(200 ml/min)で所定の温度(400、600、700、800、900、1000、1100℃)まで30℃/minの温度上昇率で昇温した。そして、窒素からアンモニアと空気の混合ガス200 ml/min(アンモニア濃度比70%)に切り替え、2時間加熱して反応させ、その後窒素気流下で10 分保持した。このように調製したカーボン触媒試料を、例えばND1400N600(窒素処理温度600℃)、ND1600N900(窒素処理温度900℃)などと表記する(後述する図3参照)。
The ammoxidation method is a method in which nitrogen is doped by heat-treating a sample in a flow of ammonia and dry air. This method is a method in which a mixed gas of ammonia and air is brought into contact with nanodiamonds ND1400 and ND1600 that have been heat-treated, and the carbon surface is activated with oxygen contained in the air and simultaneously doped with nitrogen.
Specifically, using an infrared image furnace, a rate of temperature increase of 30 ° C / min up to a predetermined temperature (400, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 ° C) under a nitrogen stream (200 ml / min) The temperature was raised. Then, the mixture was changed from nitrogen to a mixed gas of ammonia and air of 200 ml / min (ammonia concentration ratio 70%), heated to react for 2 hours, and then kept under a nitrogen stream for 10 minutes. The carbon catalyst sample prepared in this way is expressed as, for example, ND1400N600 (nitrogen treatment temperature 600 ° C.), ND1600N900 (nitrogen treatment temperature 900 ° C.), etc. (see FIG. 3 described later).

<2.本例のカーボン触媒の酸素還元活性の説明>
図2は、このようにして調製したカーボン触媒(試料)の酸素還元活性(触媒の反応性)を測定するための装置の概略構成図である。この装置は、作用極としてのディスク電極に測定する物質(ここではカーボン触媒)を塗布して燃料電池のカソード電極反応を見るために慣用的に使用される装置であり、通称、回転ディスク電極装置と呼ばれる。
<2. Explanation of oxygen reduction activity of carbon catalyst of this example>
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an apparatus for measuring the oxygen reduction activity (reactivity of the catalyst) of the carbon catalyst (sample) thus prepared. This device is a device that is conventionally used to apply a substance to be measured (here, a carbon catalyst) to a disk electrode as a working electrode and observe a cathode electrode reaction of a fuel cell. Called.

最初に、この電気化学セルの構成の概略を説明する。電気化学セルは、通常作用極3、参照極5、対極6という3つの電極を備えている。作用極3の電位を参照極5に対して変えて作用極3と対極6間を流れる電流を測定する。   First, an outline of the structure of this electrochemical cell will be described. The electrochemical cell includes three electrodes, that is, a normal working electrode 3, a reference electrode 5, and a counter electrode 6. The electric current flowing between the working electrode 3 and the counter electrode 6 is measured by changing the potential of the working electrode 3 with respect to the reference electrode 5.

本発明の測定に用いられる電気化学セルでは、3本の脚9で支持されるガラス製の容器1の中に酸素飽和0.5モルの硫酸水溶液からなる電解液2を充満させ、その中にディスクで形成される作用極(ディスク電極)3が配置されている。作用極3には、測定される試料、ここではカーボン触媒が塗布される。ディスク電極3の周りには白金からなるリング電極3aが設けられている。このリング電極3aの電位は、ディスク電極3の電位とは独立に設定される。ディスク電極3を回転させると、電解液2はディスク電極3の中央部へ向かって吸い込まれ、ディスク電極3の回転の遠心力により電解液2はディスク電極3の表面に平行に流れる。リング電極3aは、この電解液2の流れの中に配置されており、ディスク電極3の表面における反応で生成した生成物を電気分解して検出する役割を果たしている。   In the electrochemical cell used for the measurement of the present invention, the glass vessel 1 supported by the three legs 9 is filled with the electrolyte solution 2 composed of a 0.5 mol oxygen saturated sulfuric acid aqueous solution, A working electrode (disk electrode) 3 formed of a disk is disposed. The working electrode 3 is coated with a sample to be measured, here a carbon catalyst. A ring electrode 3 a made of platinum is provided around the disk electrode 3. The potential of the ring electrode 3a is set independently of the potential of the disk electrode 3. When the disk electrode 3 is rotated, the electrolyte 2 is sucked toward the center of the disk electrode 3, and the electrolyte 2 flows parallel to the surface of the disk electrode 3 due to the centrifugal force of the rotation of the disk electrode 3. The ring electrode 3a is disposed in the flow of the electrolytic solution 2, and plays a role of electrolyzing and detecting a product generated by the reaction on the surface of the disk electrode 3.

また、図2に示すように、ガラス容器1とは別のガラス容器4が設けられ、このガラス容器4の中に参照極5が設けられる。参照極5としては、例えば銀・塩化銀電極(Ag/AgCl)が用いられる。
ガラス容器1とガラス容器4は連通しており、ともに、電解液(硫酸水溶液)2で満たされている。ガス導入口7からは、電解液2を酸素飽和するために酸素ガスが導入され、この酸素ガスが電解液2をバブリングし、酸素で飽和された電解液2を得る。酸素で飽和された電解液2は、作用極(ディスク電極)3にて燃料電池のカソード反応である酸素還元反応を引き起こす。この後、ガス導入口7から導入された酸素ガスはガス排出口8から排出される。
As shown in FIG. 2, a glass container 4 different from the glass container 1 is provided, and a reference electrode 5 is provided in the glass container 4. As the reference electrode 5, for example, a silver / silver chloride electrode (Ag / AgCl) is used.
The glass container 1 and the glass container 4 are in communication, and both are filled with an electrolytic solution (aqueous sulfuric acid solution) 2. From the gas inlet 7, oxygen gas is introduced to saturate the electrolytic solution 2 with oxygen, and this oxygen gas bubbles the electrolytic solution 2 to obtain the electrolytic solution 2 saturated with oxygen. The electrolyte solution 2 saturated with oxygen causes an oxygen reduction reaction, which is a cathode reaction of the fuel cell, at the working electrode (disk electrode) 3. Thereafter, the oxygen gas introduced from the gas inlet 7 is discharged from the gas outlet 8.

