JP2015063424A - Carbon-based material, electrode catalyst, electrode, electrochemical device, fuel cell and method for producing carbon-based material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、触媒として好適な炭素系材料、前記炭素系材料を含む電極触媒、前記炭素系材料を備える電極、前記電極を備える電気化学装置及び燃料電池、並びに前記炭素系材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon-based material suitable as a catalyst, an electrode catalyst including the carbon-based material, an electrode including the carbon-based material, an electrochemical device and a fuel cell including the electrode, and a method for producing the carbon-based material.
下記に示す酸素還元反応は、H2/O2燃料電池、食塩電解等における、カソード反応であり、エネルギー変換電気化学デバイスなどにおいて重要である。 The oxygen reduction reaction shown below is a cathode reaction in an H 2 / O 2 fuel cell, salt electrolysis, etc., and is important in an energy conversion electrochemical device or the like.
O2+4H++4e- → 2H2O
また、この酸素還元反応の逆反応である下記の酸素発生反応は、水の電気分解等におけるアノード反応として重要である。
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O
The following oxygen generation reaction, which is the reverse reaction of this oxygen reduction reaction, is important as an anode reaction in water electrolysis and the like.
2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
各種デバイスにおいて酸素還元反応又は酸素発生反応を進行させる場合、通常は触媒として白金、酸化ルテニウム、酸化イリジウムなどの貴金属が広く使用されている。
2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e −
When oxygen reduction reaction or oxygen generation reaction proceeds in various devices, usually noble metals such as platinum, ruthenium oxide and iridium oxide are widely used as catalysts.
例えば特許文献1には、固体高分子型燃料電池におけるガス拡散電極を得るにあたり、触媒として白金族金属及び白金族合金からなる群から選ばれる金属粒子を用い、これをカーボンブラック粉末等の担体に担持させることで金属担持触媒を形成し、この金属担持触媒を、カーボンクロス等からなるガス拡散層に、含フッ素イオン交換樹脂で固定することが、開示されている。
For example, in
しかし、貴金属は稀少で高価であり、且つ価格が不安定であるので、貴金属を触媒として使用することには、省資源化の観点、入手安定性を確保する観点、低コスト化の観点などから、問題がある。 However, since noble metals are rare and expensive, and the price is unstable, using noble metals as a catalyst is necessary from the viewpoints of resource saving, securing availability, and cost reduction. ,There's a problem.
また、触媒が粒子状であると、上記のようにガス拡散層等に触媒を固定させるための手間を要するようになる。また、触媒をガス拡散層等の部材に固定するためには、上記の通り含フッ素イオン交換樹脂等のバインダが必要となるが、ガス拡散電極を長期間使用すると、電極反応により生成する酸素ラジカル種等によってバインダが次第に劣化してしまう。このことが、ガス拡散電極の経時劣化の原因となっている。 Further, if the catalyst is in the form of particles, it takes time to fix the catalyst to the gas diffusion layer or the like as described above. In addition, in order to fix the catalyst to a member such as a gas diffusion layer, a binder such as a fluorine-containing ion exchange resin is required as described above. However, if the gas diffusion electrode is used for a long period of time, oxygen radicals generated by the electrode reaction The binder gradually deteriorates depending on the seeds. This causes the deterioration of the gas diffusion electrode over time.
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、触媒活性が高く、容易に製造されることができ、しかもバインダを使用することなく電極触媒として容易に使用されることができ、又は、バインダを使用してさらに別の触媒を固定したとしても電極の経時性能劣化を抑制できる炭素系材料、前記炭素系材料を含む電極触媒、前記炭素系材料を備える電極、前記電極を備える電気化学装置及び燃料電池、並びに前記炭素系材料の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and its object is to have high catalytic activity, can be easily manufactured, and can be easily used as an electrode catalyst without using a binder. Or a carbon-based material that can suppress deterioration in performance of the electrode over time even when another catalyst is fixed using a binder, an electrode catalyst including the carbon-based material, an electrode including the carbon-based material, It is an object of the present invention to provide an electrochemical device and a fuel cell including the electrode, and a method for producing the carbon-based material.
第1の態様に係る炭素系材料は、
シート状の形状を有し、
無定形炭素製のシート材と、
窒素原子、ホウ素原子、硫黄原子及びリン原子から選択される一種以上の原子を含有する非金属原子並びに金属原子を含有する、活性層とを備える。
The carbonaceous material according to the first aspect is
Having a sheet-like shape,
Amorphous carbon sheet material,
And an active layer containing a nonmetallic atom containing one or more atoms selected from a nitrogen atom, a boron atom, a sulfur atom and a phosphorus atom, and a metal atom.
第2の態様に係る炭素系材料では、第1の態様において、前記シート材が、無定形炭素製の織布又は不織布である。 In the carbon-based material according to the second aspect, in the first aspect, the sheet material is a woven or non-woven fabric made of amorphous carbon.
第3の態様に係る炭素系材料は、第1又は第2の態様において、多孔質である。 The carbonaceous material according to the third aspect is porous in the first or second aspect.
第4の態様に係る炭素系材料では、第1乃至第3のいずれか一の態様において、前記シート材の表層に前記非金属原子及び前記金属原子がドープされており、前記表層に前記活性層が形成されている。 In the carbon-based material according to the fourth aspect, in any one of the first to third aspects, the surface layer of the sheet material is doped with the nonmetallic atom and the metal atom, and the active layer is formed on the surface layer. Is formed.
第5の態様に係る炭素系材料は、第1乃至第4のいずれか一の態様において、XPS測定で評価される炭素原子に対する前記金属原子の比が0.01未満、かつ炭素原子に対する前記非金属原子の比が0.05未満である。 The carbon-based material according to the fifth aspect is the carbon material according to any one of the first to fourth aspects, wherein the ratio of the metal atom to the carbon atom evaluated by XPS measurement is less than 0.01 and the non-carbon atom The ratio of metal atoms is less than 0.05.
第6の態様に係る炭素系材料では、第4又は第5の態様において、前記活性層の厚みが1nm以下である。 In the carbon-based material according to the sixth aspect, in the fourth or fifth aspect, the thickness of the active layer is 1 nm or less.
第7の態様に係る炭素系材料では、第4乃至第6のいずれか一の態様において、CuKα線を用いてX線回折測定されることで得られる回折強度曲線における、(002)面のピークの強度に対する、不活性金属化合物及び金属結晶に由来する最大のピークの強度の比が、0.1以下である。 In the carbon-based material according to the seventh aspect, in any one of the fourth to sixth aspects, the (002) plane peak in the diffraction intensity curve obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα rays The ratio of the intensity of the maximum peak derived from the inert metal compound and the metal crystal to the intensity of 0.1 is 0.1 or less.
第8の態様に係る炭素系材料では、第1乃至第3のいずれか一の態様において、前記活性層が、前記非金属原子と前記金属原子とを有する炭素化合物を含有する。 In the carbon-based material according to the eighth aspect, in any one of the first to third aspects, the active layer contains a carbon compound having the nonmetal atom and the metal atom.
第9の態様に係る炭素系材料では、第7の態様において、前記炭素化合物が、前記非金属原子と前記金属原子とを有する有機金属錯体と、前記非金属原子と前記金属原子とを有するポリマー錯体とのうち、少なくとも一方を含有する。 In the carbon-based material according to the ninth aspect, in the seventh aspect, the carbon compound is a polymer having the organometallic complex having the nonmetallic atom and the metal atom, and the nonmetallic atom and the metal atom. At least one of the complexes is contained.
第10の態様に係る炭素系材料では、第8又は第9の態様において、前記炭素化合物を焼成することで前記活性層が形成されている。 In the carbon-based material according to the tenth aspect, in the eighth or ninth aspect, the active layer is formed by firing the carbon compound.
第11の態様に係る炭素系材料では、第1乃至第10のいずれか一の態様において、前記非金属原子が窒素原子を含み、前記金属原子が鉄原子とコバルト原子とのうち少なくとも一方を含む。 In the carbon-based material according to an eleventh aspect, in any one of the first to tenth aspects, the non-metal atom includes a nitrogen atom, and the metal atom includes at least one of an iron atom and a cobalt atom. .
第12の態様に係る電極触媒は、第1乃至第10のいずれか一の態様に係る炭素系材料を含む。 The electrode catalyst according to the twelfth aspect includes the carbon-based material according to any one of the first to tenth aspects.
第13の態様に係る電極は、第1乃至第11のいずれか一の態様に係る炭素系材料を備える。 An electrode according to a thirteenth aspect includes the carbon-based material according to any one of the first to eleventh aspects.
