JP2016102037A - Method for producing nitrogen-containing carbon alloy, nitrogen-containing carbon alloy, and fuel cell catalyst - Google Patents

Method for producing nitrogen-containing carbon alloy, nitrogen-containing carbon alloy, and fuel cell catalyst Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitrogen-containing carbon alloy having high oxygen reduction reaction activity, a method for producing the same, and a fuel cell catalyst.SOLUTION: A catalyst is obtained by burning a precursor that comprises: a nitrogen-containing organic compound represented by formula (1), its tautomer, salt and hydrate; one of a covalent bonding organic skeleton material and a metal organic skeleton material; and one of an inorganic metal salt and an organic metal complex, with the precursor having its specific volume of 4 cm/g or more.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、含窒素カーボンアロイの製造方法、含窒素カーボンアロイ及び燃料電池触媒に関する。具体的には、本発明は、含窒素有機化合物と、共有結合性有機骨格材料又は金属有機骨格材料と、無機金属塩又は有機金属錯体とを含む前駆体を焼成する工程を含む含窒素カーボンアロイの製造方法に関する。さらに、本発明は、含窒素カーボンアロイ及び含窒素カーボンアロイを用いた燃料電池触媒に関する。   The present invention relates to a method for producing a nitrogen-containing carbon alloy, a nitrogen-containing carbon alloy, and a fuel cell catalyst. Specifically, the present invention relates to a nitrogen-containing carbon alloy including a step of firing a precursor containing a nitrogen-containing organic compound, a covalently bonded organic skeleton material or metal organic skeleton material, and an inorganic metal salt or organometallic complex. It relates to the manufacturing method. Furthermore, the present invention relates to a nitrogen-containing carbon alloy and a fuel cell catalyst using the nitrogen-containing carbon alloy.

従来、白金(Pt)やパラジウム(Pd)等を用いる貴金属系触媒は、高い酸素還元反応活性を有する触媒として、例えば自動車や家庭用電熱併給システム等に使用される固体高分子電解質型燃料電池に用いられてきた。しかし、このような貴金属系触媒は高コストであるため、さらなる普及が難しくなっているのが現状である。このため、白金を大幅に低減した触媒や、白金を使用することなく形成された触媒の技術開発が進められている。   Conventionally, noble metal-based catalysts using platinum (Pt), palladium (Pd), etc. have high oxygen reduction reaction activity, for example, in solid polymer electrolyte fuel cells used in automobiles, household electric heat supply systems, etc. Has been used. However, since such noble metal-based catalysts are expensive, it is difficult to further spread them. For this reason, technological development of a catalyst in which platinum is greatly reduced or a catalyst formed without using platinum is being promoted.

白金を使用することなく形成され得る触媒としては、炭素触媒が知られており、含窒素有機化合物を熱処理することによって得られる含窒素カーボンアロイは炭素触媒として用いられている。例えば、特許文献1には、ポルフィリン錯体の含有物を変性処理させて得られる変性物(含窒素カーボンアロイ)が開示されている。ここでは、ポルフィリン錯体は、中心に金属元素を有しており、金属元素とポルフィリンは強固な配位結合で結合している。
しかし、金属元素を有する金属錯体は、精製が困難であり、含窒素金属錯体に熱を加えた際に、含窒素配位子の分解速度と配位金属錯体の気化速度の制御がしにくいため、目的とする含窒素カーボンアロイを製造することが困難である。このため、例えば、特許文献2及び3のように中心金属を有さない含窒素有機化合物を含む有機材料を用いて含窒素カーボンアロイを製造することが提案されている。
As a catalyst that can be formed without using platinum, a carbon catalyst is known, and a nitrogen-containing carbon alloy obtained by heat-treating a nitrogen-containing organic compound is used as a carbon catalyst. For example, Patent Document 1 discloses a modified product (nitrogen-containing carbon alloy) obtained by modifying a content of a porphyrin complex. Here, the porphyrin complex has a metal element in the center, and the metal element and the porphyrin are bonded by a strong coordinate bond.
However, metal complexes containing metal elements are difficult to purify, and it is difficult to control the decomposition rate of the nitrogen-containing ligand and the rate of vaporization of the coordination metal complex when heat is applied to the nitrogen-containing metal complex. It is difficult to produce the target nitrogen-containing carbon alloy. For this reason, for example, it has been proposed to produce a nitrogen-containing carbon alloy using an organic material containing a nitrogen-containing organic compound having no central metal as in Patent Documents 2 and 3.

