JP2014172764A - Metal-carrying porous carbonaceous material, and production method of the same - Google Patents

Metal-carrying porous carbonaceous material, and production method of the same Download PDF

Info

Publication number
JP2014172764A
JP2014172764A JP2013043993A JP2013043993A JP2014172764A JP 2014172764 A JP2014172764 A JP 2014172764A JP 2013043993 A JP2013043993 A JP 2013043993A JP 2013043993 A JP2013043993 A JP 2013043993A JP 2014172764 A JP2014172764 A JP 2014172764A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
carbon material
porous carbon
polymer
metal complex
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013043993A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014172764A5 (en
Inventor
Shinji Kato
愼治 加藤
Shin Ogasawara
伸 小笠原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kawamura Institute of Chemical Research
DIC Corp
Original Assignee
Kawamura Institute of Chemical Research
DIC Corp
Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kawamura Institute of Chemical Research, DIC Corp, Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd filed Critical Kawamura Institute of Chemical Research
Priority to JP2013043993A priority Critical patent/JP2014172764A/en
Publication of JP2014172764A publication Critical patent/JP2014172764A/en
Publication of JP2014172764A5 publication Critical patent/JP2014172764A5/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method of a metal-carrying porous carbonaceous material composed of a porous carbonaceous material which carries a metal, in particular metal nano-particles, with a uniform size, by using a technique simpler than the conventional one, and to provide the metal-carrying porous carbonaceous material produced by the technique.SOLUTION: A production method of a metal-carrying porous carbonaceous material includes: a first step to form a metal complex-containing porous polymer by making a metal salt, a coordinate monomer, and an aromatic monomer mix together and polymerizing the mixture with heat; and a second step to form the metal-carrying porous carbonaceous material by infusibilizing, baking, and activating the metal complex-containing porous polymer by means of heating at high temperature.

Description

本発明は、金属担持多孔性炭素材料及びその製造方法に関し、芳香環構造に富んだ金属錯体含有多孔性高分子を前駆体として利用することで、グラファイト構造を有する多孔性炭素材料と金属との複合化をより簡便に行うものである。 The present invention relates to a metal-supported porous carbon material and a method for producing the same, and uses a metal complex-containing porous polymer rich in an aromatic ring structure as a precursor, so that a porous carbon material having a graphite structure and a metal are used. Complexation is performed more simply.

近年、多孔性炭素材料は様々な用途に用いられるため、非常に幅広い研究開発の対象となっている。例えば、多孔性炭素材料は、有害物質の吸着材、ガス分離、電気二重層キャパシタ、水素貯蔵に関連する用途に用いることができる。 In recent years, porous carbon materials are used for various purposes, and thus have been the subject of a very wide range of research and development. For example, porous carbon materials can be used in applications related to adsorbents for harmful substances, gas separation, electric double layer capacitors, and hydrogen storage.

また、多孔性炭素材料と金属の複合化は、例えば、触媒作用や有機分子の特異的吸着において、それらの用途を増強させるために行われるが、最も広く使用されている公知の方法としては、多孔性炭素材料を金属塩溶液に接触させ、炭素材料に吸着した金属塩を還元剤によって金属ナノ粒子にする手法(例えば、特許文献1および非特許文献1)や炭素材料に金属錯体の蒸気を作用させて金属ナノ粒子を固定化する方法(特許文献2)などが挙げられる。 In addition, the composite of the porous carbon material and the metal is performed, for example, in order to enhance their use in catalytic action or specific adsorption of organic molecules. As the most widely used known methods, A method in which a porous carbon material is brought into contact with a metal salt solution, and the metal salt adsorbed on the carbon material is converted into metal nanoparticles by a reducing agent (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1) or vapor of a metal complex on the carbon material. Examples thereof include a method of immobilizing metal nanoparticles by acting (Patent Document 2).

しかしながら、前記の金属塩溶液に多孔性炭素材料を接触させる手法では、吸着する金属量よりも過剰な量の金属塩を使用しなければならなく、製造コストの面においては問題である。 However, in the method of bringing the porous carbon material into contact with the metal salt solution, an amount of metal salt that is excessive than the amount of metal to be adsorbed must be used, which is problematic in terms of production cost.

一方で、多孔性炭素材料の製造プロセスは公知には、市販のもしくは新たに設計・製造された高分子やカーバイドを炭素源とし(非特許文献2)、熱による溶融を防止するための不融化、炭素化するための高温焼成、より多孔性を上げる、特にマイクロ孔(孔径:2nm以下)を付与するための賦活化という一連の加熱プロセスを経て製造される。 On the other hand, the process for producing a porous carbon material is known to be infusibilized to prevent melting by heat using a commercially available or newly designed and manufactured polymer or carbide as a carbon source (Non-patent Document 2). It is manufactured through a series of heating processes, namely, high-temperature firing for carbonization, and higher activation, in particular, activation for imparting micropores (pore diameter: 2 nm or less).

このように、金属担持多孔性炭素材料の従来の主な製造方法は、(1)炭素源となる高分子もしくはカーバイドを製造し、(2)該ポリマーもしくは該カーバイドを不融化・高温焼成・賦活化して、(3)得られた多孔性炭素材料を金属塩の溶液と接触させた後に金属イオンを還元するというという3段階のプロセスを必要としている。
前記製造方法を簡便化し、使用する金属塩溶液の量を低減させる手法は、大量に必要とされるエネルギーデバイスの生産拡大に必須である。
Thus, the conventional main production methods for metal-supporting porous carbon materials are as follows: (1) producing a polymer or carbide as a carbon source, and (2) making the polymer or the carbide infusible / high-temperature calcined / activated. (3) The resulting porous carbon material is brought into contact with a solution of a metal salt, and then a three-stage process of reducing metal ions is required.
A technique for simplifying the manufacturing method and reducing the amount of the metal salt solution to be used is essential for expanding the production of energy devices that are required in large quantities.

特開2007−55882号公報JP 2007-55882 A 特開2008−212918号公報JP 2008-212918 A

ACS Appl.Mater.Interfaces,4,3805(2012).ACS Appl. Mater. Interfaces, 4, 3805 (2012). Macromolecules,42,1270(2009).Macromolecules, 42, 1270 (2009).

本発明が解決しようとする一番目の課題は、従来よりも簡便な手法で多孔性炭素材料中に金属、特に金属ナノ粒子を均一なサイズで担持した金属担持多孔性炭素材料の製造方法、及びその手法により製造した金属担持多孔性炭素材料を提供することである。
本発明が解決しようとする二番目の課題は、前記金属担持多孔性炭素材料を含み、電気伝導度などに優れた電気化学キャパシタ(超高容量キャパシタ)及び燃料電池用の電極触媒を提供することである。
The first problem to be solved by the present invention is a method for producing a metal-supporting porous carbon material in which a metal, particularly metal nanoparticles are supported in a uniform size in a porous carbon material by a simpler method than before, and The object is to provide a metal-supporting porous carbon material produced by the technique.
The second problem to be solved by the present invention is to provide an electrochemical capacitor (ultra-high capacity capacitor) including the metal-supporting porous carbon material and having excellent electrical conductivity and an electrode catalyst for a fuel cell. It is.

前記一番目の課題を解決するために、本発明は、金属塩、配位性モノマー、及び芳香族モノマーとを混合し、加熱重合することにより金属錯体含有多孔性高分子を形成させる第1工程と、前期金属錯体含有多孔性高分子を高温加熱することにより、不融化・焼成・賦活化を行って金属担持多孔性炭素材料を形成させる第2工程と、を含む金属担持多孔性炭素材料の製造方法を提供する。 In order to solve the first problem, the present invention includes a first step of forming a metal complex-containing porous polymer by mixing a metal salt, a coordinating monomer, and an aromatic monomer, followed by heat polymerization. And a second step of forming a metal-supporting porous carbon material by infusibilizing, firing and activating by heating the metal complex-containing porous polymer at a high temperature. A manufacturing method is provided.

また、本発明では、高比表面積を有する多孔性炭素材料中に安定的に数nmサイズの微小な金属ナノ粒子が担持された金属担持多孔性炭素材料を製造できるため、高活性な電気化学キャパシタ又は燃料電池用の電極触媒を提供することができ、前記二番目の課題を解決することができる。 In the present invention, since a metal-supporting porous carbon material in which fine metal nanoparticles having a size of several nanometers are stably supported in a porous carbon material having a high specific surface area can be produced, a highly active electrochemical capacitor Alternatively, an electrode catalyst for a fuel cell can be provided, and the second problem can be solved.