第14の態様に係る電極は、第13の態様において、ガス拡散電極として構成されている。 The electrode according to the fourteenth aspect is configured as a gas diffusion electrode in the thirteenth aspect.
第15の態様に係る電極は、第13又は第14の態様において、前記炭素系材料に重なっている撥水層を備える。 An electrode according to a fifteenth aspect includes a water-repellent layer overlapping the carbonaceous material in the thirteenth or fourteenth aspect.
第16の態様に係る電極では、第15の態様において、前記撥水層が多孔質である。 In the electrode according to the sixteenth aspect, in the fifteenth aspect, the water repellent layer is porous.
第17の態様に係る電気化学装置は、第13乃至第16のいずれか一の態様に係る電極を備える。 An electrochemical device according to a seventeenth aspect includes the electrode according to any one of the thirteenth to sixteenth aspects.
第18の態様に係る燃料電池は、第13乃至第16のいずれか一の態様に係る電極を備える。 A fuel cell according to an eighteenth aspect includes the electrode according to any one of the thirteenth to sixteenth aspects.
第19の態様に係る炭素系材料の製造方法は、
窒素原子、ホウ素原子、硫黄原子、及びリン原子からなる群から選択される一種以上の原子を含有する非金属原子を有する非金属化合物と、金属化合物とを、無定形炭素製のシート材に付着させる工程と、
前記非金属化合物、前記金属化合物及び前記シート材を、800℃以上1000℃以下の範囲内の温度で、45秒以上600秒未満の範囲内の時間、加熱する工程とを含む。
The method for producing a carbon-based material according to the nineteenth aspect includes
A nonmetallic compound having a nonmetallic atom containing one or more atoms selected from the group consisting of a nitrogen atom, a boron atom, a sulfur atom, and a phosphorus atom, and a metallic compound are attached to an amorphous carbon sheet material. A process of
Heating the nonmetallic compound, the metallic compound, and the sheet material at a temperature in the range of 800 ° C. to 1000 ° C. for a time in the range of 45 seconds to less than 600 seconds.
第20の態様に係る炭素系材料の製造方法では、第19の態様において、前記シート材が、無定形炭素製の織布又は不織布である。 In the method for producing a carbon-based material according to the twentieth aspect, in the nineteenth aspect, the sheet material is an amorphous carbon woven fabric or non-woven fabric.
第21の態様に係る炭素系材料の製造方法では、第19又は第20の態様において、前記シート材が多孔質である
第22の態様に係る炭素系材料、第19乃至第21のいずれか一の態様に係る方法で製造される。
In the carbon-based material manufacturing method according to the twenty-first aspect, in the nineteenth or twentieth aspect, the sheet material is porous. The carbon-based material according to the twenty-second aspect, any one of the nineteenth to twenty-first aspects. Manufactured by the method according to the embodiment.
本発明によれば、炭素系材料の触媒活性を向上することができ、更に、炭素系材料を得るための炭素源原料として無定形炭素製のシート材を使用することができるために、炭素系材料を容易に得ることができ、しかも炭素系材料がシート状であることで、バインダを使用することなく電極触媒として容易に適用することができ、又は、バインダを使用してさらに別の触媒を固定したとしても電極の経時的な性能劣化を抑制できる。 According to the present invention, since the catalytic activity of the carbon-based material can be improved, and further, an amorphous carbon sheet material can be used as a carbon source material for obtaining the carbon-based material. The material can be easily obtained, and the carbon-based material is in a sheet form, so that it can be easily applied as an electrode catalyst without using a binder, or a further catalyst can be added using a binder. Even if it is fixed, it is possible to suppress deterioration in performance of the electrode over time.
本実施形態に係る炭素系材料1は、無定形炭素製のシート材2と、活性層3とを備える。活性層3は、窒素原子、ホウ素原子、硫黄原子及びリン原子から選択される一種以上の原子を含有する非金属原子並びに金属原子を含む。
The carbon-based
このため、本実施形態では、炭素系材料1が高い触媒活性を有する。更に、炭素系材料1を得るための炭素源原料として、入手容易な無定形炭素製のシート材2を使用することができるために、炭素系材料1を容易に得ることができる。従って、触媒活性の高い炭素系材料1を、容易に得ることができる。更に、炭素系材料1がシート状であることから、この炭素系材料1を、電極6を構成する部材として使用することで、バインダを要することなく電極触媒として容易に使用することができる。
For this reason, in this embodiment, the
尚、本明細書において、無定形炭素という語は、一般的な意味で用いられる。すなわち、無定形炭素とは、明確な結晶構造を有さない炭素を意味する。特に、無定形炭素をCuKα線を用いてX線回折測定することで得られる回折強度曲線における、(002)面のピークの強度の、黒鉛(例えばパナソニック株式会社製、PGSグラファイトシート、17μm厚)をCuKα線を用いてX線回折測定することで得られる回折強度曲線における、(002)面のピークの強度に対する比の値が、0.05〜0.5の範囲内であることが好ましい。 In the present specification, the term amorphous carbon is used in a general sense. That is, amorphous carbon means carbon that does not have a clear crystal structure. In particular, graphite (for example, PGS graphite sheet, 17 μm thickness, manufactured by Panasonic Corporation) having a peak intensity on the (002) plane in a diffraction intensity curve obtained by X-ray diffraction measurement of amorphous carbon using CuKα rays. It is preferable that the value of the ratio to the peak intensity of the (002) plane in the diffraction intensity curve obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα rays is in the range of 0.05 to 0.5.
シート材2は、無定形炭素製の織布又は不織布であることが好ましい。また、炭素系材料1が、多孔質であることも好ましい。これらの場合、炭素系材料1が、ガス拡散電極におけるガス拡散層を構成すると同時に電極触媒を構成することができる。
The
非金属原子及び金属原子が、シート材2の表層にドープされていてもよい。この場合、シート材2の表層に活性層3が形成される。この場合、炭素系材料1の導電性が活性層3によって阻害されにくい。このため、特に炭素系材料1が電極触媒に適用される場合にその触媒活性が更に向上する。
Non-metal atoms and metal atoms may be doped in the surface layer of the
尚、本実施形態において、シート材2に非金属原子が「ドープされている」とは、シート材2を構成する原子と非金属原子とが化学結合していることをいう。特に、非金属原子が、シート材2中の炭素骨格の中に組み込まれていることが好ましい。より具体的には、例えば、sp2炭素が順次結合して構成されている炭素骨格における、1つ以上の炭素が、ドーパント原子に置換されていることが好ましい。
In the present embodiment, “non-metal atoms are doped” in the