また、特許文献4及び5には、含窒素複素環化合物、金属錯体及びMOF(Metal−Organic framworks)等の多孔性材料をボールミルで粉砕混合し、得られた混合物を焼成する含窒素カーボンアロイの製造方法が開示されている。なお、特許文献4では、含窒素複素環化合物としてTPTZ(2,4,6−トリ(2−ピリジル)−1,3,5−トリアジン)が用いられている。また、特許文献5では、含窒素複素環化合物として6−(2−ピリジル)−1,3,5−トリアジン−2,4−ジアミンが列挙されている。   Patent Documents 4 and 5 disclose a nitrogen-containing carbon alloy in which a porous material such as a nitrogen-containing heterocyclic compound, a metal complex, and MOF (Metal-Organic frameworks) is pulverized and mixed with a ball mill, and the resulting mixture is fired. A manufacturing method is disclosed. In Patent Document 4, TPTZ (2,4,6-tri (2-pyridyl) -1,3,5-triazine) is used as the nitrogen-containing heterocyclic compound. In Patent Document 5, 6- (2-pyridyl) -1,3,5-triazine-2,4-diamine is listed as a nitrogen-containing heterocyclic compound.

特開2012−110811号公報JP 2012-110811 A 特開2011−225431号公報JP 2011-225431-A 特開2014−196231号公報JP 2014-196231 A 特表2014−512251号公報Special table 2014-512251 gazette 米国特許公開US2011/0294658号公報US Patent Publication US2011 / 0294658

上述したように、含窒素有機化合物を含む含窒素カーボンアロイ触媒は、白金を用いなくとも触媒活性を発揮することができる。しかしながら、近年の燃料電池等の用途では、さらに高い酸素還元反応活性を有することが求められる場合がある。このため、より高い酸素還元反応活性を発揮できる含窒素カーボンアロイを製造することが求められている。
そこで本発明者は、より高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを製造することを目的として検討を進めた。
As described above, the nitrogen-containing carbon alloy catalyst containing a nitrogen-containing organic compound can exhibit catalytic activity without using platinum. However, in recent applications such as fuel cells, it may be required to have higher oxygen reduction reaction activity. For this reason, it is required to produce a nitrogen-containing carbon alloy that can exhibit higher oxygen reduction reaction activity.
Accordingly, the present inventor has proceeded with studies for the purpose of producing a nitrogen-containing carbon alloy having higher oxygen reduction reaction activity.

上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者は、特定の構造を有する含窒素有機化合物と、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種と、無機金属塩又は有機金属錯体から選択される少なくとも一種とを含む前駆体であって、比容積が4cm3/g以上の前駆体を焼成して、含窒素カーボンアロイを製造することにより、高い酸素還元反応活性能を有する含窒素カーボンアロイが得られることを見出した。
具体的に、本発明は、以下の構成を有する。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has a nitrogen-containing organic compound having a specific structure, at least one selected from a covalent organic skeleton material and a metal organic skeleton material, A precursor containing at least one selected from an inorganic metal salt or an organic metal complex and calcining a precursor having a specific volume of 4 cm 3 / g or more to produce a nitrogen-containing carbon alloy, thereby producing high oxygen It has been found that a nitrogen-containing carbon alloy having a reduction reaction activity ability can be obtained.
Specifically, the present invention has the following configuration.

[1]下記一般式(1)で表される含窒素有機化合物、含窒素有機化合物の互変異性体、含窒素有機化合物の塩及び含窒素有機化合物の水和物から選択される少なくとも一種と、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種と、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種とを含む前駆体を焼成する工程を含み、前駆体の比容積は4cm3/g以上である含窒素カーボンアロイの製造方法;