この電気化学セルを用いた操作の手順は、以下の通りである。まず、電解液(硫酸水溶液)2中に、作用極であるディスク電極3、リング電極3a、対極6をセットする。この状態で、ガス導入口7から窒素を導入して硫酸水溶液中に溶存している酸素を強制的に排出させる(窒素バブリングによる酸素パージ)。   The procedure of operation using this electrochemical cell is as follows. First, a disk electrode 3, a ring electrode 3 a, and a counter electrode 6 that are working electrodes are set in an electrolytic solution (aqueous sulfuric acid solution) 2. In this state, nitrogen is introduced from the gas inlet 7 to forcibly discharge oxygen dissolved in the sulfuric acid aqueous solution (oxygen purge by nitrogen bubbling).

次に、酸素をパージした電解液中でLSV(Linear Sweep Voltammetry )測定を行い、ここで得られるボルタモグラムをベースラインとする。つまり、ベースラインとは、窒素パージした電解液中で電位を掃引して求める電流であり、具体的には、ディスク電極3の電位を時間の関数として直線的に掃引したときの電流応答である。   Next, LSV (Linear Sweep Voltammetry) measurement is performed in an electrolyte purged with oxygen, and the voltammogram obtained here is used as a baseline. That is, the baseline is a current obtained by sweeping the potential in a nitrogen purged electrolyte, and specifically, a current response when the potential of the disk electrode 3 is linearly swept as a function of time. .

続いて、ガス導入口7から酸素を硫酸水溶液中に導入し、酸素バブリングを行う。そして、酸素で飽和した硫酸水溶液で、同様にLSVを測定する。このLSVの測定では、2つの電流が重畳されている。一つは、ディスク電極3における酸素還元に基づく反応電流(ファラデー電流)であり、もう一つは電気二重層の充放電による電流(非ファラデー電流)である。この重畳されている酸素飽和の硫酸水溶液中で求めた電流から、先に求めたベースラインの電流を引くと、純粋に酸素還元に基づく反応電流(ファラデー電流)が求まる。   Subsequently, oxygen is introduced into the sulfuric acid aqueous solution from the gas inlet 7 and oxygen bubbling is performed. Then, LSV is measured in the same manner using a sulfuric acid aqueous solution saturated with oxygen. In this LSV measurement, two currents are superimposed. One is a reaction current (Faraday current) based on oxygen reduction in the disk electrode 3, and the other is a current (non-Faraday current) due to charging / discharging of the electric double layer. By subtracting the previously obtained baseline current from the current obtained in the oxygen saturated sulfuric acid aqueous solution superimposed, a reaction current (Faraday current) based purely on oxygen reduction is obtained.

この作用極(ディスク電極)3の表面で起る酸素還元反応には、二つの反応様式がある。
一つは、酸素から水ができる反応(4電子反応)、もう一つは、酸素から過酸化水素ができる反応(2電子反応)である。後者は、酸素モル当たりの電流効率が悪く、また過酸化水素という電池の劣化を起こす物質ができるので、望ましくない反応である。カーボン系触媒の場合、いかに過酸化水素を出ないようにするかが重要であり、リング電極3aは、この望ましくない副反応生成物である過酸化水素の量を測るために設けられている。ここでは、リング電極3aの電位を、過酸化水素が酸化される電位に設定し、酸素まで電気分解を行って、その酸化に伴う電流を測るようにしている。
There are two reaction modes in the oxygen reduction reaction occurring on the surface of the working electrode (disk electrode) 3.
One is a reaction that produces water from oxygen (four-electron reaction), and the other is a reaction that produces hydrogen peroxide from oxygen (two-electron reaction). The latter is an undesirable reaction because the current efficiency per mole of oxygen is poor and hydrogen peroxide, a substance that causes battery deterioration, is produced. In the case of a carbon-based catalyst, it is important how hydrogen peroxide is not emitted, and the ring electrode 3a is provided to measure the amount of hydrogen peroxide that is an undesirable side reaction product. Here, the potential of the ring electrode 3a is set to a potential at which hydrogen peroxide is oxidized, electrolysis is performed up to oxygen, and the current accompanying the oxidation is measured.

参照極5が設けられるガラス容器4をガラス容器1と別に設けているのは、参照極5に使われる塩化カリウム(KCl)の飽和溶液の拡散を最小限にするとともに、参照極5が作用極3の回転による電解液2の拡散を妨害しないようにするためである。また、ガラス容器1の作用極3の対向する位置に白金で形成された対極6が配置されている。対極6は作用極3との間で電流を流すために設けられる電極である。   The glass container 4 provided with the reference electrode 5 is provided separately from the glass container 1 to minimize the diffusion of a saturated solution of potassium chloride (KCl) used for the reference electrode 5 and the reference electrode 5 is a working electrode. This is to prevent the electrolyte 2 from diffusing due to the rotation of 3. Further, a counter electrode 6 made of platinum is disposed at a position facing the working electrode 3 of the glass container 1. The counter electrode 6 is an electrode provided to allow a current to flow between the working electrode 3 and the counter electrode 6.

作用極(ディスク電極)3は、不図示のモータで毎分1500回転の速度で回転駆動される。作用極3を高速回転しているのは、電極表面に層流を形成し、反応体(試料)の拡散供給を一定にするためである。また、作用極3の電位を走査する速度は1mV/sであり、作用極3は、参照極5(Ag/AgCl)に対して、この走査速度で0.8V〜−0.2Vの範囲で走査される。そして、これにより、作用極3と対極6間を流れる電流が測定され、更には単位面積当たりの電流密度も測定される。   The working electrode (disk electrode) 3 is rotationally driven by a motor (not shown) at a speed of 1500 revolutions per minute. The reason why the working electrode 3 is rotated at a high speed is that a laminar flow is formed on the electrode surface and the diffusion supply of the reactant (sample) is made constant. Further, the scanning speed of the potential of the working electrode 3 is 1 mV / s, and the working electrode 3 has a scanning speed of 0.8 V to −0.2 V with respect to the reference electrode 5 (Ag / AgCl). Scanned. As a result, the current flowing between the working electrode 3 and the counter electrode 6 is measured, and the current density per unit area is also measured.