シート材2に非金属原子がドープされていることは、例えば、ラマン分光測定を行うことにより確認できる。具体的には、例えば次の方法により、シート材2に非金属原子がドープされていることが確認できる。まず、炭素系材料1についての、ラマン分光測定によって得られるラマンスペクトルにおける、炭素のsp2軌道による結合に由来するGバンドのピークと、炭素のsp2軌道による結合の欠陥に由来するDバンドのピークとを確認する。このDバンドのピークの強度(Id)と、Gバンドのピークの強度(Ig)との比(Id/Ig)は、シート材2に異種元素がドープされることで大きくなる。未ドープのシート材2の場合と比較して強度比(Id/Ig)が大きい場合に、異種元素がドープされていることが確認できる。
Whether the
シート材2に非金属原子がドープされていることは、X線光電子分析法でも確認できる。具体的には、例えば炭素系材料1についての、X線光電子分析法により得られた束縛エネルギースペクトルにおける、シート材2にドープされた非金属原子に由来するピーク位置(例えば窒素原子の1s軌道電子に由来するピーク位置)に基づいて、シート材2に非金属原子がドープされていることを確認できる。例えば、非金属原子が窒素原子である場合、束縛エネルギースペクトルにおける、窒素原子の1s軌道電子に由来するピークが、399.9eV付近に位置していれば、炭素骨格の中に組み込まれた窒素原子の存在が確認できる。
It can be confirmed by X-ray photoelectron analysis that the
本実施形態において、シート材2に金属原子が「ドープされている」とは、シート材2を構成する原子と金属原子とが化学結合していることをいう。特に、金属原子が、シート材2にドープされている非金属原子と配位結合していることが好ましい。この場合、シート材2にドープされている金属原子は、シート材2中の炭素原子と直接結合していなくてもよい。炭素系材料1についての、金属原子のK端広域X線吸収微細構造(EXAFS)をフーリエ変換して得られる動径分布関数に、金属原子と非金属原子との配位結合距離付近でピークが現れていれば、非金属原子と金属原子との配位結合の存在を確認できる。更に、炭素系材料1について得られるX線吸収スペクトル(XAS)における、非金属原子の内殻電子(たとえば窒素原子であれば1s軌道電子)の非占有軌道への励起に由来する吸収ピークの位置と、金属原子の内殻電子(例えば鉄原子であれば2p軌道電子)の非占有軌道への励起に由来する吸収ピークの位置の各々が、配位結合が存在しない場合のピーク位置からシフトし、且つこれらのピーク位置のシフト方向が互いに異なる方向であれば、非金属原子と金属原子との配位結合の存在を確認できる。これは、非金属原子と金属原子とが配位結合することにより、一方の原子の電子密度が高く、他方の原子の電子密度が低くなるからである。すなわち、XASにおいて、非金属原子と金属原子とのうち電子密度が高くなる原子に由来する吸収エネルギーのピークは低エネルギー側にシフトし、電子密度が低くなる原子に由来する吸収エネルギーのピークは高エネルギー側にシフトするからである。
In the present embodiment, the metal material is “doped” in the
炭素系材料1をXPS測定で評価した場合に、炭素原子に対する金属原子の比が0.01未満、かつ炭素原子に対する非金属原子の比が0.05未満であってもよい。このように金属原子のドープ量が少なくても、炭素系材料1は高い触媒活性を有する。
When the carbon-based
尚、XPS測定は、光源としてAlの特性X線を使用し、3X10-8Paの真空条件下で行われる。炭素系材料1をXPS測定すると、炭素系材料1の表層における一定領域内での元素組成を確認することができる。このため、XPS測定によって、一定領域内における金属原子のドープ量が測定される。尚、「XPS測定により評価される炭素原子に対する金属原子の割合が、0.01未満」である場合には、炭素原子に対する比率が0.01以上の金属原子が測定可能な条件下において、測定精度の限界によって金属原子の存在が検出不能な場合を含む。また「XPS測定により評価される炭素原子に対する前記非金属原子の割合が、0.05未満」である場合には、炭素原子に対する比率が0.05以上の非金属原子が測定可能な条件下において、測定精度の限界によって非金属原子の存在が検出不能な場合を含む。
The XPS measurement is performed under a vacuum condition of 3 × 10 −8 Pa using an Al characteristic X-ray as a light source. When the XPS measurement of the
炭素系材料1のXPS測定にあたっては、予め炭素系材料1を酸性水溶液で洗浄するなどして、炭素系材料1とは独立して存在している物質の混入量を充分に低減しておく。酸洗浄にあたっては、例えば炭素系材料1を、2M硫酸中に入れて、80℃で3時間、撹拌する。
In the XPS measurement of the
活性層3の厚みが1nm以下であることが好ましい。このように活性層3の厚みが薄いことで、炭素系材料1の導電性が活性層3によって更に阻害されにくくなる。このため、特に炭素系材料1が電極触媒に適用される場合にその触媒活性が更に向上する。
The thickness of the
尚、「活性層3の厚みが1nm以下である」場合には、厚み1nmを超える活性層3を測定可能な条件下において、測定精度の限界によって活性層3の存在が確認不能な場合を含む。
In addition, the case where “the thickness of the
炭素系材料1をCuKα線を用いてX線回折測定することで得られる回折強度曲線における、(002)面のピークの強度に対する、不活性金属化合物及び金属結晶に由来する最大のピークの強度の比が、0.1以下であることが好ましい。この場合、炭素系材料1の触媒活性が更に向上する。これは、不活性金属化合物及び金属結晶の含有量が少ないため、金属化合物及び金属結晶によって炭素系材料1の触媒活性が阻害されにくくなるからであると、考えられる。
In the diffraction intensity curve obtained by X-ray diffraction measurement of the carbon-based
尚、不活性金属化合物とは、炭素系材料1内における、シート材2にドープされていない金属原子が構成要素となっている化合物であり、例えば金属炭化物、金属窒化物、及び金属硫化物である。また金属結晶とは、シート材2にドープされていない金属原子からなる結晶である。
In addition, an inert metal compound is a compound in which the metal atom which is not doped by the sheet |
また、回折強度曲線のピークの強度を評価するにあたり、回折強度曲線のベースラインは、Shirley法によって決定される。このベースラインを基準にして、回折強度曲線のピーク強度が決定される。 In evaluating the intensity of the peak of the diffraction intensity curve, the baseline of the diffraction intensity curve is determined by the Shirley method. Based on this baseline, the peak intensity of the diffraction intensity curve is determined.
また、炭素系材料1のX線回折測定にあたっては、予め酸性水溶液により炭素系材料1を洗浄するなどして、炭素系材料1とは独立して存在している物質の混入量を充分に低減しておく。酸洗浄にあたっては、例えば炭素系材料1を、2M硫酸中に入れて、80℃で3時間、撹拌する。
In addition, in the X-ray diffraction measurement of the carbon-based
活性層3が、非金属原子と金属原子とを有する炭素化合物を含有してもよい。この場合、炭素系材料1の導電性が活性層3によって阻害されにくい。このため、特に炭素系材料1が電極触媒に適用される場合にその触媒活性が更に向上する。炭素化合物は、例えば非金属原子と金属原子とを有する有機金属錯体と、非金属原子と金属原子とを有するポリマー錯体とのうち、少なくとも一方である。活性層3が、炭素化合物を焼成することで形成されてもよい。
The
活性層3における非金属原子が窒素原子を含み、金属原子が鉄原子とコバルト原子とのうち少なくとも一方を含むことが、好ましい。非金属原子が窒素原子のみであってもよい。また、金属原子が、鉄原子とコバルト原子とのうち少なくとも一方のみであってもよい。
It is preferable that the nonmetallic atom in the
この場合、炭素系材料1が特に高い触媒活性を有する。このため、炭素系材料1が電極触媒、特に酸素還元電極触媒又は酸素発生触媒に適用される場合に、非常に優れた性能を発揮する。
In this case, the
以下、本実施形態に係る炭素系材料1の、より具体的な形態について説明する。
Hereinafter, the more specific form of the
まず、本実施形態に係る炭素系材料1の第一の形態について説明する。本形態に係る炭素系材料1は、無定形炭素製のシート材2の表層に、非金属原子及び金属原子がドープされて成る。このため、シート材2の表層に、活性層3が形成されている。換言すれば、本形態に係る炭素系材料1は、実質的に無定形炭素からなるコア層4と、コア層4を覆う、非金属原子と金属原子とを含有する活性層3とを備える。これは、炭素系材料1が製造される過程において、シート材2に金属原子と非金属原子とがドープされる際、非金属原子と金属原子とはシート材2の内部までは容易には侵入せず、主としてシート材2の表層にドープされるからである。
First, the 1st form of the
炭素系材料1は、多孔質であることが好ましい。この場合、炭素系材料1が、電極6を構成する部材として好適であり、特にガス拡散電極におけるガス拡散層として好適である。
The
無定形炭素製のシート材2は、例えば無定形炭素製の織布又は不織布である。この場合、炭素系材料1が多孔質になる。また、この場合、シート材2を構成する繊維5(無定形炭素繊維)の表層に活性層3が形成される。換言すれば、シート材2を構成する繊維5は、実質的に無定形炭素からなるコア層4と、コア層4を覆う、非金属原子と金属原子とを含有する活性層3とを備える。
The
炭素系材料1の寸法は特に制限されず、例えばこの炭素系材料1が微小な寸法を有してもよい。
The dimension in particular of