本発明の製造方法によって提供される金属担持多孔性炭素材料は、添加する金属塩及び配位性モノマーの量を調節することによって、多孔性炭素材料中の金属、特に金属ナノ粒子のサイズを容易に制御できるという利点がある。
さらに、本発明の金属担持多孔性炭素材料はメソ孔からマイクロ孔までの範囲のnmサイズの細孔を豊富に含有する高比表面積体であって、担持される金属ナノ粒子との相乗効果で非常に大きい電気伝導度を有し、また、金属ナノ粒子による触媒作用による酸化・還元反応の連続的な発生が可能であるので、電気化学キャパシタや燃料電池の活物質として有用である。
The metal-supported porous carbon material provided by the production method of the present invention facilitates the size of metals, particularly metal nanoparticles, in the porous carbon material by adjusting the amount of metal salt and coordination monomer to be added. There is an advantage that can be controlled.
Further, the metal-supported porous carbon material of the present invention is a high specific surface area material that contains abundant nm-sized pores ranging from mesopores to micropores, and has a synergistic effect with the supported metal nanoparticles. Since it has very high electrical conductivity and can continuously generate oxidation / reduction reactions by catalytic action of metal nanoparticles, it is useful as an active material for electrochemical capacitors and fuel cells.

本発明の金属担持多孔性炭素材料の製造工程を表わす概念図である。It is a conceptual diagram showing the manufacturing process of the metal carrying | support porous carbon material of this invention. 本発明の金属担持多孔性炭素材料の製造工程のうち、不融化・焼成・賦活化を実行するための電気炉の模式図である。It is a schematic diagram of the electric furnace for performing infusibility, baking, and activation among the manufacturing processes of the metal carrying | support porous carbon material of this invention. (a)実施例1で製造された金属錯体含有多孔性高分子[MP−1]の走査型電子顕微鏡像である。(b)実施例1で製造された金属担持多孔性炭素材料[MC−1]の走査型電子顕微鏡像である。(A) It is a scanning electron microscope image of the metal complex containing porous polymer [MP-1] manufactured in Example 1. (B) It is a scanning electron microscope image of the metal carrying | support porous carbon material [MC-1] manufactured in Example 1. FIG. (a)実施例1で製造された金属錯体含有多孔性高分子[MP−1]の透過型電子顕微鏡像である。(b)実施例1で製造された金属担持多孔性炭素材料[MC−1]の透過型電子顕微鏡像である。(A) It is a transmission electron microscope image of the metal complex containing porous polymer [MP-1] manufactured in Example 1. FIG. (B) It is a transmission electron microscope image of the metal carrying | support porous carbon material [MC-1] manufactured in Example 1. FIG. 実施例1で製造された金属担持多孔性炭素材料[MC−1]の広角X線回折プロファイルを表す図面である。1 is a drawing showing a wide-angle X-ray diffraction profile of a metal-supporting porous carbon material [MC-1] manufactured in Example 1. (a)実施例2で製造された燃料電池用触媒電極[MFC−1]の0.5 M硫酸中におけるサイクリックボルタモグラム(CV)を表す図面である。(b)実施例2で製造された燃料電池用触媒電極[MFC−1]の0.5M硫酸中で2Mメタノール存在下において測定したCVを表す図面である。(A) It is drawing showing the cyclic voltammogram (CV) in the 0.5M sulfuric acid of the catalyst electrode [MFC-1] for fuel cells manufactured in Example 2. FIG. (B) It is drawing which represents CV measured in the presence of 2M methanol in the 0.5M sulfuric acid of the catalyst electrode [MFC-1] for fuel cells manufactured in Example 2. FIG.

以下、本発明を実施するための要部について説明する。
本発明の金属担持多孔性炭素材料は、配位性モノマー(L)と金属塩(S)を混合することにより金属錯体含有モノマー(Lm)を調製し、これを芳香族含有架橋性モノマー(Am)と混合して得た重合性組成物(A)を溶剤(M)及び添加剤(D)と混合して組成物(X)を調製し、これを重合することにより相分離過程を経て金属錯体含有多孔性高分子を形成する第1工程、続いて、該金属錯体含有多孔性高分子を段階的に加熱することにより、不融化・焼成・賦活化を行って金属担持多孔性炭素材料を形成させる第2工程からなる。
Hereafter, the principal part for implementing this invention is demonstrated.
The metal-supported porous carbon material of the present invention is prepared by mixing a coordination monomer (L) and a metal salt (S) to prepare a metal complex-containing monomer (Lm), which is used as an aromatic-containing crosslinkable monomer (Am). The polymerizable composition (A) obtained by mixing with the solvent (M) and the solvent (M) and the additive (D) to prepare a composition (X), which is polymerized through a phase separation process The first step of forming the complex-containing porous polymer, followed by stepwise heating the metal complex-containing porous polymer to infusibilize / fire / activate the metal-supporting porous carbon material. It consists of the 2nd process to form.

第1工程において用いる配位性モノマー(L)は、後述する金属塩(S)中に含まれる金属に配位して金属錯体を形成することができれば特に制限はないが、分子構造中に芳香環を有するモノマーが好ましく用いられる。その理由は、芳香環を導入することによって、過剰量用いる芳香族含有架橋性モノマー(Am)への分散性が向上させることができるとともに、第2工程において焼成する時、グラファイト構造の形成を促進することができるため、電気二重層キャパシタや燃料電池の触媒として用いる場合に導電性を向上させることができるという利点があるためである。そのような芳香環を有する配位性モノマーとして、4−(ジフェニルホスフィノ)スチレン、4−ビニルピリジン、3−ビニルピリジン、2−ビニルピリジン、1−ビニルイミダゾール、4−ビニル−2,2‘−ビピリジンなどを挙げることができるがこれに制限されるものではない。また、焼成後、グラファイト構造の形成を妨げない配位性モノマーとして、1−ビニル−2−ピロリジノンやアクリロニトリルなども好ましく用いることができる。 The coordinating monomer (L) used in the first step is not particularly limited as long as it can coordinate to a metal contained in the metal salt (S) described later to form a metal complex. A monomer having a ring is preferably used. The reason is that by introducing an aromatic ring, it is possible to improve the dispersibility in the aromatic-containing crosslinkable monomer (Am) used in excess, and promote the formation of a graphite structure when firing in the second step. This is because, when used as a catalyst for an electric double layer capacitor or a fuel cell, there is an advantage that the conductivity can be improved. As a coordinating monomer having such an aromatic ring, 4- (diphenylphosphino) styrene, 4-vinylpyridine, 3-vinylpyridine, 2-vinylpyridine, 1-vinylimidazole, 4-vinyl-2,2 ′ -Although bipyridine etc. can be mentioned, it is not restricted to this. Moreover, 1-vinyl-2-pyrrolidinone, acrylonitrile, etc. can be preferably used as a coordinating monomer that does not interfere with the formation of the graphite structure after firing.

第1工程において用いる金属塩(S)としては、Pd,Pt,Ru,Rh,Au,Agなどの遷移金属の塩を挙げることができ、例えば、ヨウ素酸塩、臭素酸塩、塩素酸塩、フッ素酸塩、硝酸塩、過塩素酸塩、リン酸塩、硫酸塩、亜硫酸塩、酢酸塩、アセチルアセトナト塩、シュウ酸塩、グルコン酸塩、p−トルエンスルホン酸塩等が好ましく利用できる。中でも、前記金属の塩素酸塩、酢酸塩、及び硝酸塩が特に好ましく利用できる。これらの金属塩は、単独又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。 Examples of the metal salt (S) used in the first step include salts of transition metals such as Pd, Pt, Ru, Rh, Au, and Ag. For example, iodate, bromate, chlorate, Fluorate, nitrate, perchlorate, phosphate, sulfate, sulfite, acetate, acetylacetonate, oxalate, gluconate, p-toluenesulfonate, and the like can be preferably used. Among these, chlorates, acetates, and nitrates of the metals can be particularly preferably used. These metal salts can be used alone or in combination of two or more.