<実験例1:回転ディスク電極装置による測定>
上述図2に示した回転ディスク電極装置を用いて、図1で調製した本例のカーボン触媒ND1400シリーズ、ND1600シリーズの試料の酸素還元開始電位を測定した。
図3(A)、(B)は、この方法を用いて調製した本例のカーボン触媒ND1400シリーズとND1600シリーズの酸素還元ボルタモグラムである。この酸素還元ボルタモグラムでは、横軸に標準水素電極(NHE:Normal Hydrogen Electrode )に対する作用極3の電位を示し、縦軸に対極6と作用極3間を流れる電流密度(mA/cm2)を示している。
<Experimental Example 1: Measurement with a rotating disk electrode device>
Using the rotating disk electrode device shown in FIG. 2, the oxygen reduction starting potentials of the carbon catalyst ND1400 series and ND1600 series samples of this example prepared in FIG. 1 were measured.
3A and 3B are oxygen reduction voltammograms of the carbon catalysts ND1400 series and ND1600 series of this example prepared using this method. In this oxygen reduction voltammogram, the horizontal axis represents the potential of the working electrode 3 with respect to a normal hydrogen electrode (NHE), and the vertical axis represents the current density (mA / cm 2 ) flowing between the counter electrode 6 and the working electrode 3. ing.

図3(A)、(B)は、カーボン触媒の酸素還元活性について示した図である。この図において、作用極3が標準水素電極(NHE)に対して高い電位に(右側)にあって、対極6と作用極3間の電流密度が高くなるほど(下側に行くほど)酸素還元活性が高いことを示す。また、この図3から分かるように、ND1400シリーズとND1600シリーズの試料とも、アンモオキシデーション法の処理温度(窒素処理温度)が高くなるほど活性が高くなり、窒素未ドープ試料(ND1400、ND1600)では活性が低くなる。   3A and 3B are diagrams showing the oxygen reduction activity of the carbon catalyst. In this figure, the working electrode 3 is at a higher potential (right side) than the standard hydrogen electrode (NHE), and the oxygen reduction activity increases as the current density between the counter electrode 6 and the working electrode 3 increases (goes down). Is high. As can be seen from FIG. 3, both the ND1400 series and ND1600 series samples have higher activity as the treatment temperature (nitrogen treatment temperature) of the ammoxidation method is higher, and the activity is higher in nitrogen-undoped samples (ND1400, ND1600). Becomes lower.

図4は、ナノダイヤモンドNDの熱処理温度1400℃シリーズ(●印)と熱処理温度1600℃シリーズ(○印)のカーボン触媒の酸素還元開始電位(V vs. NHE)を測定したグラフである。横軸は、アンモオキシデーションの処理温度(窒素処理温度)である。
図4に示す酸素還元開始電位(V vs. NHE)は、図3のグラフを拡大して、電流密度が−10μA/cmのときの電位を求めたものである。この酸素還元開始電位というのは、図2の作用極(ディスク電極)3と対極6間に電流を流さないで測る作用極3の電位をいう。しかし、電流を流さない状態で電位を測定することが困難であるため、ここでは作用極(ディスク電極)3と対極6間に電流密度−10μA/cmの微弱電流が流れた時点の作用極3の電位を、酸素還元開始電位とした。この作用極3の電位が、本発明で調製したカーボン触媒ND1400シリーズ、ND1600シリーズの酸素還元開始電位となる。
FIG. 4 is a graph obtained by measuring the oxygen reduction initiation potential (V vs. NHE) of the carbon catalyst of the heat treatment temperature 1400 ° C. series (● mark) and the heat treatment temperature 1600 ° C. series (circle mark) of nanodiamond ND. The horizontal axis represents the ammoxidation treatment temperature (nitrogen treatment temperature).
The oxygen reduction start potential (V vs. NHE) shown in FIG. 4 is obtained by enlarging the graph of FIG. 3 and obtaining the potential when the current density is −10 μA / cm 2 . The oxygen reduction start potential is the potential of the working electrode 3 measured without flowing current between the working electrode (disk electrode) 3 and the counter electrode 6 in FIG. However, since it is difficult to measure the potential in a state where no current flows, the working electrode when a weak current having a current density of −10 μA / cm 2 flows between the working electrode (disk electrode) 3 and the counter electrode 6 is used here. The potential of 3 was defined as the oxygen reduction starting potential. The potential of the working electrode 3 becomes the oxygen reduction start potential of the carbon catalysts ND1400 series and ND1600 series prepared in the present invention.

図4では、酸素還元ボルタモグラムから求めた酸素還元開始電位と比較するために、金属を用いて調製した従来のカーボン触媒の酸素還元開始電位を▲印で示し、金属を用いないで調製した従来のカーボン触媒の酸素還元開始電位を■印で示している。ここで、金属を用いて調製した従来のカーボン触媒は、特許文献1に記載されるナノシェル構造のカーボン触媒のことである。図4から、金属を使わないで調製したカーボン触媒に比べて極めて高い酸素還元活性を示していることが分かる。   In FIG. 4, in order to compare with the oxygen reduction start potential obtained from the oxygen reduction voltammogram, the oxygen reduction start potential of a conventional carbon catalyst prepared using a metal is indicated by ▲, and a conventional carbon catalyst prepared without using a metal is shown. The oxygen reduction start potential of the carbon catalyst is indicated by ■. Here, the conventional carbon catalyst prepared using metal is a carbon catalyst having a nanoshell structure described in Patent Document 1. It can be seen from FIG. 4 that the oxygen reduction activity is extremely high as compared with the carbon catalyst prepared without using a metal.

また、図4から分かるように、アンモオキシデーションの処理温度(窒素処理温度)の上昇と酸素還元活性の増大には相関がある。つまり、窒素処理温度を高くすると、酸素還元開始電位が高くなることから、当初は炭素中の窒素の割合が増えることにより酸素還元活性が高まるのではないかと考えた。
しかし、実験結果では、窒素処理温度を高くしても、ある温度(例えば、600℃)までは炭素中の窒素割合が多くなるが、それ以上に処理温度を高くすると、炭素中の窒素割合が逆に減少することが判明した。図5は、この結果を図示したものである。
Further, as can be seen from FIG. 4, there is a correlation between an increase in the treatment temperature (nitrogen treatment temperature) of ammoxidation and an increase in oxygen reduction activity. That is, when the nitrogen treatment temperature is increased, the oxygen reduction start potential is increased, so it was initially thought that the oxygen reduction activity might be increased by increasing the proportion of nitrogen in the carbon.
However, in the experimental results, even if the nitrogen treatment temperature is increased, the nitrogen ratio in the carbon increases up to a certain temperature (for example, 600 ° C.), but if the treatment temperature is increased further, the nitrogen ratio in the carbon is increased. Conversely, it turned out to decrease. FIG. 5 illustrates this result.