Figure 2016102037
一般式(1)中、L1〜L4は、それぞれ独立に連結基、単結合または二重結合を表し、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表し、L1〜L4の少なくとも1つは複素芳香族基を有する連結基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。
[2]一般式(1)で表される含窒素有機化合物は、下記一般式(2)で表される[1]に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法;
Figure 2016102037
一般式(2)中、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表し、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。
[3]一般式(1)で表される含窒素有機化合物は、下記一般式(3)で表される[1]に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法;
Figure 2016102037
一般式(3)中、R1〜R4は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表し、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表し、R1〜R4の少なくとも1つは複素芳香族基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。
[4]一般式(3)において、R1〜R4の少なくとも1つは複素芳香族基であり、かつ、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む[3]に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[5]含窒素有機化合物は、金属錯体を除くピリジルポルフィリン、および、金属錯体を除くピリジルポルフィリンの塩から選ばれる少なくとも1種である[1]に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[6]金属有機骨格材料は、ゼオライト型イミダゾール骨格材料である[1]〜[5]のいずれかに記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[7]有機金属錯体は、金属アセタート錯体またはβ―ジケトン金属錯体である[1]〜[6]のいずれかに記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[8]無機金属塩は、無機金属塩化物である[1]〜[7]のいずれかに記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[9]無機金属塩の金属種が、Feである[1]〜[8]のいずれかに記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[10]無機金属塩は、含水塩である[1]〜[9]のいずれかに記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[11]焼成する工程は、前駆体を400℃以上で焼成する工程である[1]〜[10]のいずれかに記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[12]焼成する工程は、前駆体を700〜1050℃で焼成する工程である[1]〜[11]のいずれかに記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[13]焼成する工程は、前駆体を700〜1050℃で1秒〜100時間保持する工程を含む[1]〜[12]のいずれかに記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[14]焼成する工程の前に、前駆体を粉砕する工程をさらに含む[1]〜[13]のいずれかに記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[15]焼成する工程の後に、焼成された含窒素カーボンアロイを粉砕する工程と、再焼成する工程とをさらに含む[1]〜[14]のいずれかに記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[16]再焼成する工程は、900〜1500℃で焼成する工程である[15]に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[17]再焼成する工程の前に、脱気及び窒素置換する工程をさらに含む[15]又は[16]に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。
[18][1]〜[17]のいずれかに記載の方法で製造された含窒素カーボンアロイ。
[19][18]に記載の含窒素カーボンアロイを用いた燃料電池触媒。 [1] At least one selected from nitrogen-containing organic compounds represented by the following general formula (1), tautomers of nitrogen-containing organic compounds, salts of nitrogen-containing organic compounds, and hydrates of nitrogen-containing organic compounds And calcining a precursor comprising at least one selected from a covalent organic skeleton material and a metal organic skeleton material and at least one selected from an inorganic metal salt and an organometallic complex, the specific volume of the precursor Is a method for producing a nitrogen-containing carbon alloy of 4 cm 3 / g or more;
Figure 2016102037
In the general formula (1), L 1 to L 4 each independently represent a linking group, a single bond or a double bond, Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure, and L 1 to L 4 At least one is a linking group having a heteroaromatic group, or at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring.
[2] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to [1], wherein the nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1) is represented by the following general formula (2);
Figure 2016102037
In General Formula (2), Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure, and at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring.
[3] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to [1], wherein the nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1) is represented by the following general formula (3);
Figure 2016102037
In General Formula (3), R 1 to R 4 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure, and at least one of R 1 to R 4 is or a heteroaromatic group, at least one of Z 1 to Z 4 comprises a heteroaromatic ring.
[4] In the general formula (3), at least one of R 1 to R 4 is a heteroaromatic group, and at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring. A method for producing a nitrogen-containing carbon alloy.
[5] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to [1], wherein the nitrogen-containing organic compound is at least one selected from pyridyl porphyrins excluding metal complexes and pyridyl porphyrin salts excluding metal complexes.
[6] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of [1] to [5], wherein the metal organic framework material is a zeolite type imidazole framework material.
[7] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of [1] to [6], wherein the organometallic complex is a metal acetate complex or a β-diketone metal complex.
[8] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of [1] to [7], wherein the inorganic metal salt is an inorganic metal chloride.
[9] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of [1] to [8], wherein the metal species of the inorganic metal salt is Fe.
[10] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of [1] to [9], wherein the inorganic metal salt is a hydrate salt.
[11] The step of firing is a method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of [1] to [10], which is a step of firing the precursor at 400 ° C. or higher.
[12] The step of firing is the method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of [1] to [11], which is a step of firing the precursor at 700 to 1050 ° C.
[13] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of [1] to [12], wherein the firing step includes a step of holding the precursor at 700 to 1050 ° C. for 1 second to 100 hours.
[14] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of [1] to [13], further including a step of pulverizing the precursor before the step of firing.
[15] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of [1] to [14], further comprising a step of pulverizing the baked nitrogen-containing carbon alloy and a step of re-baking after the step of calcination. .
[16] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to [15], wherein the re-baking step is a step of baking at 900 to 1500 ° C.
[17] The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to [15] or [16], further including a step of deaeration and nitrogen substitution before the step of refiring.
[18] A nitrogen-containing carbon alloy produced by the method according to any one of [1] to [17].
[19] A fuel cell catalyst using the nitrogen-containing carbon alloy according to [18].