第1工程において、配位性モノマー(L)と金属塩(S)を混合することにより金属錯体含有モノマー(Lm)を調製するが、調製方法の一例として、前記配位性モノマーと前記金属塩を溶媒に溶解した状態で攪拌する方法を挙げることができる。溶媒としては、配位性モノマー(L)と金属塩(S)を溶解し、金属錯体の形成を妨げるものでなければ、特に制限はない。攪拌条件は、配位性モノマー(L)と金属塩(S)を完全に錯化させることができれば特に制限はない。 In the first step, the metal complex-containing monomer (Lm) is prepared by mixing the coordination monomer (L) and the metal salt (S). As an example of the preparation method, the coordination monomer and the metal salt are prepared. The method of stirring in the state melt | dissolved in the solvent can be mentioned. The solvent is not particularly limited as long as it does not dissolve the coordination monomer (L) and the metal salt (S) and prevent the formation of the metal complex. The stirring conditions are not particularly limited as long as the coordination monomer (L) and the metal salt (S) can be completely complexed.

形成した金属錯体含有モノマー(Lm)は、過剰量の芳香族含有架橋性モノマー(Am)と混合して重合性組成物(A)を調製し、これをさらに溶剤(M)と混合して得た組成物(X)を重合することにより相分離過程を経て金属錯体含有多孔性高分子を形成する。ここで、該重合性組成物(A)の重合により生成した重合体(P)が溶剤(M)と相溶しなくなり、重合体(P)と溶剤(M)とが相分離を生じ、重合体(P)内部や重合体(P)間に溶剤(M)が取り込まれた状態になる。この溶剤(M)を除去することにより、溶剤(M)が占めていた領域が孔となり金属錯体含有多孔性高分子が形成できる。 The formed metal complex-containing monomer (Lm) is mixed with an excess amount of the aromatic-containing crosslinkable monomer (Am) to prepare a polymerizable composition (A), which is further mixed with the solvent (M). The composition (X) is polymerized to form a metal complex-containing porous polymer through a phase separation process. Here, the polymer (P A ) produced by the polymerization of the polymerizable composition (A) becomes incompatible with the solvent (M), and the polymer (P A ) and the solvent (M) cause phase separation. , a state in which the solvent (M) is incorporated between the polymer (P a) or inside the polymer (P a). By removing this solvent (M), the region occupied by the solvent (M) becomes pores, and a metal complex-containing porous polymer can be formed.

本発明で用いることができる芳香族含有架橋性モノマー(Am)としては、金属錯体含有モノマー(Lm)と共重合して共重合体(P)を形成できるものであれば特に制限はない。重合開始剤の存在下または非存在下で重合するものであり、ビニル基を有するものが好ましく、なかでも、反応性のスチリル化合物が好ましい。そのような例として、1,3−ジビニルベンゼン、1,4−ジビニルベンゼン、1,3−ジプロペニルベンゼン及び1,4−ジプロペニルベンゼンが挙げられる。これらの芳香族含有架橋性モノマー(Am)は単独で、又は2種類以上を混合して用いることもできる。 The aromatic-containing crosslinkable monomer (Am) that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it can be copolymerized with the metal complex-containing monomer (Lm) to form a copolymer (P A ). The polymerization is carried out in the presence or absence of a polymerization initiator, and those having a vinyl group are preferred, and among them, a reactive styryl compound is preferred. Examples thereof include 1,3-divinylbenzene, 1,4-divinylbenzene, 1,3-dipropenylbenzene and 1,4-dipropenylbenzene. These aromatic-containing crosslinkable monomers (Am) can be used alone or in admixture of two or more.

また、粘度の調節を行う目的で、ビニル基を1つ有する重合性化合物、特に、ビニル基を1つ有するスチリル化合物などと混合して使用してもよい。ビニル基を1つ有するスチリル化合物としては、スチレン、プロペニルベンゼン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、4−メトキシスチレン、4−クロロスチレン、1−ビニルナフタレン、及び9−ビニルアントラセン等が挙げられる。 Further, for the purpose of adjusting the viscosity, it may be used by mixing with a polymerizable compound having one vinyl group, particularly a styryl compound having one vinyl group. Examples of the styryl compound having one vinyl group include styrene, propenylbenzene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, 4-methoxystyrene, 4-chlorostyrene, 1-vinylnaphthalene, and 9-vinylanthracene. .

溶剤(M)としては、重合性組成物(A)とともに均一な組成物が得られ、重合体(P)と相溶しないものであれば制限はない。溶剤(M)は、単一溶剤であっても混合溶剤であってもよく、混合溶剤の場合には、その構成成分単独では重合性組成物(A)と相溶しないものであってもよい。このような溶剤(M)としては、例えば、酢酸エチル、デカン酸メチル、ラウリル酸メチル、アジピン酸ジイソブチルなどの脂肪酸のアルキルエステル類、アセトン、2−ブタノン、イソブチルメチルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテルなどのエーテル類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドンなどの非プロトン性極性溶剤、ベンゼン、トルエンなどの芳香族炭化水素類、ヘキサン、オクタンなどの脂肪族炭化水素類、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素などのハロゲン化炭化水素類、メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノール、1,1−ジメチル−1−エタノール、ヘキサノール、デカノールなどのアルコール類、および、水などの溶剤が挙げられる。このような溶剤の中でも、単一溶剤として用いる場合は、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドンなどの非プロトン性極性溶剤や、メタノール、エタノール、2−プロパノール、1,1−ジメチル−1−エタノールなどの高極性のアルコール類が、前記金属錯体含有モノマー(Lm)と芳香族含有架橋性モノマー(Am)を含む重合性組成物(A)と相溶しやすいため、好ましく用いられる。また、金属錯体含有多孔性高分子の比表面積を制御するために、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、メタノール、エタノール、2−プロパノールなどの高極性溶剤と、それらと相溶するテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル等の中極性溶剤との混合溶剤も好ましく用いられる。 The solvent (M) is not limited as long as a uniform composition is obtained together with the polymerizable composition ( A ) and is not compatible with the polymer (P A ). The solvent (M) may be a single solvent or a mixed solvent. In the case of a mixed solvent, the component alone may not be compatible with the polymerizable composition (A). . Examples of the solvent (M) include alkyl esters of fatty acids such as ethyl acetate, methyl decanoate, methyl laurate, and diisobutyl adipate, and ketones such as acetone, 2-butanone, isobutyl methyl ketone, and diisobutyl ketone. , Diethyl ether, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, ethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, and other ethers, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, etc. Aprotic polar solvents, aromatic hydrocarbons such as benzene and toluene, aliphatic hydrocarbons such as hexane and octane, dichloromethane, chloroform, and carbon tetrachloride. Halogenated hydrocarbons, methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol, 1,1-dimethyl-1-ethanol, hexanol, alcohols such as decanol, and include a solvent such as water. Among these solvents, when used as a single solvent, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, methanol, ethanol, Highly polar alcohols such as -propanol and 1,1-dimethyl-1-ethanol are in phase with the polymerizable composition (A) containing the metal complex-containing monomer (Lm) and the aromatic-containing crosslinkable monomer (Am). Since it dissolves easily, it is preferably used. In addition, in order to control the specific surface area of the metal complex-containing porous polymer, a highly polar solvent such as acetone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, methanol, ethanol, 2-propanol, A mixed solvent with a neutral solvent such as compatible tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, diethylene glycol dimethyl ether and the like is also preferably used.

組成物(X)には、重合速度や重合度、さらには高分子の多孔構造などを調整するために、重合開始剤、あるいは可溶性高分子などの各種添加剤(D)を添加してもよい。 Various additives (D) such as a polymerization initiator or a soluble polymer may be added to the composition (X) in order to adjust the polymerization rate, the polymerization degree, and the porous structure of the polymer. .