<実験例2:X線光電子分光装置による測定>
次に、XPS(X線光電子分光装置)を用いて、本例のカーボン触媒のND1400シリーズとND1600シリーズにおける炭素中の窒素割合(N/C原子比)を測定した。このXPSを用いた測定方法は、試料にX線を照射し、それにより放出された光電子を検出する方法である。これにより、試料表面の元素原子組成、化学結合状態を知ることができる。この測定結果を図5及び図6に示している。
<Experimental example 2: Measurement by X-ray photoelectron spectrometer>
Next, using XPS (X-ray photoelectron spectrometer), the nitrogen ratio (N / C atomic ratio) in carbon in the ND1400 series and ND1600 series of the carbon catalyst of this example was measured. This measurement method using XPS is a method of irradiating a sample with X-rays and detecting photoelectrons emitted thereby. Thereby, the element atomic composition and chemical bonding state of the sample surface can be known. The measurement results are shown in FIGS.

図5は、図4の窒素処理温度を横軸にとったときの、ND1400シリーズ(●印)とND1600シリーズ(○印)のN/C原子比(炭素中の窒素割合)をプロットした図である。
この図5から明らかなように、ND1400シリーズ、ND1600シリーズとも、窒素処理温度が600℃のときに、N/C原子比が最大を記録し、この窒素処理温度が600℃以上になると、窒素処理温度が上昇するにつれて、逆にN/C原子比が減少している。一方、図4で示したように、窒素処理温度が600℃以上では、その温度が上昇するにつれて、酸素還元活性は増大している。
FIG. 5 is a plot of the N / C atomic ratio (nitrogen ratio in carbon) of the ND1400 series (● mark) and ND1600 series (◯ mark) when the nitrogen treatment temperature in FIG. 4 is taken on the horizontal axis. is there.
As can be seen from FIG. 5, both the ND1400 series and ND1600 series recorded the maximum N / C atomic ratio when the nitrogen treatment temperature was 600 ° C. When the nitrogen treatment temperature reached 600 ° C. or higher, the nitrogen treatment Conversely, as the temperature increases, the N / C atomic ratio decreases. On the other hand, as shown in FIG. 4, when the nitrogen treatment temperature is 600 ° C. or higher, the oxygen reduction activity increases as the temperature rises.

発明者等は、当初窒素のドープ量が酸素還元活性を高めているのではないかと考えたが、図4及び図5を見る限り、この考えは成立しない。すなわち、窒素処理温度が600℃以上では、窒素処理温度が上昇するにつれてN/C原子比が減少している(図5)にも拘わらず、酸素還元活性が増大している(図4)。   The inventors thought that the amount of nitrogen doping initially increased the oxygen reduction activity, but this idea does not hold as long as FIGS. 4 and 5 are viewed. That is, when the nitrogen treatment temperature is 600 ° C. or higher, the oxygen reduction activity increases (FIG. 4) despite the N / C atomic ratio decreasing (FIG. 5) as the nitrogen treatment temperature increases.

図6(A)、(B)は、図5の横軸をXPSで測定した炭素材料中の窒素割合(N/C原子比)として、酸素還元開始電位(V vs. NHE)を示したものである。図6(A)は、ND1400シリーズの試料(●印)の酸素還元開始電位(V vs. NHE)を示し、図6(B)はND1600シリーズの試料(○印)の酸素還元開始電位(V vs. NHE)を示している。繰り返しになるが、図5及び図6から分かることは、炭素中の窒素割合が多い(N/C原子比が大きい)ことと酸素還元活性が大きいことには必ずしも相関がないということである。   6 (A) and 6 (B) show the oxygen reduction initiation potential (V vs. NHE) as the nitrogen ratio (N / C atomic ratio) in the carbon material measured by XPS on the horizontal axis of FIG. It is. 6A shows the oxygen reduction start potential (V vs. NHE) of the ND1400 series sample (● mark), and FIG. 6B shows the oxygen reduction start potential (V) of the ND1600 series sample (circle mark). vs. NHE). Again, what can be seen from FIGS. 5 and 6 is that there is not necessarily a correlation between a high nitrogen ratio in the carbon (high N / C atomic ratio) and a high oxygen reduction activity.

このことから、窒素処理温度が600℃までは、炭素中の窒素量が酸素還元活性に大きな影響を与えるが、ドープ温度が600℃以上では、窒素のドープ量ではない何か別のメカニズムが作用して酸素還元活性を上げているものと考える方が自然である。図6(A)のND1400シリーズでは、窒素処理温度が600℃以上で、窒素ドープ割合(N/C原子比)が4%以下のとき、酸素還元開始電位が0.6V以上で高電位になっている。また、図6(B)のND1600シリーズでは、窒素処理温度が600℃以上で、窒素ドープ割合(N/C原子比)が2%以下のときに、酸素還元開始電位が0.55V以上と高電位になっている。つまり、高い酸素還元活性を示していることが分かる。   This suggests that the nitrogen content in the carbon greatly affects the oxygen reduction activity until the nitrogen treatment temperature is up to 600 ° C, but if the doping temperature is 600 ° C or higher, some other mechanism that is not the nitrogen doping amount acts. Therefore, it is natural to think that the oxygen reduction activity is increased. In the ND1400 series of FIG. 6A, when the nitrogen treatment temperature is 600 ° C. or higher and the nitrogen doping ratio (N / C atomic ratio) is 4% or lower, the oxygen reduction start potential becomes 0.6 V or higher and becomes high potential. ing. In the ND1600 series of FIG. 6B, when the nitrogen treatment temperature is 600 ° C. or higher and the nitrogen doping ratio (N / C atomic ratio) is 2% or lower, the oxygen reduction starting potential is as high as 0.55 V or higher. It is at electric potential. That is, it can be seen that high oxygen reduction activity is exhibited.

