JP2013043821A - 窒素含有炭素材料、その製造方法及び燃料電池用電極 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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を炭化する工程を有し、前記工程が、前記プレカーサーに第1の熱処理を施す第1の工程と、前記第1の熱処理を施された前記プレカーサーから前記遷移金属の少なくとも一部を除去する第2の工程と、前記遷移金属の少なくとも一部が除去された前記プレカーサーに第2の熱処理を施す第3の工程と、を有する窒素含有炭素材料の製造方法。
【選択図】なし
Description
[1]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を炭化する工程を有し、前記工程が、前記プレカーサーに第1の熱処理を施す第1の工程と、前記第1の熱処理を施された前記プレカーサーから前記遷移金属の少なくとも一部を除去する第2の工程と、前記遷移金属の少なくとも一部が除去された前記プレカーサーに第2の熱処理を施す第3の工程と、を有する窒素含有炭素材料の製造方法。
[2]前記第1の工程と前記第3の工程との間に、前記プレカーサーを粉砕する第4の工程を更に有する、[1]に記載の製造方法。
[3]前記第1の工程において、前記プレカーサー周囲の雰囲気が不活性ガス雰囲気である、[1]又は[2]に記載の製造方法。
[4]前記第3の工程において、前記プレカーサー周囲の雰囲気がアンモニア含有ガス雰囲気である、[1]〜[3]のいずれか1つに記載の製造方法。
[5][1]〜[4]のいずれか1つに記載の製造方法により得られた窒素含有炭素材料。
[6][1]〜[5]のいずれか1つに記載の製造方法により得られた窒素含有炭素材料を含む燃料電池用電極。
<分析方法>
(電気化学測定)
電極作製法及び回転電極法によるリニアスイープボルタンメトリーの測定方法(日厚計測製の回転リングディスク電極装置「RRDE−1」を使用。)を以下に示す。まず、バイアル瓶に、含窒素炭素材料5mgを秤取し、そこに、ガラスビーズをスパチュラ一杯、5質量%ナフィオン(商品名)分散液(シグマアルドリッチジャパン製)を50μL、並びにイオン交換水及びエタノールをそれぞれ150μLずつ添加し、それらの混合物に20分間超音波を照射してスラリーを作製した。このスラリーを4μL秤取し、回転電極のガラス状炭素上に塗布し、飽和水蒸気下で乾燥した。乾燥後の回転電極を作用極とし、可逆水素電極(RHE)を参照極として、炭素電極を対極とした。0.5M硫酸を電解液とし、その電解液に酸素を30分間バブリングした後、掃引速度1mV/s、回転速度1500rpmで1.1Vから0Vまで掃引して電気化学測定を行った。
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、その水溶液に25%アンモニア水溶液120gを10分間かけて添加し、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。重合開始2時間後から30質量%の青酸水溶液を200g/hの速度で更に添加し、4時間かけて800g添加した。青酸水溶液の添加中は反応温度を50℃に保つように制御した。この温度で、更に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。このときの青酸に対するアズルミン酸の収率は96%であった。得られた黒色のアズルミン酸を水洗した後、乾燥器にて120℃で4時間乾燥させた。
<プレカーサーの調製>
1Lのナス型フラスコに上記乾燥後のアズルミン酸6.0g、硝酸鉄(III)・9水和物0.55g及び純水400gを加え、90℃の油浴中で1時間撹拌した。その後、ロータリーエバポレーターにて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で8時間乾燥させてプレカーサーを得た。
得られたプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、プレカーサーから鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.29g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。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合成>
比較例1の「プレカーサーの調製」において調製したプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で80分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、プレカーサーから鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.15g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。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合成>
プレカーサーとして、比較例1の「窒素含有炭素材料の合成」と同様の方法により合成した窒素含有炭素材料0.29gを用いた。それを石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス流通下で20分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを、33質量%の塩酸400mLに浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.04g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。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合成>
プレカーサーとして、実施例1の「窒素含有炭素材料の合成」と同様の方法により合成した窒素含有炭素材料0.20gを用いた。それを石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス流通下で20分間かけて室温から1000℃まで昇温し、1000℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを、33質量%の塩酸400mLに浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.05g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
<プレカーサーの調製>
1Lのナス型フラスコにエチレンジアミン80g、純水200gを加え撹拌してエチレンジアミン水溶液を調製した。そこに上記乾燥後のアズルミン酸6.0gを添加し、90℃の油浴中で1時間撹拌した。次に、そこに鉄フタロシアニンを1.8g添加し、再び90℃の油浴中で1時間撹拌した。その後、ロータリーエバポレーターにて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で8時間乾燥させてプレカーサーを得た。
得られたプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で80分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、プレカーサーから鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.36g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。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合成>
比較例3の「プレカーサーの調製」において調製したプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、プレカーサーから鉄の少なくとも一部を除去した。更に、この除去処理後のプレカーサーを全量石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス流通下で20分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを、33質量%の塩酸400mLに浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.05g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
<プレカーサーの調製>
1Lのナス型フラスコにアズルミン酸6.0g、硝酸コバルト(II)・6水和物0.93g及び純水400gを加え、90℃の油浴中で1時間撹拌した。その後、ロータリーエバポレーターにて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で8時間乾燥させてプレカーサーを得た。
得られたプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより。平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、プレカーサーから鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.30g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。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合成>
比較例4の「プレカーサーの合成」において調製したプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、濃塩酸に分級後のプレカーサーを浸漬して濾過することにより鉄の少なくとも一部を除去した。更に、この除去処理後のプレカーサーを全量石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉にて、大気圧、1NL/minの窒素流通下で20分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを、33質量%の塩酸400mLに浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.04g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。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合成>
比較例1の「プレカーサーの合成」と同様にして調製したプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、それを大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から500℃まで昇温し、500℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去したプレカーサー0.29gを得た。このプレカーサー0.29gを石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス流通下で20分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを、33質量%の塩酸400mLに浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.04g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
Claims (6)
- 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を炭化する工程を有し、
前記工程が、前記プレカーサーに第1の熱処理を施す第1の工程と、前記第1の熱処理を施された前記プレカーサーから前記遷移金属の少なくとも一部を除去する第2の工程と、前記遷移金属の少なくとも一部が除去された前記プレカーサーに第2の熱処理を施す第3の工程と、を有する
窒素含有炭素材料の製造方法。 - 前記第1の工程と前記第3の工程との間に、前記プレカーサーを粉砕する第4の工程を更に有する、請求項1に記載の製造方法。
- 前記第1の工程において、前記プレカーサー周囲の雰囲気が不活性ガス雰囲気である、請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記第3の工程において、前記プレカーサー周囲の雰囲気がアンモニア含有ガス雰囲気である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法により得られた窒素含有炭素材料。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法により得られた窒素含有炭素材料を含む燃料電池用電極。
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