シート材2にドープされている金属原子は、特に限定されないが、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、及び金(Au)から選択される、一種以上の原子を含有することが好ましい。この場合、炭素系材料1が、特に酸素還元反応を促進させるための触媒として、優れた性能を発揮する。シート材2にドープされる金属原子の量は、炭素系材料1が優れた触媒性能を発揮するように適宜設定されればよい。
The metal atoms doped in the
シート材2にドープされている非金属原子は、上記の通り、窒素原子、ホウ素原子、硫黄原子及びリン原子から選択される一種以上の原子を含有する。シート材2にドープされている非金属原子の量も、炭素系材料1が優れた触媒性能を発揮するように適宜設定されればよい。
As described above, the nonmetallic atom doped in the
シート材2にドープされている金属原子と非金属原子との組み合わせは、適宜選択される。特に、炭素系材料1が酸素還元電極触媒に適用される場合には、非金属原子が窒素原子を含み、金属原子が鉄原子を含むことが好ましい。この場合、炭素系材料1が特に優れた触媒活性を発揮することができる。非金属原子が窒素原子のみであってもよい。また、金属原子が鉄原子のみであってもよい。
A combination of metal atoms and nonmetal atoms doped in the
また、炭素系材料1が酸素発生電極に適用される場合には、非金属原子が窒素原子を含み、金属原子がコバルト原子とマンガン原子とのうち少なくとも一方を含むことが、好ましい。この場合、炭素系材料1が特に優れた触媒活性を発揮することができる。非金属原子が窒素原子のみであってもよい。また、金属原子がコバルト原子のみ、マンガン原子のみ、或いはコバルト原子及びマンガン原子のみであってもよい。
Moreover, when the
本形態に係る炭素系材料1のサイクリックボルタンメトリーによる測定結果(ボルタモグラム)によると、ボルタモグラムには、シート材2にドープされている金属原子(イオン)の酸化還元反応に由来するピークが現れる。換言すれば、この金属原子の酸化還元に由来するピークの存在に基づいて、シート材2に金属原子がドープされていることが、確認できる。また、このボルタモグラムにおける酸化反応時のピーク位置の電位と還元反応時のピーク位置の電位との平均値(酸化還元電位)は、シート材2にドープされている非金属原子の種類に応じてシフトする。換言すれば、酸化還元電位の値或いはシフト量に基づいて、シート材2に非金属原子がドープされていることが、確認できる。また、炭素系材料1上での電気化学的反応は炭素系材料1の表面で生じると考えられるため、金属原子及び非金属原子はシート材2の表層に存在すると評価できる。
According to the cyclic voltammetry measurement result (voltammogram) of the carbon-based
本形態に係る炭素系材料1は、不活性金属化合物及び金属結晶のうち少なくとも一方を含む直径1nm以上の粒子を、含有しないことが好ましい。特に、炭素系材料1が、不活性金属化合物及び金属結晶のうち少なくとも一方を含む粒子を、その粒径にかかわらず、含有しないことが好ましい。
It is preferable that the
尚、不活性金属化合物及び金属結晶のうち少なくとも一方を含む粒子の存在及びその粒径は、炭素系材料1を透過型電子顕微鏡で観察することによって、確認される。「不活性金属化合物及び金属結晶のうち少なくとも一方を含む直径1nm以上の粒子を、含有しない」とは、炭素系材料1を透過型電子顕微鏡で観察した場合、炭素系材料1のいかなる位置を観察したとしても、透過型電子顕微鏡により得られる画像からは、不活性金属化合物及び金属結晶のうち少なくとも一方を含む直径1nm以上の粒子の存在が認められないことを、意味する。尚、粒子の直径とは、透過型電子顕微鏡により得られる粒子の画像を画像処理することで得られる真円換算直径である。透過型電子顕微鏡としては、例えば、株式会社日立ハイテクノロジーズ製の型番H−9000UHRを使用することができる。
Note that the presence and particle size of particles containing at least one of an inert metal compound and a metal crystal are confirmed by observing the carbon-based
炭素系材料1を透過型電子顕微鏡で観察するにあたっては、予め酸性水溶液により炭素系材料1を洗浄するなどして、炭素系材料1とは独立して存在している物質の混入量を充分に低減しておく。酸洗浄にあたっては、例えば炭素系材料1を、2M硫酸中に入れて、80℃で3時間、撹拌する。
In observing the carbon-based
上記のように炭素系材料1が、不活性金属化合物及び金属結晶のうち少なくとも一方を含む直径1nm以上の粒子を含有しない場合、炭素系材料1の触媒活性が更に高くなる。これは、不活性金属化合物及び金属結晶のうち少なくとも一方を含む粒子が存在せず、或いはこの粒子が非常に小さいために、金属化合物及び金属結晶によって炭素系材料1の触媒活性が阻害されにくくなるからであると、考えられる。尚、不活性金属化合物及び金属結晶のうち少なくとも一方を含む粒子は、炭素系材料1の製造過程において、金属原子がドープされずに不活性金属化合物や金属結晶が生成することで生じると考えられる。
As described above, when the
また、不活性金属化合物及び金属結晶のうち少なくとも一方を含む粒子は、炭素系材料1に一旦ドープされた金属原子が脱離してそのまま凝集し或いはこの金属原子が炭素原子等と結合して凝集することによっても、生じると考えられる。このため、不活性金属化合物及び金属結晶のうち少なくとも一方を含む粒子が存在せず、或いはこの粒子が非常に小さいということは、炭素系材料1からの金属原子の脱離が抑制され、炭素系材料1の表層に充分な量の金属原子が分布していることを意味すると、考えられる。このことも、本形態に係る炭素系材料1の触媒活性が高いことの一因であると、考えられる。
In addition, particles containing at least one of an inert metal compound and a metal crystal are aggregated as they are after the metal atoms once doped in the carbon-based
また、本形態に係る炭素系材料1をXPS(X線光電子分光)測定することで評価される炭素原子に対する金属原子の割合が、0.01未満であり、かつ炭素原子に対する非金属原子の割合が、0.05未満であることが好ましい。この場合、炭素系材料1の表層における一定領域内での金属原子及び非金属原子の量が少ないことから、炭素系材料1における金属原子及び非金属原子のドープ量が少ないと評価できる。本形態では、このように金属原子のドープ量が少なくても、高い触媒活性を有する炭素系材料1が得られる。
Moreover, the ratio of the metal atom with respect to the carbon atom evaluated by measuring XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) of the
炭素原子に対する金属原子の割合は、特に0であることが好ましい。また炭素に対する非金属原子の割合は、特に0であることが好ましい。尚、この金属原子及び非金属原子の割合は、あくまでXPS測定により評価される値であり、この値が0であっても、実際に炭素系材料1の表層における金属原子及び非金属原子の量が0であるとはいえない。炭素系材料1の表層に金属原子及び非金属原子が存在することは、炭素系材料1のサイクリックボルタンメトリーによる測定結果から確認される。
The ratio of metal atoms to carbon atoms is particularly preferably 0. The ratio of nonmetallic atoms to carbon is particularly preferably 0. In addition, the ratio of this metal atom and a nonmetallic atom is a value evaluated by XPS measurement to the last, and even if this value is 0, the quantity of the metal atom and nonmetallic atom in the surface layer of the
また、本形態に係る炭素系材料1における活性層3の厚みが、1nm以下であることが好ましい。この場合、活性層3の厚みが薄いため、炭素系材料1の導電性が活性層3によって阻害されにくくなる。上記の通り、「活性層3の厚みが1nm以下である」場合には、厚み1nmを超える活性層3を測定可能な条件下において、測定精度の限界によって活性層3の存在が確認不能な場合を含むため、活性層3の厚みの好ましい下限は規定されない。尚、活性層3の存在が確認不能であっても、炭素系材料1の表層に金属原子及び非金属原子が存在しないとはいえない。炭素系材料1の表層に金属原子及び非金属原子が存在することは、上記の通り炭素系材料1のサイクリックボルタンメトリーによる測定結果から確認される。
Moreover, it is preferable that the thickness of the
また、本形態に係る炭素系材料1を、CuKα線を用いてX線回折測定することで得られる回折強度曲線における、(002)面のピークの強度に対する、不活性金属化合物及び金属結晶に由来する最大のピークの強度の比が、0.1以下であることが好ましい。この場合、炭素系材料1中の不活性金属化合物及び金属結晶の割合は非常に低くなる。このため、炭素系材料1の触媒活性が更に向上する。このピークの強度の比は小さいほど好ましく、回折強度曲線に不活性金属化合物及び金属結晶に由来するピークが認められなければ、特に好ましい。
In addition, the carbon-based
尚、回折強度曲線のピークの強度を評価するにあたり、回折強度曲線のベースラインは、Shirley法によって決定される。このベースラインを基準にして、回折強度曲線のピーク強度が決定される。 In evaluating the intensity of the peak of the diffraction intensity curve, the baseline of the diffraction intensity curve is determined by the Shirley method. Based on this baseline, the peak intensity of the diffraction intensity curve is determined.