発明者等は、この現象を次のように解釈している。つまり、ND1400シリーズ、ND1600シリーズとも、窒素処理温度を600℃以上に上げても、窒素が炭素中に入り込むことはなく、逆に炭素格子の中に入っていた窒素が抜けていく現象が起こっているのではないか。そして、この窒素が離脱して生じた欠陥(格子欠陥)が、活性点となって酸素還元活性を増大させているのではないかということである。
ここで、欠陥とは結合が不飽和状態になっているところをいう。欠陥がある場所では、ラジカルが形成されるので、逆にラジカルが欠陥の存在指標となる。つまり、高温になると純粋なカーボン(炭素)になる傾向があることから、高温で窒素が離脱し、その窒素の離脱した箇所(欠陥)がラジカルの増加につながっているのではないかと推定される。
The inventors interpret this phenomenon as follows. In other words, in both the ND1400 series and ND1600 series, even if the nitrogen treatment temperature is raised to 600 ° C or higher, nitrogen does not enter the carbon, and conversely, the phenomenon that the nitrogen contained in the carbon lattice escapes. Isn't it? Then, the defect (lattice defect) generated by the separation of nitrogen may become an active site and increase the oxygen reduction activity.
Here, the defect means that the bond is in an unsaturated state. Since a radical is formed at a place where there is a defect, the radical becomes a defect existence index. In other words, since there is a tendency to become pure carbon (carbon) at high temperatures, it is presumed that nitrogen is released at high temperatures, and the sites (defects) from which the nitrogen has been released lead to an increase in radicals. .

<実験例3:サイクリックボルタンメトリー(CV)による測定>
発明者等は、この現象を更に詳しく追跡するために、サイクリックボルタンメトリー(CV:Cyclic Voltammetry)を使って、ND1400シリーズとND1600シリーズの窒素未ドープ試料(アンモオキシデーション処理なし)と、窒素処理温度(アンモオキシデーション処理温度、400℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃)を行った試料を硫酸水溶液中に浸して、その電圧に対する電流変化を測定した。図7(A)〜(D)は、その結果を示す図である。
<Experimental Example 3: Measurement by cyclic voltammetry (CV)>
In order to track this phenomenon in more detail, the inventors have used cyclic voltammetry (CV), nitrogen undoped samples of ND1400 series and ND1600 series (without ammoxidation treatment), and nitrogen treatment temperature. A sample subjected to (ammoxidation treatment temperature, 400 ° C., 600 ° C., 700 ° C., 800 ° C., 900 ° C., 1000 ° C., 1100 ° C.) was immersed in an aqueous sulfuric acid solution, and the current change with respect to the voltage was measured. 7A to 7D are diagrams showing the results.

ここで、サイクリックボルタンメトリー(CV)とは、電位の変化を与えて電流の変化を測定することにより、界面の電気化学的挙動を調べる方法である。つまり、電位を変化させて電流を測定することにより、カーボン/電解質溶液界面に形成された電気化学二重層の充放電を測定することができる。図7の横軸は、標準水素電極(NHE)に対する電位を表し、縦軸は電流を表わしている。   Here, cyclic voltammetry (CV) is a method for examining the electrochemical behavior of the interface by applying a change in potential and measuring the change in current. That is, charging / discharging of the electrochemical double layer formed at the carbon / electrolyte solution interface can be measured by changing the potential and measuring the current. The horizontal axis in FIG. 7 represents the potential with respect to the standard hydrogen electrode (NHE), and the vertical axis represents the current.

図7から分かることは、窒素処理温度が400℃、600℃と上昇するにつれて、低電位側の電流値が増えていることである。このような低電位側の電流増加は、窒素をドープしたカーボンに見られる現象であり、充放電が静電的なものではなく、導入された窒素が形成する官能基が関わる電気化学反応に依存していると考えられる。   It can be seen from FIG. 7 that the current value on the low potential side increases as the nitrogen treatment temperature increases to 400 ° C. and 600 ° C. Such an increase in current on the low potential side is a phenomenon observed in carbon doped with nitrogen, and charging / discharging is not electrostatic and depends on an electrochemical reaction involving a functional group formed by the introduced nitrogen. it seems to do.

すなわち、CVの測定結果では、長方形に近いほど、純粋な電気二重層の応答に近いこと、つまり物理的な静電容量のみが電流に寄与していることを意味する。しかし、図7で低電位側で長方形が変形している。この低電位側の変形は、物理的な静電容量の他に、窒素の存在による擬似容量の寄与があると考えられ、この擬似容量により電流が増加したものと解釈することができる。   That is, in the CV measurement result, the closer to the rectangle, the closer to the response of a pure electric double layer, that is, only the physical capacitance contributes to the current. However, in FIG. 7, the rectangle is deformed on the low potential side. This deformation on the low potential side is considered to have a contribution of pseudo capacitance due to the presence of nitrogen in addition to physical capacitance, and can be interpreted as an increase in current due to this pseudo capacitance.

擬似容量の発現は、窒素を含む表面官能基が存在していることを意味する。この表面官能基は、通常標準水素電極(NHE)に対する界面電位が0.05V付近に現れる。これに対して、電位0.6Vにおける電流は、純粋に物理的な静電容量に依存する電流である。そこで、界面電位(0.05V)と電位0.6Vのそれぞれの電流値I(0.05V)とI(0.6V)との比に対する酸素還元開始電位(V vs. NHE)を図8に示した。   The expression of the pseudo capacity means that surface functional groups containing nitrogen are present. This surface functional group usually appears at an interface potential around 0.05 V with respect to a standard hydrogen electrode (NHE). On the other hand, the current at a potential of 0.6 V is a current that depends purely on the physical capacitance. Accordingly, FIG. 8 shows the oxygen reduction starting potential (V vs. NHE) with respect to the ratio between the current values I (0.05 V) and I (0.6 V) of the interface potential (0.05 V) and the potential 0.6 V, respectively.