重合開始剤としては、重合性組成物(A)を重合させることが可能なものであれば、特に制限はなく、ラジカル重合開始剤、アニオン重合開始剤、カチオン重合開始剤などが使用できる。例えば、2,2’−アゾビスブチロニトリル、2,2’−アゾビスシクロヘキサンカルボニトリル、1,1’−アゾビス(シクロヘキサン−1−カルボニトリル)、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)、4,4’−アゾビス(4−シアノ吉草酸)、2,2’−アゾビスイソ酪酸ジメチル、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミドキシム)、2,2’−アゾビス(2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン)、2,2’−アゾビス(2,4,4−トリメチルペンタン)などのアゾ系開始剤、過酸化ベンゾイル、過酸化ジ−t−ブチル、t−ブチルヒドロペルオキシド、クメンヒドロペルオキシドなどの過酸化物系開始剤が挙げられる。また、活性エネルギー線の作用により機能する重合開始剤として、p−tert−ブチルトリクロロアセトフェノン、2,2′−ジエトキシアセトフェノン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オンなどのアセトフェノン類、ベンゾフェノン、4,4′−ビスジメチルアミノベンゾフェノン、2−クロロチオキサントン、2−メチルチオキサントン、2−エチルチオキサントン、2−イソプロピルチオキサントンなどのケトン類、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテルなどのベンゾインエーテル類、ベンジルジメチルケタール、ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンなどのベンジルケタール類、N−アジドスルフォニルフェニルマレイミドなどのアジドが挙げられる。また、マレイミド系化合物などの重合性紫外線重合開始剤を使用することもできる。また、テトラエチルチイラムジスルフィドなどのジスルフィド系開始剤、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシルなどのニトロキシド開始剤、4,4’−ジ−t−ブチル−2,2’−ビピリジン銅錯体−トリクロロ酢酸メチル複合体、ベンジルジエチルジチオカルバメートなどのリビングラジカル重合開始剤を用いることもできる。 The polymerization initiator is not particularly limited as long as it can polymerize the polymerizable composition (A), and a radical polymerization initiator, an anionic polymerization initiator, a cationic polymerization initiator, and the like can be used. For example, 2,2′-azobisbutyronitrile, 2,2′-azobiscyclohexanecarbonitrile, 1,1′-azobis (cyclohexane-1-carbonitrile), 2,2′-azobis (2-methylbutyrate) Nitrile), 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2′-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), 4,4′-azobis (4-cyano) Valeric acid), dimethyl 2,2′-azobisisobutyrate, 2,2′-azobis (2-methylpropionamidoxime), 2,2′-azobis (2- (2-imidazolin-2-yl) propane), 2, Azo initiators such as 2′-azobis (2,4,4-trimethylpentane), benzoyl peroxide, di-t-butyl peroxide, t-butyl hydroperoxide, cumene Peroxide initiators such as Roperuokishido the like. Moreover, as a polymerization initiator that functions by the action of active energy rays, p-tert-butyltrichloroacetophenone, 2,2′-diethoxyacetophenone, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one, etc. Ketones such as acetophenones, benzophenone, 4,4'-bisdimethylaminobenzophenone, 2-chlorothioxanthone, 2-methylthioxanthone, 2-ethylthioxanthone, 2-isopropylthioxanthone, benzoin, benzoin methyl ether, benzoin isopropyl ether, benzoin Benzoin ethers such as isobutyl ether, benzyl ketals such as benzyldimethyl ketal and hydroxycyclohexyl phenyl ketone, and N-azidosulfonylphenylmaleimide. Include the azide. A polymerizable ultraviolet polymerization initiator such as a maleimide compound can also be used. Further, disulfide initiators such as tetraethylthiilam disulfide, nitroxide initiators such as 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl, 4,4′-di-t-butyl-2,2′- Living radical polymerization initiators such as bipyridine copper complex-methyl trichloroacetate complex and benzyldiethyldithiocarbamate can also be used.

可溶性高分子としては、組成物(X)として均一の組成物を与え、かつ、前記の溶剤(M)単独に可溶であれば、制限なく利用することができる。溶剤(M)に可溶であることにより、重合性組成物(A)の重合後の溶剤(M)の除去操作により容易に金属錯体含有多孔性高分子から除去できる。可溶性高分子は、重合にともなう相分離過程に関与し、得られる金属錯体含有多孔性高分子の微細構造、特にその比表面積、細孔径、細孔体積、及び高分子繊維径に大きな影響を与えることが少なくない。用いる可溶性高分子としては、ポリスチレン、ポリα−メチルスチレンなど芳香環構造と親和性の高いポリマーを使用することが望ましいが、多孔構造を誘起するものであれば、その種類と分子量に関して特に限定はない。 The soluble polymer can be used without limitation as long as it gives a uniform composition as the composition (X) and is soluble in the solvent (M) alone. By being soluble in the solvent (M), it can be easily removed from the metal complex-containing porous polymer by the removal operation of the solvent (M) after the polymerization of the polymerizable composition (A). Soluble polymers are involved in the phase separation process accompanying polymerization, and have a significant effect on the microstructure of the resulting metal complex-containing porous polymer, especially its specific surface area, pore diameter, pore volume, and polymer fiber diameter. There are many things. As the soluble polymer to be used, it is desirable to use a polymer having a high affinity with an aromatic ring structure such as polystyrene or poly α-methylstyrene, but there is no particular limitation on the type and molecular weight as long as it induces a porous structure. Absent.

重合反応は、熱重合法、及び、紫外線や電子線などの照射により行う活性エネルギー線重合法など公知慣用の方法でよい。例えば、前記した熱重合開始剤とともに40〜100℃、好ましくは60〜80℃で10分〜72時間、好ましくは6〜24時間反応させることにより、金属錯体含有多孔性高分子を製造することができる。また、各種水銀ランプやメタルハライドランプを用い、250〜3000Wの出力において、室温で、1秒〜2時間、好ましくは10秒〜30分反応させることにより、金属錯体含有多孔性高分子を製造することができる。 The polymerization reaction may be a known method such as a thermal polymerization method and an active energy ray polymerization method performed by irradiation with ultraviolet rays or electron beams. For example, the metal complex-containing porous polymer can be produced by reacting with the above-described thermal polymerization initiator at 40 to 100 ° C., preferably 60 to 80 ° C. for 10 minutes to 72 hours, preferably 6 to 24 hours. it can. In addition, a metal complex-containing porous polymer is produced by reacting at a power of 250 to 3000 W at room temperature for 1 second to 2 hours, preferably 10 seconds to 30 minutes using various mercury lamps and metal halide lamps. Can do.

組成物(X)を重合させた後、溶剤(M)を除去する方法に特に制限はないが、溶剤(M)が揮発性の高い溶剤の場合は、常圧又は減圧により乾燥させることにより行うことができる。溶剤(M)が揮発性の低い溶剤の場合は、組成物(X)の重合により得られた重合物を揮発性の高い溶剤に接触させ、溶剤交換を行った後、常圧又は減圧により乾燥させることにより行うことができる。また、溶剤(M)を除去する際に、重合性組成物(A)中に含まれる重合性化合物のうち、未重合で残存した成分を除去する目的で、該化合物が溶解する溶剤を用いて、洗浄、抽出を行うことも有効である。抽出操作には、ソックスレー抽出器を用いて行うこともできる。 The method for removing the solvent (M) after polymerizing the composition (X) is not particularly limited, but when the solvent (M) is a highly volatile solvent, it is dried by drying at normal pressure or reduced pressure. be able to. When the solvent (M) is a low volatility solvent, the polymer obtained by polymerizing the composition (X) is brought into contact with a high volatility solvent, the solvent is exchanged, and then dried at normal pressure or reduced pressure. Can be performed. Further, when removing the solvent (M), a solvent in which the compound is dissolved is used for the purpose of removing unpolymerized components among the polymerizable compounds contained in the polymerizable composition (A). It is also effective to perform washing and extraction. The extraction operation can also be performed using a Soxhlet extractor.

得られる金属錯体含有多孔性高分子について、組成物(X)に含まれる重合性組成物(A)の含有量によって、金属錯体含有多孔性高分子の孔径や強度が変化する。重合性組成物(A)の含有量が多いほど多孔質体の強度が向上するが、孔径は小さくなる傾向にある。重合性組成物(A)の好ましい含有量としては15〜50質量%の範囲、更に好ましくは25〜40質量%の範囲が挙げられる。重合性組成物(A)の含有量が15質量%以下になると、多孔質体の強度が低くなり、重合性組成物(A)の含有量が50質量%以上になると、多孔質体の孔径の調整が難しくなる。 About the metal complex containing porous polymer obtained, the hole diameter and intensity | strength of a metal complex containing porous polymer change with content of polymeric composition (A) contained in composition (X). As the content of the polymerizable composition (A) increases, the strength of the porous body improves, but the pore diameter tends to decrease. The preferable content of the polymerizable composition (A) is in the range of 15 to 50% by mass, more preferably in the range of 25 to 40% by mass. When the content of the polymerizable composition (A) is 15% by mass or less, the strength of the porous body is lowered, and when the content of the polymerizable composition (A) is 50% by mass or more, the pore size of the porous body. It becomes difficult to adjust.