尚、本形態に係る炭素系材料1のX線回折測定をおこなう場合、測定の対象となるのは炭素系材料1のみであり、炭素系材料1に混入している物質や、炭素系材料1に付着している物質などのように、炭素系材料1とは独立して存在している物質は、測定の対象からは除外される。このため、炭素系材料1のX線回折測定にあたっては、予め酸性水溶液により炭素系材料1を洗浄するなどして、炭素系材料1とは独立して存在している物質の混入量を充分に低減しておく必要がある。酸洗浄にあたっては、例えば炭素系材料1を、2M硫酸中に入れて、80℃で3時間、撹拌する。
In addition, when performing X-ray diffraction measurement of the
また、本形態に係る炭素系材料1をCuKα線を用いてX線回折測定することで得られる回折強度曲線における、(002)面のピークの強度の、黒鉛(例えばパナソニック株式会社製、PGSグラファイトシート、17μm厚)をCuKα線を用いてX線回折測定することで得られる回折強度曲線における、(002)面のピークの強度に対する比の値が、0.05〜0.5の範囲内であることが好ましい。
Further, graphite (for example, PGS graphite manufactured by Panasonic Corporation) having a peak intensity on the (002) plane in a diffraction intensity curve obtained by X-ray diffraction measurement of the carbon-based
尚、炭素系材料1及び黒鉛についての回折強度曲線における、(002)面のピークは、2θが26°付近の位置に現れる。θは、X線回折測定時の、サンプルに対するX線の入射角を示す。また、回折強度曲線のベースラインは、Shirley法によって決定され、このベースラインを基準にして、回折強度曲線のピーク強度が決定される。
In the diffraction intensity curves for the
本形態に係る炭素系材料1は、上記の通り電極触媒として用いられる場合に、優れた触媒性能を発揮し、特に酸素還元触媒として用いられる場合又は酸素発生触媒として用いられる場合に、優れた触媒性能を発揮する。
The
次に、第一の形態に係る炭素系材料1の製造方法について、説明する。
Next, the manufacturing method of the
本製造方法は、窒素原子、ホウ素原子、硫黄原子、及びリン原子から選択される一種以上の原子を含む非金属原子を有する非金属化合物と、金属化合物とを、無定形炭素製のシート材2に付着させる工程と、非金属化合物、金属化合物及びシート材2を、800℃以上1000℃以下の範囲内の温度で、45秒以上600秒未満の範囲内の時間、加熱する工程とを含む。
In this production method, a nonmetallic compound having a nonmetallic atom containing one or more atoms selected from a nitrogen atom, a boron atom, a sulfur atom, and a phosphorus atom, and a metal compound are converted into an amorphous
シート材2は、例えば無定形炭素製の織布又は不織布である。また、シート材2は、例えば多孔質である。
The
本製造方法によって、高い触媒活性を有する炭素系材料1が得られる。更に、炭素系材料1を得るための炭素源原料として、入手容易な無定形炭素製のシート材2を使用するために、炭素系材料1を容易に得ることができる。更に、シート状の炭素系材料1が得られるため、この炭素系材料1を電極6を構成する部材として使用することで、バインダを要することなく電極触媒として容易に使用することができる。
By this production method, the carbon-based
本製造方法では、非金属化合物、金属化合物及び無定形炭素製のシート材2が高温で短時間加熱されることで、これらが加熱される過程で金属原子がシート材2にドープされずに不活性金属化合物や金属結晶が生成してしまうことが、抑制され、そのために炭素系材料1の触媒活性が高くなるものと、考えられる。すなわち、炭素系材料1中に不活性金属化合物及び金属結晶が存在せず、或いはこれらの量が少なくなるため、炭素系材料1の触媒活性が不活性金属化合物及び金属結晶によって阻害されることが、抑制されるものと考えられる。
In this production method, the
また、非金属化合物、金属化合物及び無定形炭素製のシート材2が高温で短時間加熱されると、炭素系材料1に一旦ドープされた金属原子が脱離しにくくなる。このため金属原子が脱離してそのまま凝集したり、この金属原子が炭素原子等と結合して凝集したりすることが抑制されると考えられる。このことも、不活性金属化合物及び金属結晶の生成が抑制されることの一因であると、考えられる。また、このように炭素系材料1からの金属原子の脱離が抑制されると、炭素系材料1の表層に充分な量の金属原子が分布する。このことも、炭素系材料1の触媒活性が高くなることの一因であると考えられる。
Moreover, when the nonmetallic compound, the metallic compound, and the
本形態に係る炭素系材料1の製造方法について、更に具体的に説明する。
The manufacturing method of the
本製造方法では、無定形炭素製のシート材2を用意する。このシート材2は、上述の通り、多孔質であることが好ましい。このようなシート材2は、例えば無定形炭素製の織布又は不織布である。シート材2の寸法は特に制限されず、例えばこのシート材2が微小な寸法を有してもよい。このシート材2をCuKα線を用いてX線回折測定することで得られる回折強度曲線における、(002)面のピークの強度の、黒鉛(例えばパナソニック株式会社製、PGSグラファイトシート、17μm厚)をCuKα線を用いてX線回折測定することで得られる回折強度曲線における、(002)面のピークの強度に対する比の値が、0.05〜0.5の範囲内であることが好ましい。
In this manufacturing method, a
金属化合物は、無定形炭素製のシート材2にドープされる得る金属原子を有する適宜の化合物を含有することができる。例えば金属化合物は、金属の塩化物塩、硝酸塩、硫酸塩、臭化物塩、よう化物塩、フッ化物塩などのような無機金属塩;酢酸塩などの有機金属塩;無機金属塩の水和物;及び有機金属塩の水和物から選ばれる、一種以上の化合物を含有することができる。また、例えばシート材2に鉄原子がドープされる場合には、金属化合物が、塩化鉄(III)を含有することが好ましい。また、シート材2にコバルト原子がドープされる場合には、金属化合物が塩化コバルトを含有することが好ましい。また、シート材2にマンガン原子がドープされる場合には、金属化合物が酢酸マンガンを含有することが好ましい。
The metal compound can contain an appropriate compound having a metal atom that can be doped into the
金属化合物の使用量は、シート材2への金属原子のドープ量に応じて適宜設定される。例えば金属化合物の使用量は、シート材2に対する金属化合物中の金属原子の割合が5〜30質量%となるように決定されることが好ましく、更にこの割合が5〜20質量%の範囲となるように決定されることが好ましい。
The amount of the metal compound used is appropriately set according to the amount of metal atoms doped into the
非金属化合物は、上記の通り、窒素原子、ホウ素原子、硫黄原子及びリン原子から選択される一種以上の原子を含む非金属原子を有する。非金属化合物は、例えばペンタエチレンヘキサミン、エチレンジアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、エチレンジアミン、オクチルボロン酸、1,2−ビス(ジエチルホスフィリエタン)、亜リン酸トリフェニル及びベンジルジサルフィドからなる群から選択される一種以上の化合物を含有することができる。 As described above, the nonmetallic compound has a nonmetallic atom containing one or more atoms selected from a nitrogen atom, a boron atom, a sulfur atom, and a phosphorus atom. Nonmetallic compounds include, for example, pentaethylenehexamine, ethylenediamine, tetraethylenepentamine, triethylenetetramine, ethylenediamine, octylboronic acid, 1,2-bis (diethylphosphirietan), triphenyl phosphite and benzyl disulfide. One or more compounds selected from the group consisting of:
特に非金属化合物が、シート材2にドープされる金属原子と反応して錯体を形成可能な化合物を含有することが好ましい。特に、非金属化合物が、金属原子と反応して錯体を形成可能な化合物として、ペンタエチレンヘキサミン、エチレンジアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、及びエチレンジアミンからなる群から選択される一種以上の化合物を含有することが好まし。この場合、炭素系材料1の触媒活性が特に高くなる。その理由は、次の通りであると推察される。金属原子と反応して錯体を形成可能な化合物が用いられると、金属原子と非金属原子とがシート材2にドープされる過程において、金属化合物に由来する金属原子と非金属化合物とが一時的に錯体を形成してから、金属原子と非金属原子とがシート材2にドープされやすくなると考えられる。その結果、炭素系材料1中では、金属原子と非金属原子が配位結合すると、考えられる。ここで、炭素系材料1の触媒活性は、炭素系材料1中における非金属原子と金属原子とが近接している位置で発現すると考えられる。このために、金属原子と反応して錯体を形成可能な非金属化合物が用いられることで、炭素系材料1の触媒活性が更に向上すると、考えられる。ここで、炭素系材料1の触媒活性は、炭素系材料1中における非金属原子と金属原子とが近接している位置で発現すると考えられる。このために、金属原子と反応して錯体を形成可能な非金属化合物が用いられることで、炭素系材料1の触媒活性が更に向上すると、考えられる。