図8から、表面官能基が少ない状態(例えば、窒素処理温度が400℃)では、I(0.05V)、I(0.6V)の両方とも物理的な静電容量のみが寄与するから、両者は等しい値となり、酸素還元活性も高くないことがわかる。窒素処理により表面官能基が増えると、I(0.05V)がI(0.6V)に比べて大きくなり、一時的には酸素還元活性が増える。しかし、それも窒素処理温度が600℃までで、それ以上の温度では、I(0.05V)/I(0.6V)が小さくなって、かつ酸素還元活性が大きくなっていることが分かった。つまり、窒素処理温度の変化をたどると、図8(A)、(B)の点線に見られるように、酸素還元開始電位(V vs. NHE)が「V字」を横にした軌跡を示すことが分かる。   From FIG. 8, in the state where the surface functional groups are low (for example, the nitrogen treatment temperature is 400 ° C.), both I (0.05 V) and I (0.6 V) contribute only to physical capacitance. It turns out that it becomes equal value and oxygen reduction activity is not high. When surface functional groups increase by nitrogen treatment, I (0.05V) becomes larger than I (0.6V), and oxygen reduction activity temporarily increases. However, it was also found that the nitrogen treatment temperature was up to 600 ° C., and I (0.05 V) / I (0.6 V) decreased and the oxygen reduction activity increased at temperatures higher than that. That is, when the change in the nitrogen treatment temperature is followed, as shown by the dotted lines in FIGS. I understand that.

<実験例4:X−バンドESR(電子スピン共鳴)装置による測定>
次に、図9〜図12を参照して、図1で調製した本例のカーボン触媒ND1400シリーズ及びND1600シリーズの各試料について3200〜3500ガウスに現れるX−バンドESR(Electron Spin Resonance)装置で測定した結果について説明する。
このESR強度(ESR Intensity)は、マイクロ波の吸収強度を表わしており、図9〜図12では任意の単位(a.u.)を用いている。
図9は、ESRスペクトルよりパラメータWを求める手法を説明するための図であり、磁界強度(Gauss)に対するESR強度(ESR Intensity)を表している。ここでは、この測定で常用されている微分波形を用いている。この微分波形の正または負の波形は、その成分が単一の原因に由来するのであれば、極性が反転しているだけで同形状(点対称)である。したがって、正又は負の何れか一方の波形を調べ、その振幅値が半分になる部分の磁界の幅を測定した。この磁界の幅は、本発明のカーボン触媒を記述する上で、極めて意味のある値なので、この磁界の幅を「パラメータW」と定義して、以後用いることとする。
<Experimental Example 4: Measurement by X-band ESR (electron spin resonance) apparatus>
Next, referring to FIG. 9 to FIG. 12, the carbon catalyst ND1400 series and ND1600 series of this example prepared in FIG. 1 are measured with an X-band ESR (Electron Spin Resonance) apparatus appearing at 3200 to 3500 gauss. The results will be described.
This ESR intensity (ESR Intensity) represents the absorption intensity of microwaves, and an arbitrary unit (au) is used in FIGS.
FIG. 9 is a diagram for explaining a method for obtaining the parameter W from the ESR spectrum, and represents the ESR intensity (ESR Intensity) with respect to the magnetic field intensity (Gauss). Here, a differential waveform commonly used in this measurement is used. The positive or negative waveform of the differential waveform has the same shape (point symmetry) only if the polarity is reversed if the component originates from a single cause. Therefore, either the positive or negative waveform was examined, and the width of the magnetic field at the portion where the amplitude value was halved was measured. The width of the magnetic field is an extremely meaningful value in describing the carbon catalyst of the present invention. Therefore, the width of the magnetic field is defined as “parameter W” and used thereafter.

ESRで測定された微分波形は、炭素と窒素の結合、もしくは炭素と炭素の結合が解裂して形成された欠陥部分に残るラジカルがマイクロ波を吸収した結果、得られる波形であると考えられる。例えば、グラファイト系では、グラファイトのエッジ面に酸素が吸着して、その部分が最も反応活性が高くなっていることが知られており、本例のカーボン触媒についても同様の構造になっていると推定される。換言すれば、本例のカーボン触媒では、ESRで測定された微分波形が結合の欠陥を示すインジケータとなる。つまり、電子のスピンがペアとなって存在していないラジカルが、マイクロ波を吸収するので、このスピンを探すことで炭素構造中もしくはその表面に欠陥があることが分かるのである。そして、この欠陥に酸素が吸着するため、酸素還元活性が強くなるものと考えられる。   The differential waveform measured by ESR is considered to be a waveform obtained as a result of absorption of microwaves by radicals remaining in a defect portion formed by carbon-nitrogen bond or carbon-carbon bond cleavage. . For example, in the graphite system, it is known that oxygen is adsorbed on the edge surface of graphite, and that part has the highest reaction activity, and the carbon catalyst of this example has the same structure. Presumed. In other words, in the carbon catalyst of this example, the differential waveform measured by ESR serves as an indicator indicating a bond defect. In other words, since radicals that do not exist in pairs of electron spins absorb microwaves, searching for this spin reveals that there is a defect in the carbon structure or on its surface. And it is thought that oxygen reduction activity becomes strong because oxygen adsorbs to this defect.

図10(A)〜(F)は、図1で調製した本例のカーボン触媒の試料ND1400シリーズについて、窒素未ドープ、窒素処理温度400℃、600℃、900℃、1000℃、1100℃の各試料のESRを測定した結果を示した図である。
図10(A)の窒素未ドープ試料ND1400、図10(B)の窒素処理温度ND1400N400におけるパラメータWは、比較的広くなっているのに対し、窒素処理温度を600℃以上に上げたND1400N600〜ND1400N1100の試料(図10(C)〜(F))のパラメータWは、ND1400、ND1400N400の試料に比べて狭くなっていることが認められる。
FIGS. 10A to 10F show the carbon catalyst sample ND1400 series of this example prepared in FIG. 1, each of nitrogen undoped, nitrogen treatment temperatures of 400 ° C., 600 ° C., 900 ° C., 1000 ° C., and 1100 ° C. It is the figure which showed the result of having measured the ESR of the sample.
The parameter W in the nitrogen-undoped sample ND1400 in FIG. 10 (A) and the nitrogen treatment temperature ND1400N400 in FIG. 10 (B) is relatively wide, whereas ND1400N600 to ND1400N1100 with the nitrogen treatment temperature increased to 600 ° C. or higher. It can be seen that the parameter W of these samples (FIGS. 10C to 10F) is narrower than the samples of ND1400 and ND1400N400.