また、後述する第2工程での金属錯体含有多孔性高分子の焼成過程において、100nm径以下の細い繊維状高分子からなる金属錯体含有多孔性高分子の場合、容易に燃焼してしまうため、焼成条件の調整が困難になる。焼成条件の設定をより簡便にするため、金属錯体含有多孔性高分子を形成する高分子繊維はμmオーダーの比較的太い形状であることが望ましい。 Further, in the firing process of the metal complex-containing porous polymer in the second step described later, in the case of a metal complex-containing porous polymer consisting of a thin fibrous polymer having a diameter of 100 nm or less, it easily burns, It becomes difficult to adjust the firing conditions. In order to make the setting of firing conditions easier, it is desirable that the polymer fiber forming the metal complex-containing porous polymer has a relatively thick shape on the order of μm.

本発明の第1工程で製造される金属錯体含有多孔性高分子中の金属の含量は、3重量%前後であることが望ましい。もし、金属の含量が3重量%を大きく下回るとき、第2工程で得られる金属担持多孔性炭素材料において金属ナノ粒子は十分な電気化学的特性および触媒活性を発現することができず、3重量%を大きく上回るときは、第2工程で得られる金属担持多孔性炭素材料においてバルク金属として析出しやすくなる。 The metal content in the metal complex-containing porous polymer produced in the first step of the present invention is preferably about 3% by weight. If the metal content is much less than 3% by weight, the metal nanoparticles in the metal-supported porous carbon material obtained in the second step cannot exhibit sufficient electrochemical characteristics and catalytic activity. When it greatly exceeds%, it becomes easy to precipitate as a bulk metal in the metal-supporting porous carbon material obtained in the second step.

本発明の第2工程は、前記第1工程を通じて形成された金属錯体含有多孔性高分子を、電気炉を用いて不融化・焼成・賦活化し、金属担持多孔性炭素材料を製造する工程である。このとき炉芯管は円筒型の石英管を用いることが望ましいが、これに制限されるものではない。電気炉には装置側の温度を測定するための熱電対と炉芯管内部の温度を測定するための熱電対の両方を設置し、前記炉芯管内部の温度を測定するための熱電対を電気炉の制御端子に接続する。 The second step of the present invention is a step of producing a metal-supporting porous carbon material by infusibilizing / firing / activating the metal complex-containing porous polymer formed through the first step using an electric furnace. . At this time, it is desirable to use a cylindrical quartz tube as the furnace core tube, but the present invention is not limited to this. The electric furnace is provided with both a thermocouple for measuring the temperature on the apparatus side and a thermocouple for measuring the temperature inside the furnace core tube, and a thermocouple for measuring the temperature inside the furnace core tube. Connect to the control terminal of the electric furnace.

本発明の第2工程は、主として不融化・焼成・賦活化の三つのプロセスを含んでいる。不融化は空気流中において190〜230℃の低温で加熱し、後続の高温処理(700℃以上)における試料表面の融着を防止するために行う。このときの空気流速度は0.1〜1.0mL・min−1が望ましいが、これに制限されるものではない。また、不融化のための加熱処理は6〜24時間実行することが望ましいが、これに制限されるものではない。不融化後、試料は炉芯管内部に入れたまま、空気流を窒素気流に切り換えて焼成を行う。窒素気流の流速は1.0〜5.0mL・min−1が望ましいが、これに制限されるものではない。焼成における加熱温度は850〜1000℃が望ましく、それは続く賦活化反応が850℃以上ではないと進行しないためである(真田雄三, 鈴木基之, 藤本薫 編, 「新版 活性炭 基礎と応用」pp.48〜49, 講談社サイエンティフィク, 1992)。また、加熱時間は30分〜2時間が望ましいが、これに制限されるものではない。焼成後、窒素気流中に炭酸ガスを混合し、焼成と同じ温度で加熱し続けることによって、賦活化を行う。混合する炭酸ガスの流速は0.1〜0.5mL・min−1が望ましいが、これに制限されるものではない。また、加熱時間は30分〜2時間が望ましいが、これに制限されるものではない。 The second step of the present invention mainly includes three processes of infusibilization / firing / activation. Infusibilization is performed at a low temperature of 190 to 230 ° C. in an air stream to prevent fusion of the sample surface in the subsequent high temperature treatment (700 ° C. or higher). The air flow velocity at this time is preferably 0.1 to 1.0 mL · min −1, but is not limited thereto. Moreover, although it is desirable to perform the heat processing for infusibilization for 6 to 24 hours, it is not restricted to this. After infusibilization, the sample is fired by switching the air flow to a nitrogen flow while keeping the sample inside the furnace core tube. The flow rate of the nitrogen stream is preferably 1.0 to 5.0 mL · min −1, but is not limited thereto. The heating temperature in the firing is desirably 850 to 1000 ° C., because the subsequent activation reaction does not proceed unless the temperature is 850 ° C. or more (Yuzo Sanada, Motoyuki Suzuki, Satoshi Fujimoto, “New Edition Activated Carbon Fundamentals and Applications”, pp. 11-28). 48-49, Kodansha Scientific, 1992). The heating time is preferably 30 minutes to 2 hours, but is not limited thereto. After firing, activation is performed by mixing carbon dioxide in a nitrogen stream and continuing heating at the same temperature as firing. The flow rate of the carbon dioxide to be mixed is preferably 0.1 to 0.5 mL · min −1, but is not limited thereto. The heating time is preferably 30 minutes to 2 hours, but is not limited thereto.

前記のような賦活化処理を通じて、試料表面の微細な多孔構造の形成が進行する。このとき、炭素は炭酸ガスと不可逆に反応して一酸化炭素ガスとなって試料表面から脱離していく。その反応機構については、下記反応式1および2に表した通りである。 Through the activation treatment as described above, formation of a fine porous structure on the sample surface proceeds. At this time, carbon reacts irreversibly with carbon dioxide gas to become carbon monoxide gas and desorbs from the sample surface. The reaction mechanism is as shown in the following reaction formulas 1 and 2.

Figure 2014172764
Figure 2014172764

Figure 2014172764
Figure 2014172764

本発明の第2工程によって、多孔構造を有する炭素材料が得られるだけでなく、同時に試料中に含まれる金属錯体が加熱によって担体中で拡散・融合して微小な金属ナノ粒子を形成する。 By the second step of the present invention, not only a carbon material having a porous structure is obtained, but also metal complexes contained in the sample are diffused and fused in the support by heating to form minute metal nanoparticles.

前記のような各工程を経ることによって、多孔性炭素材料中に金属ナノ粒子が担持された複合体を製造できる(図1)。
本発明による金属担持多孔性炭素材料の製造方法で、金属錯体含有多孔性高分子中に担持された金属錯体は、焼成によって担体内部で拡散・融合し、5〜20nmの均一なナノ粒子を形成する。これにより、本発明による金属担持多孔性炭素材料の製造方法は、触媒活性が高い金属担持多孔性炭素材料を簡便に製造できる。また、金属ナノ粒子のサイズは、あらかじめ添加する金属錯体の量によって容易に制御できるという利点を有する。
By passing through each process as described above, a composite in which metal nanoparticles are supported in a porous carbon material can be produced (FIG. 1).
In the method for producing a metal-supporting porous carbon material according to the present invention, the metal complex supported in the metal complex-containing porous polymer is diffused and fused inside the support by firing to form uniform nanoparticles of 5 to 20 nm. To do. Thereby, the manufacturing method of the metal carrying | support porous carbon material by this invention can manufacture a metal carrying | support porous carbon material with high catalytic activity simply. In addition, the size of the metal nanoparticles has an advantage that it can be easily controlled by the amount of the metal complex added in advance.

本発明においては、前記の金属担持多孔性炭素材料を電極活物質として含む燃料電池用の負極となる電極触媒及び電気化学キャパシタを提供する。
燃料電池とは、外部から補充可能な活物質を利用し、電気化学反応から電気を取り出す電池の一種である。燃料電池は負極活物質と酸素(正極活物質)を反応させることで、継続的に電気を発生させることが可能である。負極活物質を得るための触媒として白金が用いられていれる。触媒を固定する基材には、比表面積の大きな多孔性炭素が広く使用されている。
In the present invention, there are provided an electrode catalyst and an electrochemical capacitor serving as a negative electrode for a fuel cell containing the metal-supported porous carbon material as an electrode active material.
A fuel cell is a type of battery that uses an active material that can be replenished from outside and extracts electricity from an electrochemical reaction. A fuel cell can generate electricity continuously by reacting a negative electrode active material with oxygen (positive electrode active material). Platinum is used as a catalyst for obtaining a negative electrode active material. A porous carbon having a large specific surface area is widely used as a base material for fixing the catalyst.