In particular, it is preferable that the nonmetallic compound contains a compound that can react with a metal atom doped in the
尚、上記の通り、炭素系材料1のサイクリックボルタンメトリーによる測定結果によると、酸化還元電位は、炭素系材料1にドープされている非金属原子の種類に応じてシフトする。この酸化還元電位のシフトは、金属原子と非金属原子とが配位結合することで、金属原子の電子状態が変化するためであると考えられる。換言すれば、炭素系材料1の酸化還元電位がシフトしている場合には、この炭素系材料1にドープされている金属原子と非金属原子とが配位結合していると評価できる。
Note that, as described above, according to the measurement result of the carbon-based
また、非金属化合物の分子量は、800以下であることが好ましい。この場合、非金属化合物に由来する非金属原子が、シート材2に容易にドープされる。これは、非金属化合物の分子量が小さいために、非金属化合物が短時間で熱分解して非金属原子が生成し、そのため、非金属原子が速やかにシート材2にドープされるからであると、考えられる。
The molecular weight of the nonmetallic compound is preferably 800 or less. In this case, the nonmetallic atom derived from the nonmetallic compound is easily doped into the
非金属化合物の使用量は、シート材2への非金属原子のドープ量に応じて適宜設定される。例えば非金属化合物の使用量は、金属化合物中の金属原子と、非金属化合物中の非金属原子とのモル比が、1:1〜1:2の範囲となるように決定されることが好ましく、更にこのモル比が1:1.5〜1:1.8の範囲となるように決定されることが好ましい。
The amount of the nonmetallic compound used is appropriately set according to the amount of the nonmetallic atom doped into the
金属化合物と非金属化合物とは、例えば次のようにしてシート材2にドープさせられる。まず金属化合物と非金属化合物とを含有する溶液を調製する。この溶液を、80℃のホットプレート上にのせたシート材2の上に滴下してから、加熱する。これにより、金属化合物と非金属化合物とがシート材2に付着する。
The metal compound and the nonmetal compound are doped into the
次に、金属化合物、非金属化合物及びシート材2を加熱する。この加熱は、適宜の手法でなされる。例えば、還元性雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下において、金属化合物、非金属化合物及びシート材2を加熱することができる。これにより、シート材2に金属原子及び非金属原子がドープされる。この加熱処理時の加熱温度は800℃以上1000℃以下の範囲内であり、加熱時間は45秒以上600秒未満の範囲内である。このように加熱時間が短時間であるため、炭素系材料1が効率良く製造され、しかも炭素系材料1の触媒活性が更に高くなる。
Next, the metal compound, the nonmetal compound, and the
この加熱処理にあたって、金属化合物、非金属化合物及びシート材2を加熱温度まで昇温させる際の昇温速度は、50℃/s以上であることが好ましい。このように金属化合物、非金属化合物及びシート材2が急速加熱されると、炭素系材料1の触媒活性が更に高くなる。これは、炭素系材料1中の不活性金属化合物及び金属結晶の量が更に低減するためであると考えられる。
In this heat treatment, it is preferable that the temperature increase rate when the metal compound, the nonmetal compound, and the
この炭素系材料1に対して、更に酸洗浄を施してもよい。酸洗浄にあたっては、例えば炭素系材料1を、2M硫酸中に入れて、80℃で3時間撹拌する。このような酸洗浄がなされると、炭素系材料1が触媒として適用される場合の過電圧には、酸洗浄が施されない場合と比べて大きな変化はみられないが、炭素系材料1からの金属成分の溶出が抑えられる。
The carbon-based
このような製造方法により、不活性金属化合物及び金属結晶の含有量が著しく低く、且つ導電性の高い炭素系材料1が得られる。
By such a production method, the carbon-based
次に、本実施形態に係る炭素系材料1の、第二の形態について説明する。本形態に係る炭素系材料1は、非金属原子と金属原子とを有する炭素化合物を含有する活性層3を備える。
Next, the 2nd form of the
炭素化合物は、例えば有機金属錯体と、非金属原子と金属原子とを有するポリマー錯体とのうち、少なくとも一方を含有する。有機金属錯体の具体例としては、コバルトポルフィリン錯体及び鉄ポルフィリン錯体が挙げられる。また、ポリマー錯体の具体例としては、Poly(bis-2,6-diaminopyridinesulfoxide)及びコバルトポリピロールが挙げられる。 The carbon compound contains at least one of, for example, an organometallic complex and a polymer complex having a nonmetallic atom and a metal atom. Specific examples of the organometallic complex include a cobalt porphyrin complex and an iron porphyrin complex. Specific examples of the polymer complex include Poly (bis-2,6-diaminopyridinesulfoxide) and cobalt polypyrrole.
本形態に係る炭素系材料1を製造するにあたっては、例えばまず炭素化合物を含有するコーティング剤を調製し、このコーティング剤を、無定形炭素製のシート材2に塗布する。これにより、シート材2上に、炭素化合物を含有する活性層3が形成される。また、コーティング剤を、シート材2に塗布してから、このコーティング剤を加熱して焼成してもよい。この場合の加熱温度は700〜1000℃の範囲内、加熱時間は1〜3時間の範囲内であることが好ましい。これにより、シート材2上に、炭素化合物の焼成物から成る活性層3が形成される。これにより、最外層に活性層3を備えるシート状の炭素系材料1が得られる。
In producing the carbon-based
本実施形態に係る炭素系材料1は、高い触媒活性を有すると共に高い導電性を有することから、特に、電気化学的手法により電極6上で化学反応を進行させるために使用される触媒(すなわち、電極触媒)として好適である。更に、電極6上で酸素還元反応を進行させるために使用される触媒(すなわち、酸素還元電極触媒)として好適であり、或いは電極6上で酸素発生反応を進行させるために使用される触媒(すなわち、酸素発生電極触媒)として好適である。また、気相中の酸素を還元させるためなどに用いられるガス拡散電極に適用される触媒として、特に好適である。
Since the
本実施形態に係る炭素系材料1を含む電極触媒及び本実施形態に係る炭素系材料1を備える電極6について説明する。
The electrode catalyst including the carbon-based
本実施形態に係る電極触媒は、炭素系材料1を含む。この電極触媒は、炭素系材料1が高い触媒活性を発揮するため、優れた性能を有する。また、この電極触媒を、バインダを要することなく電極6に容易に適用することができる。この電極触媒は、特に酸素還元電極触媒又は酸素発生電極触媒として好適である。
The electrode catalyst according to this embodiment includes a carbon-based
本実施形態に係る電極6は、炭素系材料1を備える。この場合、炭素系材料1が電極触媒として優れた性能を有するため、電極6も優れた性能を有する。また、炭素系材料1を、バインダを要することなく電極6に容易に適用することができるため、電極6が容易に得られる。この電極6は、特に酸素還元電極又は酸素発生電極として好適である。
The
本実施形態に係る電極6は、ガス拡散電極として構成されてもよい。特に炭素系材料1が多孔質であれば、炭素系材料1が電極触媒とガス拡散層とを兼ねることができる。
The
本実施形態に係る電極6は、撥水層7を備えてもよい。特に電極6がガス拡散電極として構成されている場合に、電極6が撥水層7を備えることが好ましい。この場合、電解液が電極6を透過することを、撥水層7が妨げることができる。また、撥水層7が、電極6の耐久性を向上することができる。
The
撥水層7は、多孔質であることが好ましい。この場合、撥水層7が、電解液が電極6を透過することを妨げると共に、気体が電極6を透過することを許容することができる。このため、電極6が、特にガス拡散電極として優れた性能を有する。
The
本実施形態に係る電極6について、更に詳しく説明する。
The
電極6がガス拡散電極として構成される場合、電極6は、炭素系材料1からなるガス拡散層を備える。電極6は、必要に応じ、さらに支持体を備え、この支持体に炭素系材料1が支持されていてもよい。また、電極6は、炭素系材料1のみから構成されてもよい。この炭素系材料1には、炭素系材料1とは別に触媒が固定される必要はない。
When the
支持体は、それ自身が剛性を有し、電極6に一定の形状を付与することのできる部材をいう。支持体の材質は、電極6が一定の形状を保持できる程度の剛性を有していれば、特に制限されない。また、支持体は絶縁体であっても導電体であってもよい。支持体が絶縁体である場合、支持体は、例えばガラス、プラスチック、合成ゴム、セラミックス、耐水若しくは撥水処理が施された紙及び植物片(例えば、木片を含む)、並びに動物片(例えば、骨片、貝殻、スポンジを含む)から選択される一種以上の材料から作製される。支持体が多孔質であると、支持体における炭素系材料1と接触し得る面の面積が大きくなるため、電極6の質量活性が増大する。多孔質な支持体は、例えば、多孔質セラミック、多孔質プラスチック、及び動物片からなる群から選択される一種以上の材料から作製される。また、支持体が導電体である場合、支持体は、例えば炭素系物質(例えば、カーボンペーパー、カーボンファイバ、炭素棒を含む)、金属、及び導電性ポリマーからなる群から選択される一種以上の材料から作製される。支持体が導電体の場合には、例えば炭素系材料1を担持した担体が支持体の表面上に配置されると、支持体が集電体を兼ねることができる。