同様に、図11(A)〜(F)は、図1で調製した本例のカーボン触媒の試料ND1600シリーズについてESRを測定した結果を示している。図11(A)〜(F)も、それぞれ窒素未ドープ、窒素処理温度400℃、600℃、900℃、1000℃、1100℃の各試料に対応している。図11のND1600シリーズの試料でも図10のND1400シリーズの試料ほど明らかではないが、同様な結果が認められる。   Similarly, FIGS. 11A to 11F show the results of measuring ESR for the sample ND1600 series of the carbon catalyst of this example prepared in FIG. FIGS. 11A to 11F also correspond to samples with nitrogen undoped and nitrogen treatment temperatures of 400 ° C., 600 ° C., 900 ° C., 1000 ° C., and 1100 ° C., respectively. The ND1600 series sample of FIG. 11 is not as obvious as the ND1400 series sample of FIG.

図12(A)、(B)は、それぞれND1400シリーズとND1600シリーズのカーボン触媒について、横軸にパラメータW(単位はガウス:Gauss)をとり、縦軸に酸素還元開始電位(V vs. NHE)をプロットした図である。図12(C)は、図12(A)、(B)を合成した図である。図12(A)から分かることは、ND1400シリーズでは、窒素未ドープと窒素処理温度400℃(N400)では、パラメータWは約17〜18ガウスであり、酸素還元開始電位も0.4V程度で低くなっている。それに対して、窒素処理温度600℃、900℃、1000℃、1100℃の各試料では、パラメータWは8〜11ガウスと狭くなっており、酸素還元開始電圧も0.6〜0.7V付近まで高くなっていることが分かる。   12 (A) and 12 (B) show the parameter W (unit: Gauss) on the horizontal axis and the oxygen reduction starting potential (V vs. NHE) on the vertical axis for the ND1400 series and ND1600 series carbon catalysts, respectively. FIG. FIG. 12C is a diagram in which FIGS. 12A and 12B are synthesized. As can be seen from FIG. 12A, in the ND1400 series, the parameter W is about 17 to 18 gauss and the oxygen reduction starting potential is as low as about 0.4 V at a nitrogen undoped and nitrogen treatment temperature of 400 ° C. (N400). It has become. On the other hand, in the samples with nitrogen treatment temperatures of 600 ° C., 900 ° C., 1000 ° C., and 1100 ° C., the parameter W is as narrow as 8 to 11 gauss and the oxygen reduction starting voltage is also around 0.6 to 0.7 V. You can see that it is getting higher.

図12(B)に示すND1600の試料では、窒素未ドープと窒素処理温度400℃(N400)では、パラメータWは約13ガウスであり、酸素還元開始電位も0.4V程度で低い。それに対して、窒素処理温度600℃、900℃、1000℃、1100℃の各試料では、パラメータWは8〜10ガウスと狭くなっており、酸素還元開始電位も0.5〜0.7Vと高くなっている。特に窒素処理温度が900℃、1000℃、1100℃のものは、酸素還元開始電位が約0.7Vとなり、窒素未ドープの試料に比べ、高い値を示していることが分かる。   In the sample of ND1600 shown in FIG. 12B, the parameter W is about 13 Gauss and the oxygen reduction starting potential is as low as about 0.4 V when nitrogen is not doped and the nitrogen treatment temperature is 400 ° C. (N400). On the other hand, in the samples with nitrogen treatment temperatures of 600 ° C., 900 ° C., 1000 ° C., and 1100 ° C., the parameter W is as narrow as 8 to 10 gauss and the oxygen reduction start potential is as high as 0.5 to 0.7 V. It has become. In particular, the nitrogen treatment temperatures of 900 ° C., 1000 ° C., and 1100 ° C. have an oxygen reduction starting potential of about 0.7 V, which is higher than that of the nitrogen-undoped sample.

既に説明したように、ND1400シリーズ、ND1600シリーズとも各試料においてESRのパラメータWが異なるということは、カーボン触媒を構成する炭素と窒素を含む炭素構造もしくはその表面の欠陥の状態が異なっていることに依存すると考えられる。このことは、発明者等が調製したND1400シリーズ、ND1600シリーズのカーボン触媒が、従来法で調製されたカーボン触媒とは異なる構造欠陥を有する新規なカーボン触媒であることを意味するといえる。   As already explained, the ESR parameter W is different for each sample in both the ND1400 series and ND1600 series, which means that the carbon structure of the carbon catalyst and the carbon structure containing nitrogen or the state of defects on its surface are different. It is thought that it depends. This means that the ND1400 series and ND1600 series carbon catalysts prepared by the inventors are novel carbon catalysts having structural defects different from those of the carbon catalysts prepared by conventional methods.

すなわち、図1及び図2に示した本例の調製法によって生成されたカーボン触媒ND1400 シリーズ及びND1600シリーズの試料は、上述したそれぞれの実験例の測定結果を見る限り、従来存在していなかった新規なカーボン触媒であるといってよい。換言すれば、図3で示したように、酸素還元開始電位(酸素還元活性)が、金属を用いて調製したナノシェル構造の従来品と匹敵する本例のカーボン触媒は、図12に示すように、ESRのパラメータWが11ガウス以下とすることで特定することが可能である。   That is, the samples of the carbon catalyst ND1400 series and ND1600 series produced by the preparation method of this example shown in FIG. 1 and FIG. 2 are new that did not exist so far as long as the measurement results of the respective experimental examples described above are seen. It can be said that it is a good carbon catalyst. In other words, as shown in FIG. 3, the carbon catalyst of this example whose oxygen reduction starting potential (oxygen reduction activity) is comparable to that of a conventional nanoshell structure prepared using a metal is shown in FIG. The ESR parameter W can be specified to be 11 gauss or less.

<3.燃料電池の電極触媒への応用>
本例のカーボン触媒は、燃料電池のカソード触媒層として利用される。図13は、燃料電池の基本的な構成を示したものである。
燃料電池10は、燃料極(アノード)20と、空気極(カソード)30と、電解質物質40とから構成される。燃料極20は、通常白金で形成されるアノード触媒21とそれを支えるための多孔質導電性支持層22からなり、空気極30は、カソード触媒31と多孔質導電性支持層32からなる。アノード20とカソード30との間に負荷50が接続されている。また、燃料極(アノード)20と空気極(カソード)30の外側にはセパレータ60が設けられている。
<3. Application of Fuel Cell to Electrocatalyst>
The carbon catalyst of this example is used as a cathode catalyst layer of a fuel cell. FIG. 13 shows a basic configuration of the fuel cell.
The fuel cell 10 includes a fuel electrode (anode) 20, an air electrode (cathode) 30, and an electrolyte material 40. The fuel electrode 20 is composed of an anode catalyst 21 usually made of platinum and a porous conductive support layer 22 for supporting the anode catalyst 21, and the air electrode 30 is composed of a cathode catalyst 31 and a porous conductive support layer 32. A load 50 is connected between the anode 20 and the cathode 30. A separator 60 is provided outside the fuel electrode (anode) 20 and the air electrode (cathode) 30.