電気化学キャパシタとは、電気二重層を利用して充放電を行う、もしくはそれに加えて活物質による電気化学反応を利用して充放電を行うキャパシタの総称である。電気二重層を利用して充放電を行うキャパシタを電気二重層キャパシタ、活物質を同時に利用するものをレドックスキャパシタと呼ぶ。電気化学キャパシタの電極材料の多くは、電気二重層容量を増大させる目的で、比表面積の大きな多孔性炭素を利用している。 The electrochemical capacitor is a general term for capacitors that perform charging / discharging using an electric double layer, or in addition, charging / discharging using an electrochemical reaction by an active material. A capacitor that charges and discharges using an electric double layer is called an electric double layer capacitor, and a capacitor that simultaneously uses an active material is called a redox capacitor. Many electrode materials for electrochemical capacitors utilize porous carbon having a large specific surface area for the purpose of increasing the electric double layer capacity.

本発明の触媒電極に、電極活物質として含まれる金属担持多孔性炭素材料は、高い電気伝導度によって円滑な電子移動経路を提供することができ、賦活化処理によってマイクロ孔、メソ孔を有する多孔性炭素担体はきわめて大きな比表面積を有し、その結果、キャパシタ容量および出力特性を向上させうる。また、本発明の金属担持多孔性炭素材料にはたいへん微小で活性の高い金属ナノ粒子を含まれるので、金属ナノ粒子が電解質特異的吸着もしくはファラデー反応を生じさせ、その結果、さらに電気化学キャパシタの容量を電極表面での触媒反応を可能にし、電気伝導性を向上させうるという長所を有する。このように、本発明の金属担持多孔性炭素材料を電極活物質として含有する燃料電池用の電極触媒そのほかの構成および構造は、特別に限定されず、当分に一般的な材料および構造を制限なしに適用できる。 The metal-supported porous carbon material contained in the catalyst electrode of the present invention as an electrode active material can provide a smooth electron transfer path with high electrical conductivity, and has a micropore and a mesopore by activation treatment. The carbonaceous support has a very large specific surface area, and as a result, the capacitor capacity and output characteristics can be improved. In addition, since the metal-supported porous carbon material of the present invention contains very minute and highly active metal nanoparticles, the metal nanoparticles cause an electrolyte-specific adsorption or Faraday reaction, and as a result, further, the electrochemical capacitor. The capacity has the advantage of enabling catalytic reaction on the electrode surface and improving electrical conductivity. As described above, the electrode catalyst for the fuel cell containing the metal-supported porous carbon material of the present invention as an electrode active material, and other configurations and structures are not particularly limited, and there are no limitations on general materials and structures for the time being. Applicable to.

以下、実施例を用いて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail using an Example, this invention is not limited to the range of a following example.

(実施例1)
〔金属担持多孔性炭素材料の製造〕
塩化白金酸水和物(Aldrich)0.20g(490μmol)にN,N−ジメチルホルムアミド(以下、「DMF」と称する)1.5mLおよびジフェニルホスフィノスチレン(Aldrich)0.59gmg(2.0mmol)を加えて溶解し、室温で30分間振とうした後、ポリスチレン(Aldrich,M=280,000)0.13gを溶解したDMF1.6mL、ジビニルベンゼン(Aldrich)1.3g、アゾビスイソブチロニトリル(和光純薬)0.040gとともに円筒管の中で混合した。混合溶液に30分間窒素ガスを吹き込んだ後、円筒管を密閉し、70℃で10時間加熱して重合反応を行った。
Example 1
[Production of metal-supported porous carbon material]
Chloroplatinic acid hydrate (Aldrich) 0.20 g (490 μmol), N, N-dimethylformamide (hereinafter referred to as “DMF”) 1.5 mL and diphenylphosphinostyrene (Aldrich) 0.59 gmg (2.0 mmol) And then shaken at room temperature for 30 minutes, 1.6 mL of DMF in which 0.13 g of polystyrene (Aldrich, M w = 280,000) was dissolved, 1.3 g of divinylbenzene (Aldrich), azobisisobutyro The mixture was mixed with 0.040 g of nitrile (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in a cylindrical tube. After nitrogen gas was blown into the mixed solution for 30 minutes, the cylindrical tube was sealed and the polymerization reaction was carried out by heating at 70 ° C. for 10 hours.

引き続き、得られた高分子を円筒ろ紙に入れ、ソックスレー抽出器を用いてテトラヒドロフランで4時間洗浄し、メタノールで2時間洗浄後、50℃で15時間乾燥して、金属錯体含有多孔性高分子であるトリフェニルホスフィン白金錯体‐多孔性ポリジビニルベンゼン複合体[MP−1]を製造した。
前記製造された[MP−1]を耐熱皿に乗せ、恒温乾燥機内に入れて200℃で15時間加熱した。白色から褐色に変じたトリフェニルホスフィン白金錯体‐多孔性ポリジビニルベンゼン複合体を取り出して室温まで自然冷却し、図2に表したような電気炉に設置された円筒型の石英製炉芯管内部に入れた。5℃ min−1で昇温しながら、900℃で焼成(1h)および賦活化(1h)の各段階で窒素ガス(1.0L・min−1)、窒素・炭酸混合ガス(それぞれ、1.0および0.1L・min−1)と流すガスの組成を変え、金属担持多孔性炭素材料である白金ナノ粒子−多孔性炭素複合体[MC−1]を製造した。
Subsequently, the obtained polymer was put into a cylindrical filter paper, washed with tetrahydrofuran using a Soxhlet extractor for 4 hours, washed with methanol for 2 hours, and then dried at 50 ° C. for 15 hours to obtain a metal complex-containing porous polymer. A triphenylphosphine platinum complex-porous polydivinylbenzene complex [MP-1] was prepared.
The produced [MP-1] was placed on a heat-resistant dish, placed in a constant temperature dryer, and heated at 200 ° C. for 15 hours. Take out the triphenylphosphine platinum complex-porous polydivinylbenzene complex, which has changed from white to brown, and cool it naturally to room temperature. Inside the cylindrical quartz furnace core tube installed in the electric furnace as shown in Fig. 2 Put it in. While raising the temperature at 5 ° C. min−1, nitrogen gas (1.0 L · min −1 ) and nitrogen / carbonic acid mixed gas (1, respectively) at each stage of firing (1 h) and activation (1 h) at 900 ° C. 0 and 0.1 L · min −1 ) and the composition of the flowing gas were changed to produce a platinum nanoparticle-porous carbon composite [MC-1] which is a metal-supporting porous carbon material.

〔金属担持多孔性炭素材料の分析結果〕
[MP−1]及び[MC−1]に対して、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、広角X線回折を活用して分析した結果を、表1、図3、図4、及び、図5に示した。
表1に示した結果は、それぞれ試料表面への窒素ガスの吸脱着挙動を表す等温吸着線から、BET法によって算出した比表面積、BJH法によって解析して得られた平均細孔径、及び、細孔面積を表す。
表1を参照すれば、金属担持多孔性炭素材料[MC−1]は、焼成によってもとの金属錯体含有多孔性高分子[MP−1]の比表面積の約2.8倍に増加し、細孔径は保存されたまま細孔の面積が増加した、つまり焼成によって新しい細孔が試料表面に生成したことが確認された。
[Results of analysis of metal-supported porous carbon material]
[MP-1] and [MC-1] were analyzed using a scanning electron microscope, a transmission electron microscope, and wide-angle X-ray diffraction. Table 1, FIG. 3, FIG. 4, and FIG. This is shown in FIG.
The results shown in Table 1 show the specific surface area calculated by the BET method, the average pore diameter obtained by analysis by the BJH method, and the fine pores from the isothermal adsorption lines representing the adsorption / desorption behavior of nitrogen gas on the sample surface. Represents the pore area.
Referring to Table 1, the metal-supporting porous carbon material [MC-1] increases to about 2.8 times the specific surface area of the original metal complex-containing porous polymer [MP-1] by firing, It was confirmed that the pore area increased while the pore diameter was preserved, that is, new pores were formed on the sample surface by firing.