The support is a member that itself has rigidity and can give the electrode 6 a certain shape. The material of the support is not particularly limited as long as the
電極6が支持体を備える場合、通常、支持体の形状が電極6の形状を反映する。支持体の形状は、電極6の機能を果たすことができる形状であれば、特に限定されず、燃料電池等の形状等に応じて適宜定めればよい。支持体の形状の例としては、(略)平板状(薄層状を含む)、(略)柱状、(略)球状、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
When the
電極6が炭素系材料1のみから構成される場合、例えば図1に示される炭素系材料1が、電極6(61)を構成することができる。炭素系材料1は、電極触媒とガス拡散層とを兼ねており、電極61はガス拡散電極として構成されている。
When the
電極6が、炭素系材料1とは別に、粒子状等の電極触媒を更に備えてもよい。この場合、電極6上での電気化学反応の反応活性が更に向上する。粒子状の電極触媒は、例えば導電性バインダによって炭素系材料1に固定される。粒子状の電極触媒に、特に制限はない。
In addition to the carbon-based
電極6は、撥水層7を備えてもよい。特にガス拡散電極として構成される電極6が撥水層7を備えると、撥水層7が電解液の透過を阻害することができる。このため、撥水層7が、電極6を含む電気化学系中の気相と液相とを良好に分離することができる。撥水層7は、ガス拡散層を構成する炭素系材料1に対して気相側に位置することが好ましい。
The
図2に、撥水層7を備える電極6(62)の一例を示す。この電極62は、図1に示す炭素系材料1と撥水層7とで構成される。この電極62では、撥水層7は、炭素系材料1の外部に設けられ、且つ炭素系材料1に接するように重ねられている。尚、炭素系材料1の外部に撥水層7が形成される場合、撥水層7と炭素系材料1とは接していなくてもよいが、撥水層7と炭素系材料1との距離は近いほど好ましい。また、撥水層7は、炭素系材料1が多孔質である場合にこの炭素系材料1の内部に形成されていてもよい。また、撥水層7が、炭素系材料1の内部と外部の両方に形成されていてもよい。
In FIG. 2, an example of the electrode 6 (62) provided with the
撥水層7は多孔質であることが好ましい。この場合、撥水層7は、撥水性と高い気体透過性とを共に有する。このため、撥水層7は、電極62を含む電気化学系中の気相と液相とを良好に分離しながら、気相から液相へ向かう気体の移動を許容することができる。
The
撥水層7は、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ジメチルポリシロキサン(PDMS)、ポリエチレン(PE)及びポリプロピレン(PP)からなる群から選択される一種以上の材料から作製される。
The
本実施形態に係る電極6を具備する電気化学装置について、説明する。炭素系材料1を備える電極6は、種々の電気化学装置におけるアノード、カソードのいずれにも適用されることができる。電気化学装置の具体例として、燃料電池、水の電気分解装置、二酸化炭素透過装置、食塩電解装置、金属空気電池(金属リチウム空気電池)等が、挙げられる。例えば電極6は、二酸化炭素透過装置、食塩電解装置等におけるカソードへの適用が可能である。
An electrochemical device including the
炭素系材料1が酸素還元電極触媒として働く場合、炭素系材料1を備える電極6は、例えば燃料電池におけるカソード、二酸化炭素透過装置におけるカソード、食塩電解装置におけるカソード等に、適用される。また、炭素系材料1が酸素発生電極触媒として働く場合、炭素系材料1を備える電極6は、例えば水の電気分解装置におけるアノード、金属空気電池におけるアノード等に、適用される。
When the carbon-based
本実施形態に係る電極6を具備する燃料電池について、説明する。本明細書でいう燃料電池は、固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)及びリン酸型燃料電池(PAFC:Phosphoric Acid Fuel Cell)のような水素燃料電池、並びに微生物燃料電池(MFC:Microbial Fuel Cell)を含む。
A fuel cell including the
水素燃料電池は、水の電気分解の逆動作に基づいて水素と酸素から電気エネルギーを得る燃料電池であり、PEFC、PAFC、アルカリ型燃料電池(AFC; Alcaline Fuell Cell)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC;Molten Cabonate Fuell Cell)、固体電解質型燃料電池(SOFC; Solid Oxide Fuell Cell)等が知られている。本実施形態による燃料電池は、PEFC又はPAFCであることが好ましい。PEFCはプロトン伝導性イオン交換膜を、またPAFCはマトリクス層に含侵されたリン酸(H3PO4)を、それぞれ電解質材とする燃料電池である。 A hydrogen fuel cell is a fuel cell that obtains electric energy from hydrogen and oxygen based on the reverse operation of water electrolysis, and is a PEFC, PAFC, alkaline fuel cell (AFC), molten carbonate fuel cell. (MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), solid oxide fuel cell (SOFC), and the like are known. The fuel cell according to the present embodiment is preferably PEFC or PAFC. PEFC is a proton conductive ion exchange membrane, and PAFC is a fuel cell using phosphoric acid (H 3 PO 4 ) impregnated in a matrix layer as an electrolyte material.
本実施形態に係る電極6を備える燃料電池は、水素燃料電池、MFC等に、好適に適用され得る。燃料電池は、炭素系材料1を含む電極触媒を備えるガス拡散電極を備えること以外は、各燃料電池で公知の構成を有していればよい。例えば、燃料電池は、「燃料電池の技術」,電気学会燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編,オーム社,H17や、Watanabe, K., J. Biosci. Bioeng., 2008,. 106:528-536に記載の構成を有することができる。
The fuel cell including the
燃料電池において、本実施形態に係る電極6は、アノード(燃料極)、カソード(空気極)のいずれにも適用されうる。水素燃料電池において、本実施形態に係る電極6がアノードである場合、炭素系材料1が、燃料である水素ガスのH2→2H++2e-の反応を触媒して、アノードに電子を供与する。本実施形態に係る電極6がカソードである場合、炭素系材料1は酸化剤である酸素ガスの1/2O2+2H++2e-→H2Oの反応を触媒する。一方、MFCにおいて、アノードが電子供与微生物から直接電子を受容するため、本実施形態によるガス拡散電極は、主として水素燃料電池と同じ電極6反応を起こすカソードとして用いられる。
In the fuel cell, the
[実施例1]
0.1M塩化鉄(III)エタノール溶液に、0.15Mとなるようにペンタエチレンヘキサミンを加えることで、混合液を調製した。0.1M塩化鉄(III)エタノール溶液の使用量は、無定形炭素繊維のシート材に対する鉄原子の割合が15質量%になるように調製した。
[Example 1]
A mixed solution was prepared by adding pentaethylenehexamine to a 0.1 M iron (III) chloride ethanol solution so as to be 0.15 M. The amount of 0.1 M iron (III) chloride ethanol solution used was adjusted so that the ratio of iron atoms to the amorphous carbon fiber sheet material was 15% by mass.
ホットプレートの加熱温度を80℃に設定し、このホットプレート上に、平面視5cm×5cmの無定形炭素製のシート材(不織布、大阪ガスケミカル株式会社製、品名 ドナカーボフェルト LFP−105)を配置した。この状態で、シート材上に混合液を滴下し、加熱乾燥させた。これにより、シート材、塩化鉄、及びペンタエチレンヘキサミンを含有するサンプルを得た。 The heating temperature of the hot plate was set to 80 ° C., and an amorphous carbon sheet material (non-woven fabric, manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd., product name Donakabo Felt LFP-105) having a plan view of 5 cm × 5 cm was placed on the hot plate. Arranged. In this state, the mixed solution was dropped on the sheet material and dried by heating. This obtained the sample containing a sheet material, iron chloride, and pentaethylenehexamine.