このように構成された燃料電池の燃料極(アノード)20には、図に示すように水素(H)が供給され、アノード触媒21において、水素が電子を放出して水素イオンとなる。電子は、負荷(電気回路)50を経由して空気極(カソード)30に移動する。一方、水素イオンは電解質物質40中を空気極(カソード)30に向かって移動し、空気極(カソード)30で、酸素及び負荷を通して移動してくる電子と結合して水を生成する。
本例のカーボン触媒は、主として、空気極(カソード)30側のカソード触媒として利用されて好適なものである。
As shown in the figure, hydrogen (H 2 ) is supplied to the fuel electrode (anode) 20 of the fuel cell configured as described above, and in the anode catalyst 21, hydrogen releases electrons to become hydrogen ions. The electrons move to the air electrode (cathode) 30 via the load (electric circuit) 50. On the other hand, hydrogen ions move in the electrolyte material 40 toward the air electrode (cathode) 30, and combine with oxygen and electrons moving through the load at the air electrode (cathode) 30 to generate water.
The carbon catalyst of this example is preferably used mainly as a cathode catalyst on the air electrode (cathode) 30 side.

以上、発明者等が調製したカーボン触媒が、従来の金属を利用して作製したナノシェル構造のカーボン触媒と同等の酸素還元活性を呈することを、いくつかの実験を通して証明してきた。本発明のカーボン触媒の構造は具体的に特定できる段階ではないが、金属を使わない点で従来のカーボン触媒と同等な活性を得ることができた点で、燃料電池を始め多用途に応用することができると考えられる。   As described above, it has been proved through several experiments that the carbon catalyst prepared by the inventors exhibits an oxygen reduction activity equivalent to that of a carbon catalyst having a nanoshell structure produced using a conventional metal. Although the structure of the carbon catalyst of the present invention is not a stage that can be specifically identified, it can be applied to many uses including fuel cells in that it can obtain the same activity as a conventional carbon catalyst in that no metal is used. It is considered possible.

1、4・・・ガラス容器、2・・・電解液(硫酸水溶液)、3・・・作用極(ディスク電極)、3a・・・リング電極、5・・・参照極(Ag/AgCl)、6・・・対極(白金)、7・・・ガス導入口、8・・・ガス排出口、20・・・燃料極(アノード)、30・・・空気極(カソード)、40・・・電解質物質
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 4 ... Glass container, 2 ... Electrolyte solution (sulfuric acid aqueous solution), 3 ... Working electrode (disk electrode), 3a ... Ring electrode, 5 ... Reference electrode (Ag / AgCl), 6 ... Counter electrode (platinum), 7 ... Gas inlet, 8 ... Gas outlet, 20 ... Fuel electrode (anode), 30 ... Air electrode (cathode), 40 ... Electrolyte material

Claims (8)

3200〜3500ガウスに現れるX−バンド電子スピン共鳴スペクトルのパラメータWが11ガウス以下であるカーボン触媒。   A carbon catalyst having an X-band electron spin resonance spectrum parameter W appearing at 3200-3500 gauss of 11 gauss or less. 炭素構造の中に欠陥を有する、請求項1に記載のカーボン触媒。   The carbon catalyst according to claim 1, which has a defect in the carbon structure. X線光電子分光装置により炭素中の窒素割合を測定したとき、炭素に対する窒素割合が4%以下となる、請求項1または2に記載のカーボン触媒。   The carbon catalyst according to claim 1 or 2, wherein a nitrogen ratio relative to carbon is 4% or less when a nitrogen ratio in carbon is measured by an X-ray photoelectron spectrometer. 標準水素電極に対する0.05Vの電流値と標準水素電極に対する0.6Vの電流値との比が、1.3以下である、請求項1〜3のいずれかに記載のカーボン触媒。   The carbon catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein a ratio of a current value of 0.05 V to the standard hydrogen electrode and a current value of 0.6 V to the standard hydrogen electrode is 1.3 or less. ナノダイヤモンドを出発原料として約1400℃〜1600℃まで加熱処理し、ナノオニオン構造としたナノダイヤモンドに600℃以上で窒素処理をして調製した請求項1〜4のいずれかに記載のカーボン触媒。   The carbon catalyst according to any one of claims 1 to 4, which was prepared by heat-treating nanodiamond as a starting material to about 1400 ° C to 1600 ° C and subjecting nanodiamond having a nano-onion structure to nitrogen treatment at 600 ° C or higher. ナノダイヤモンドを出発原料として約1000℃まで加熱する第一の加熱工程と、
前記加熱したナノダイヤモンドを、更に高温に昇温して1400℃〜1600℃まで加熱し、ナノオニオン構造のナノダイヤモンドを得る第二の加熱工程と、
前記第二の加熱工程の後に、前記ナノダイヤモンドに600℃以上の温度で、アンモオキシデーションにより窒素処理をして調製する工程と、を含む
カーボン触媒の製造方法。
A first heating step of heating to about 1000 ° C. using nano diamond as a starting material,
The heated nanodiamond is further heated to a high temperature and heated to 1400 ° C to 1600 ° C to obtain a nanoonion-structured nanodiamond,
After the second heating step, a step of preparing the nanodiamond by performing nitrogen treatment by ammoxidation at a temperature of 600 ° C. or higher.
請求項1〜5のいずれかに記載のカーボン触媒を用いた燃料電池のカソード触媒層。   The cathode catalyst layer of the fuel cell using the carbon catalyst in any one of Claims 1-5. 請求項7に記載のカソード触媒層をカソードに用いた燃料電池。   A fuel cell using the cathode catalyst layer according to claim 7 as a cathode.
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