Figure 2014172764
Figure 2014172764

図3(a)、(b)は、それぞれ、[MP−1]及び[MC−1]の走査型電子顕微鏡によって観察された高分子微細構造を表す図面である。図3(a)、(b)を参照すれば、[MP−1]、[MC−1]ともに高分子の球状塊がネットワークを形成していることが確認された一方で、[MC−1]はその球状塊表面が[MP−1]表面よりも細かくなっていることが確認された。
図4(a)、(b)は、それぞれ、[MP−1]及び[MC−1]に含まれるPtナノ粒子の透過型電子顕微鏡によって観察された詳細な微細構造である。図4(a)、(b)を参照すれば、[MP−1]は支持体である高分子のみが確認された一方で、[MC−1]は5〜20nmのPtナノ粒子が多数確認され、そのPtナノ粒子の多くは単結晶であることが確認された。
3 (a) and 3 (b) are drawings showing polymer microstructures observed by a scanning electron microscope of [MP-1] and [MC-1], respectively. Referring to FIGS. 3 (a) and 3 (b), while [MP-1] and [MC-1] were confirmed to form a network of polymer spherical masses, [MC-1 ], It was confirmed that the spherical lump surface was finer than the [MP-1] surface.
FIGS. 4A and 4B are detailed microstructures observed by a transmission electron microscope of Pt nanoparticles contained in [MP-1] and [MC-1], respectively. Referring to FIGS. 4 (a) and 4 (b), only [MP-1] was confirmed to be a polymer as a support, while [MC-1] was confirmed to have a large number of 5 to 20 nm Pt nanoparticles. Many of the Pt nanoparticles were confirmed to be single crystals.

図5は、[MC−1]中の広角X線回折プロファイルを表す図面である。図5を参照すれば、[MC−1]において白金の(111)面と(200)面の明確なピークが確認され、支持体の多孔性炭素がグラファイト様の構造であることを示すピークも幾つか確認された。 FIG. 5 is a drawing showing a wide-angle X-ray diffraction profile in [MC-1]. Referring to FIG. 5, in [MC-1], clear peaks of (111) plane and (200) plane of platinum are confirmed, and peaks indicating that the porous carbon of the support has a graphite-like structure are also shown. Some were confirmed.

(実施例2)
〔[MC−1]を用いた燃料電池用触媒電極の製造〕
前記製造された[MC−1]10mgを30分間乳鉢ですりつぶし、文献(Energy Fuels,24,3727(2010))に従ってNafionR(5wt%イソプロパノール溶液)2mLと混合し、超音波照射によって分散後、グラッシーカーボン電極(GCE)表面に溶液を10μL滴下、80℃で30分間乾燥して[MC−1]を用いた燃料電池用触媒電極[MFC−1]を製造した。
[MFC−1]に対して、サイクリックボルタンメトリーを活用して分析した結果を図6に示した。図6(a)は、[MFC−1]の0.5M硫酸水溶液中でのサイクリックボルタモグラム(CV)から、バックグラウンドである多孔性炭素のCVを差し引きして処理した結果を示したものである。また、図6(b)は2Mメタノール存在下における[MFC−1]のCVを示したものである。
図6(a)を参照すると、Ptに特徴的な水素の吸脱着と酸化還元ピークが確認された。また、図6(b)を参照すると、メタノールの酸化に基づく強い起電力が観測された。
(Example 2)
[Manufacture of catalyst electrode for fuel cell using [MC-1]]
10 mg of the manufactured [MC-1] is ground in a mortar for 30 minutes, mixed with 2 mL of Nafion® (5 wt% isopropanol solution) according to the literature (Energy Fuels, 24, 3727 (2010)), dispersed by ultrasonic irradiation, glassy 10 μL of the solution was dropped onto the surface of the carbon electrode (GCE) and dried at 80 ° C. for 30 minutes to produce a fuel cell catalyst electrode [MFC-1] using [MC-1].
The results of analyzing [MFC-1] using cyclic voltammetry are shown in FIG. FIG. 6A shows the result of subtracting the background porous carbon CV from the cyclic voltammogram (CV) of [MFC-1] in 0.5 M sulfuric acid aqueous solution. is there. FIG. 6 (b) shows the CV of [MFC-1] in the presence of 2M methanol.
Referring to FIG. 6A, hydrogen adsorption / desorption and redox peaks characteristic of Pt were confirmed. In addition, referring to FIG. 6B, a strong electromotive force based on methanol oxidation was observed.

(実施例3)
〔[MC−1]を用いた電気化学キャパシタの製造〕
前記製造された[MC−1]を、従来法(例えば、Chem.Mater.,23,5208(2011)参照)に従って、フッ化ポリビニリデン(PVDF)、アセチレンブラックとそれぞれ重量比で85/5/10で混合し、すりつぶして少量のN−メチルピロリドンを滴下して得たスラリーを酸化アルミ板上に塗布・展開し、80℃で乾燥させて得た電極を多孔性ポリプロピレンフィルムで覆い、テフロン(登録商標)板で挟んだものを0.5M硫酸水溶液に浸すことで、電気化学キャパシタ[MDLC−1]を製造した。
[MDLC−1]に対するCVおよび充放電測定結果をもとに求めたキャパシタ容量を、表2に表した。
(Example 3)
[Production of electrochemical capacitor using [MC-1]]
According to a conventional method (see, for example, Chem. Mater., 23, 5208 (2011)), the produced [MC-1] is mixed with polyvinylidene fluoride (PVDF) and acetylene black in a weight ratio of 85/5 / The slurry obtained by mixing at 10 and grinding and dropping a small amount of N-methylpyrrolidone was applied and spread on an aluminum oxide plate and dried at 80 ° C. The electrode obtained was covered with a porous polypropylene film, and Teflon ( An electrochemical capacitor [MDLC-1] was manufactured by immersing a sandwiched sheet between a (registered trademark) plate in a 0.5 M sulfuric acid aqueous solution.
Table 2 shows the capacitor capacity obtained based on the CV and charge / discharge measurement results for [MDLC-1].

Figure 2014172764
Figure 2014172764

前記表2を参照すれば、100mV・s−1の掃引速度で測定したCVから算出されたキャパシタ容量と5A・g−1の一定電流のもと行われた充放電測定から算出されたキャパシタ容量は、いずれも大きな値を示した。これは、Ptを含まない多孔性炭素のみの電気二重層キャパシタ容量の約2倍である。 Referring to Table 2, a capacitor capacity calculated from a CV measured at a sweep rate of 100 mV · s −1 and a capacitor capacity calculated from a charge / discharge measurement performed under a constant current of 5 A · g −1. All showed large values. This is about twice the electric double layer capacitor capacity of only porous carbon containing no Pt.

本発明は、金属担持多孔性炭素材料として、それを活用した燃料電池及び電気化学キャパシタの電極触媒に関連する分野に適用され得る。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied as a metal-supported porous carbon material to a field related to an electrode catalyst for a fuel cell and an electrochemical capacitor using the same.

Claims (10)