このサンプルを、石英管の一端部内に詰め入れ、続いてこの石英管内をアルゴンで置換した。この石英管を、900℃の炉に入れてから45秒で引き抜いた。石英管を炉に挿入する際には、石英管を炉に3秒間かけて挿入することで、加熱開始時のサンプルの昇温速度を300℃/sに調整した。続いて、石英管内にアルゴンガスを流通させることでサンプルを冷却させた。これにより、シート状の炭素系材料を得た。 This sample was packed in one end of a quartz tube, and then the inside of the quartz tube was replaced with argon. The quartz tube was pulled out 45 seconds after being placed in a furnace at 900 ° C. When the quartz tube was inserted into the furnace, the quartz tube was inserted into the furnace over 3 seconds to adjust the rate of temperature rise of the sample at the start of heating to 300 ° C./s. Subsequently, the sample was cooled by flowing argon gas through the quartz tube. Thereby, a sheet-like carbon-based material was obtained.
この炭素系材料を、2M硫酸中に入れて、80℃で3時間撹拌することで、酸洗浄した。続いて、炭素系材料を純水で充分にすすいでから、大気中で乾燥させた。 This carbon-based material was placed in 2M sulfuric acid and stirred at 80 ° C. for 3 hours for acid cleaning. Subsequently, the carbonaceous material was sufficiently rinsed with pure water and then dried in the air.
[実施例2]
実施例1において、0.1M塩化鉄(III)エタノール溶液の代わりに0.1M塩化コバルト(II)エタノール溶液を使用した。0.1M塩化コバルト(II)エタノール溶液の使用量は、無定形炭素繊維のシート材に対するコバルト原子の割合が20質量%になるように調製した。
[Example 2]
In Example 1, a 0.1 M cobalt (II) chloride ethanol solution was used instead of the 0.1 M iron (III) chloride ethanol solution. The amount of the 0.1M cobalt (II) chloride ethanol solution used was adjusted so that the proportion of cobalt atoms with respect to the amorphous carbon fiber sheet material was 20% by mass.
それ以外は、実施例1と同じ方法及び同じ条件で、炭素系材料を得た。 Otherwise, a carbon-based material was obtained in the same manner and under the same conditions as in Example 1.
[XPS測定]
実施例1,2で得られた炭素系材料のXPS測定を、光源としてAlの特性X線を使用し、3×10-8Paの真空条件下でおこなった。測定の際には、炭素系材料をIn箔上に押圧することで固定した。その結果、いずれの実施例においても、炭素原子に対する金属原子の比の値は0.01未満であり、かつ炭素原子に対する非金属原子の比の値は0.05未満であった。
[XPS measurement]
The XPS measurement of the carbon-based materials obtained in Examples 1 and 2 was performed under a vacuum condition of 3 × 10 −8 Pa using Al characteristic X-rays as a light source. In the measurement, the carbon-based material was fixed by pressing on the In foil. As a result, in any of the Examples, the value of the ratio of metal atoms to carbon atoms was less than 0.01, and the value of the ratio of nonmetal atoms to carbon atoms was less than 0.05.
[X線回折測定]
実施例1,2で得られた炭素系材料を酸洗浄した。この炭素系材料の、CuKα線を用いるX線回折測定をおこなった。
[X-ray diffraction measurement]
The carbon-based materials obtained in Examples 1 and 2 were acid washed. X-ray diffraction measurement using CuKα rays of this carbon-based material was performed.
その結果、いずれの実施例においても、回折強度曲線における、(002)面のピークの強度に対する、不純物を示すピークの比率は、0.1以下であった。 As a result, in any example, the ratio of the peak indicating the impurity to the intensity of the (002) plane peak in the diffraction intensity curve was 0.1 or less.
[酸素還元活性評価]
実施例1及び実施例2の各々で得られた炭素系材料に電気配線を接続し、この炭素系材料を作用電極とした。この作用電極を用い、電解液として1Mトリス塩酸塩水溶液を用いて、掃引速度5mV/sの条件で、電解液を酸素ガスでバブリングしながらボルタンメトリーをおこなった。その結果得られたボルタモグラムを図3及び図4に、それぞれ示す。
[Oxygen reduction activity evaluation]
Electrical wiring was connected to the carbon-based material obtained in each of Example 1 and Example 2, and this carbon-based material was used as a working electrode. Using this working electrode, voltammetry was performed while bubbling the electrolyte solution with oxygen gas under the condition of a sweep rate of 5 mV / s using a 1M tris hydrochloride aqueous solution as the electrolyte solution. The resulting voltammograms are shown in FIGS. 3 and 4, respectively.
このボルタモグラムによれば、実施例1では電極電位0.8V(vs.RHE)付近から酸素還元反応が進行することが認められる。また、実施例2では電極電位0.75V(vs.RHE)付近から酸素還元反応が進行することが認められる。これらは、いずれも非白金系の酸素還元触媒としは最高水準にある。 According to this voltammogram, in Example 1, it is recognized that the oxygen reduction reaction proceeds from around the electrode potential of 0.8 V (vs. RHE). In Example 2, it is recognized that the oxygen reduction reaction proceeds from around the electrode potential of 0.75 V (vs. RHE). These are all at the highest level for non-platinum oxygen reduction catalysts.
[ガス拡散電極としての酸素還元活性評価]
実施例1で得られた炭素系材料に、多孔質ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製シートを重ね、この多孔質PTFE製シートを加熱することで炭素系材料に融着した。これにより、ガス拡散層であり且つ電極触媒でもある炭素系材料と、撥水層とを備える、電極(ガス拡散電極)を得た。
[Evaluation of oxygen reduction activity as a gas diffusion electrode]
A porous polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet was stacked on the carbon-based material obtained in Example 1, and the porous PTFE sheet was heated to be fused to the carbon-based material. As a result, an electrode (gas diffusion electrode) including a carbon-based material that is both a gas diffusion layer and an electrode catalyst and a water-repellent layer was obtained.
この電極における炭素系材料に電気配線を接続し、この電極を作用電極とした。この作用電極を用い、電解液として1Mトリス塩酸塩水溶液を用いて、この電解液を窒素ガスでバブリングしながら、掃引速度5mV/sの条件でボルタンメトリーをおこなった。尚、測定に際しては、炭素系材料が電解液に浸漬し、且つ撥水層が大気に露出するように、電極を配置した。その結果得られたボルタモグラムを図5に示す。 Electrical wiring was connected to the carbonaceous material in this electrode, and this electrode was used as a working electrode. Using this working electrode, a 1M tris hydrochloride aqueous solution was used as an electrolytic solution, and voltammetry was performed under a condition of a sweep rate of 5 mV / s while bubbling this electrolytic solution with nitrogen gas. In the measurement, the electrodes were arranged so that the carbon-based material was immersed in the electrolytic solution and the water repellent layer was exposed to the atmosphere. The resulting voltammogram is shown in FIG.
このボルタモグラムによれば、電極電位0.8V(vs.RHE)付近から酸素還元反応が進行することが認められる。従って、大気中の酸素が、撥水層を通過して炭素系材料上で反応していること、すなわち電極がガス拡散電極として機能していることが、確認できた。この電極の性能は、非白金系の酸素還元ガス拡散電極としては最高水準にある。 According to this voltammogram, it is recognized that the oxygen reduction reaction proceeds from around the electrode potential of 0.8 V (vs. RHE). Therefore, it was confirmed that oxygen in the atmosphere reacted on the carbon-based material through the water-repellent layer, that is, the electrode was functioning as a gas diffusion electrode. The performance of this electrode is at the highest level as a non-platinum-based oxygen reducing gas diffusion electrode.
1 炭素系材料
2 シート材
3 活性層
6 電極
1
Claims (22)
無定形炭素製のシート材と、
窒素原子、ホウ素原子、硫黄原子及びリン原子から選択される一種以上の原子を含有する非金属原子並びに金属原子を含有する活性層とを備える炭素系材料。 Having a sheet-like shape,
Amorphous carbon sheet material,
A carbonaceous material provided with the active layer containing a nonmetallic atom containing a 1 type or more atom selected from a nitrogen atom, a boron atom, a sulfur atom, and a phosphorus atom, and a metal atom.
前記非金属化合物、前記金属化合物及び前記シート材を、800℃以上1000℃以下の範囲内の温度で、45秒以上600秒未満の範囲内の時間、加熱する工程とを含む炭素系材料の製造方法。 A nonmetallic compound having a nonmetallic atom including one or more atoms selected from the group consisting of a nitrogen atom, a boron atom, a sulfur atom, and a phosphorus atom, and a metal compound are attached to an amorphous carbon sheet material. Process,
Heating the nonmetallic compound, the metal compound and the sheet material at a temperature in the range of 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower for a time in the range of 45 seconds or more and less than 600 seconds. Method.
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