金属ナノ粒子と多孔性炭素の複合体であって、
金属錯体含有多孔性高分子を前駆体として直接焼成して製造することを特徴とする金属担持多孔性炭素材料。
A composite of metal nanoparticles and porous carbon,
A metal-supporting porous carbon material produced by directly firing a metal complex-containing porous polymer as a precursor.
前記金属錯体含有多孔性高分子が、高分子鎖に共有結合で固定化された金属錯体を含有する多孔性高分子である請求項1に記載の金属担持多孔性炭素材料。 The metal-supporting porous carbon material according to claim 1, wherein the metal complex-containing porous polymer is a porous polymer containing a metal complex immobilized on a polymer chain by a covalent bond. 前記金属錯体含有多孔性高分子が、
(i)配位性モノマー(L)と金属塩(S)を混合することにより金属錯体含有モノマー(Lm)を調製する工程、続いて、
(ii)前記金属錯体含有モノマー(Lm)と芳香族含有架橋性モノマー(Am)と混合して重合性組成物(A)を得た後、重合性組成物(A)とは相溶するが、重合性組成物(A)の重合体(P)と相溶しない溶剤(M)及び添加剤(D)と混合して組成物(X)を調製し、組成物(X)の重合後、重合体(P)から溶剤(M)及び添加剤(D)を除去することにより、
形成した金属錯体含有多孔性高分子である請求項1又は2に記載の金属担持多孔性炭素材料。
The metal complex-containing porous polymer is
(I) a step of preparing a metal complex-containing monomer (Lm) by mixing a coordination monomer (L) and a metal salt (S),
(Ii) The metal complex-containing monomer (Lm) and the aromatic-containing crosslinkable monomer (Am) are mixed to obtain a polymerizable composition (A), and then compatible with the polymerizable composition (A). , the polymerizable composition of the polymer (P a) and immiscible solvent (M) and additives (D) and mixed to composition (a) (X) was prepared, after polymerization of the composition (X) By removing the solvent (M) and the additive (D) from the polymer (P A ),
The metal-supporting porous carbon material according to claim 1, which is a formed metal complex-containing porous polymer.
前記金属塩(S)が、Pd、 Pt、 Ru、 Rh、 Au、 Agからなる群から選択される一つ以上の金属の塩である請求項3に記載の金属担持多孔性炭素材料。 The metal-supporting porous carbon material according to claim 3, wherein the metal salt (S) is a salt of one or more metals selected from the group consisting of Pd, Pt, Ru, Rh, Au, and Ag. 前記配位性モノマー(L)が、ホスフィノ基を分子構造中に有する請求項3又は4に記載の金属担持多孔性炭素材料。 The metal-supporting porous carbon material according to claim 3 or 4, wherein the coordination monomer (L) has a phosphino group in a molecular structure. 前記添加剤(D)が、ポリスチレンである請求項3〜5のいずれか1つに記載の金属担持多孔性炭素材料。 The said additive (D) is a polystyrene, The metal carrying | support porous carbon material as described in any one of Claims 3-5. 前記の金属錯体含有多孔性高分子の焼成過程が、段階的に加熱することにより、不融化・焼成・賦活化を行う請求項1〜6のいずれか1つに記載の金属担持多孔性炭素材料。 The metal-supporting porous carbon material according to any one of claims 1 to 6, wherein the firing process of the metal complex-containing porous polymer is infusible, fired and activated by stepwise heating. . 多孔構造としてマイクロ孔を含み、BET比表面積が800m・g−1以上である請求項1〜7のいずれか1つに記載の金属担持多孔性炭素材料。 The metal-supporting porous carbon material according to any one of claims 1 to 7, comprising micropores as a porous structure and having a BET specific surface area of 800 m 2 · g -1 or more. 請求項1〜8のいずれかに記載の金属担持多孔性炭素材料を活物質として含む電気化学キャパシタの電極触媒。 The electrode catalyst of the electrochemical capacitor which contains the metal carrying | support porous carbon material in any one of Claims 1-8 as an active material. 請求項1〜8のいずれかに記載の金属担持多孔性炭素材料を活物質として含む燃料電池の電極触媒。 The electrode catalyst of the fuel cell which contains the metal carrying | support porous carbon material in any one of Claims 1-8 as an active material.
JP2013043993A 2013-03-06 2013-03-06 Metal-carrying porous carbonaceous material, and production method of the same Pending JP2014172764A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013043993A JP2014172764A (en) 2013-03-06 2013-03-06 Metal-carrying porous carbonaceous material, and production method of the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013043993A JP2014172764A (en) 2013-03-06 2013-03-06 Metal-carrying porous carbonaceous material, and production method of the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014172764A true JP2014172764A (en) 2014-09-22
JP2014172764A5 JP2014172764A5 (en) 2016-04-14

Family

ID=51694386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013043993A Pending JP2014172764A (en) 2013-03-06 2013-03-06 Metal-carrying porous carbonaceous material, and production method of the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2014172764A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017031440A (en) * 2015-07-29 2017-02-09 名古屋市 Water absorptive gel for recovering metal ion
CN108996661A (en) * 2018-08-07 2018-12-14 南开大学 A method of improving the degradation property of deposition microbiological fuel cell
WO2022224990A1 (en) * 2021-04-21 2022-10-27 AZUL Energy株式会社 Capacitor, and capacitor composite material and method for manufacturing same

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05254814A (en) * 1992-03-13 1993-10-05 Mitsubishi Kasei Corp Carbonaceous fine particle and its production
JP2002097218A (en) * 2000-08-22 2002-04-02 Rohm & Haas Co Matrix and method for producing polyolefin
JP2003128409A (en) * 2001-10-22 2003-05-08 Ube Ind Ltd Porous carbon film, catalyst carrier, electrode for fuel battery, material for connecting electrode and fuel battery
JP2005038610A (en) * 2003-07-15 2005-02-10 Teijin Ltd Manufacturing method of fuel cell electrode material, fuel cell electrode material, and fuel cell
JP2007021423A (en) * 2005-07-20 2007-02-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Composite of prous carbon having sharp pore size distribution and metal nano-fine particles

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05254814A (en) * 1992-03-13 1993-10-05 Mitsubishi Kasei Corp Carbonaceous fine particle and its production
JP2002097218A (en) * 2000-08-22 2002-04-02 Rohm & Haas Co Matrix and method for producing polyolefin
JP2003128409A (en) * 2001-10-22 2003-05-08 Ube Ind Ltd Porous carbon film, catalyst carrier, electrode for fuel battery, material for connecting electrode and fuel battery
JP2005038610A (en) * 2003-07-15 2005-02-10 Teijin Ltd Manufacturing method of fuel cell electrode material, fuel cell electrode material, and fuel cell
JP2007021423A (en) * 2005-07-20 2007-02-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Composite of prous carbon having sharp pore size distribution and metal nano-fine particles

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017031440A (en) * 2015-07-29 2017-02-09 名古屋市 Water absorptive gel for recovering metal ion
CN108996661A (en) * 2018-08-07 2018-12-14 南开大学 A method of improving the degradation property of deposition microbiological fuel cell
WO2022224990A1 (en) * 2021-04-21 2022-10-27 AZUL Energy株式会社 Capacitor, and capacitor composite material and method for manufacturing same
JP7444516B2 (en) 2021-04-21 2024-03-06 AZUL Energy株式会社 Capacitor, composite material for capacitor and manufacturing method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Porous carbons derived from hypercrosslinked porous polymers for gas adsorption and energy storage
Li et al. Nitrogen-and oxygen-enriched 3D hierarchical porous carbon fibers: synthesis and superior supercapacity
Huang et al. Nano-SiO 2-embedded poly (propylene carbonate)-based composite gel polymer electrolyte for lithium–sulfur batteries
Zhang et al. Multistage self-assembly strategy: Designed synthesis of N-doped mesoporous carbon with high and controllable pyridine N content for ultrahigh surface-area-normalized capacitance
Li et al. Fabrication of novel polymeric and carbonaceous nanoscale networks by the union of self-assembly and hypercrosslinking
Han et al. Porous graphene materials for advanced electrochemical energy storage and conversion devices
Xu et al. Fabrication of novel powdery carbon aerogels with high surface areas for superior energy storage
Liang et al. Facile synthesis of highly porous carbon from rice husk
Shen et al. Supercapacitor electrodes based on nano-polyaniline deposited on hollow carbon spheres derived from cross-linked co-polymers
Lin et al. Poly (ionic liquid) s with engineered nanopores for energy and environmental applications
Xu et al. Facile regulation of carbon framework from the microporous to low-porous via molecular crosslinker design and enhanced Na storage
Yan et al. Regulating the specific surface area and porous structure of carbon for high performance supercapacitors
Chen et al. Carbon dioxide activated carbon nanofibers with hierarchical micro-/mesoporosity towards electrocatalytic oxygen reduction
Shaari et al. Current status, opportunities, and challenges in fuel cell catalytic application of aerogels
Yang et al. Bamboo-like N/S-codoped carbon nanotube aerogels for high-power and high-energy supercapacitors
CN106115660B (en) A kind of nanometer carbon plate based on the assembling of molecule from bottom to top, preparation method and application
CN106587009B (en) A kind of mesoporous carbon nanospheres of superhigh specific surface area and its preparation method and application
Chen et al. Fabrication and supercapacitive properties of hierarchical porous carbon from polyacrylonitrile
Zhang et al. Organosilica with grafted polyacrylonitrile brushes for high surface area nitrogen-enriched nanoporous carbons
Ran et al. Super long-life supercapacitor electrode materials based on hierarchical porous hollow carbon microcapsules
Prasad et al. Sulfonic acid functionalized PVA/PVDF composite hollow microcapsules: highly phenomenal & recyclable catalysts for sustainable hydrogen production
Zhang et al. Individual nanoporous carbon spheres with high nitrogen content from polyacrylonitrile nanoparticles with sacrificial protective layers
Liu et al. Porous carbonaceous composite derived from Mg (OH) 2 pre-filled PAN based membrane for supercapacitor and dye adsorption application
KR101439896B1 (en) Method for preparing controlled porous carbon nano sheet and porous carbon nano sheet made by the same
Yue et al. Coral-like carbon structures derived from the complex of metal-organic frameworks and melamine formaldehyde resin with ideal electrochemical performances

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20140716

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160229

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160229

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20161114

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161129

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20170620