本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法によれば、十分に高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを得ることができる。このため、本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法により得られた含窒素カーボンアロイは、炭素触媒として使用することができ、例えば、燃料電池触媒や環境触媒に好ましく用いられる。   According to the method for producing a nitrogen-containing carbon alloy of the present invention, a nitrogen-containing carbon alloy having a sufficiently high oxygen reduction reaction activity can be obtained. For this reason, the nitrogen-containing carbon alloy obtained by the manufacturing method of the nitrogen-containing carbon alloy of this invention can be used as a carbon catalyst, for example, is preferably used for a fuel cell catalyst or an environmental catalyst.

本発明の含窒素カーボンアロイを用いた燃料電池の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell using the nitrogen-containing carbon alloy of this invention. 本発明の含窒素カーボンアロイを用いた電気二重層キャパシタの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the electric double layer capacitor using the nitrogen-containing carbon alloy of this invention.

以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. The constituent elements described below may be described based on representative embodiments and specific examples, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

また、本発明における置換基とは、置換可能な基であればよく、例えばハロゲン原子(フッ素原子、クロル原子、臭素原子又は沃素原子)、ヒドロキシ基、シアノ基、脂肪族基(アラルキル基、シクロアルキル基、活性メチン基等を含む)、アリール基(置換する位置は問わない)、ヘテロ環基(置換する位置は問わない)、アシル基、脂肪族オキシ基(アルコキシ基又は、アルキレンオキシ基、エチレンオキシ基若しくはプロピレンオキシ基単位を繰り返し含む基を含む)、アリールオキシ基、ヘテロ環オキシ基、脂肪族カルボニル基、アリールカルボニル基、ヘテロ環カルボニル基、脂肪族オキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、ヘテロ環オキシカルボニル基、カルバモイル基、スルホニルカルバモイル基、アシルカルバモイル基、スルファモイルカルバモイル基、チオカルバモイル基、脂肪族カルボニルオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、ヘテロ環カルボニルオキシ基、アミノ基、脂肪族アミノ基、アリールアミノ基、ヘテロ環アミノ基、アシルアミノ基、脂肪族オキシアミノ基、アリールオキシアミノ基、スルファモイルアミノ基、アシルスルファモイルアミノ基、オキサモイルアミノ基、脂肪族オキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、ヘテロ環オキシカルボニルアミノ基、カルバモイルアミノ基、メルカプト基、脂肪族チオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、アルキルスルフィニル基、アリールスルフィニル基、脂肪族スルホニル基、アリールスルホニル基、ヘテロ環スルホニル基、スルファモイル基、脂肪族スルホニルウレイド基、アリールスルホニルウレイド基、ヘテロ環スルホニルウレイド基、脂肪族スルホニルオキシ基、アリールスルホニルオキシ基、ヘテロ環スルホニルオキシ基、スルファモイル基、脂肪族スルファモイル基、アリールスルファモイル基、ヘテロ環スルファモイル基、アシルスルファモイル基、スルフォニルスルファモイル基又はその塩、カルバモイルスルファモイル基、スルホンアミド基、脂肪族ウレイド基、アリールウレイド基、ヘテロ環ウレイド基、脂肪族スルホンアミド基、アリールスルホンアミド基、ヘテロ環スルホンアミド基、脂肪族スルフィニル基、アリールスルフィニル基、ニトロ基、ニトロソ基、ジアゾ基、アゾ基、ヒドラジノ基、ジ脂肪族オキシホスフィニル基、ジアリールオキシホスフィニル基、シリル基(例えばトリメチルシリル、t−ブチルジメチルシリル、フェニルジメチルシリル)、シリルオキシ基(例えばトリメチルシリルオキシ、t−ブチルジメチルシリルオキシ)、ボロノ基、イオン性親水性基(例えば、カルボキシル基、スルホ基、ホスホノ基及び4級アンモニウム基)等を挙げることができる。これらの置換基群はさらに置換されてもよく、更なる置換基としては、以上に説明した置換基から選択される基を挙げることができる。   The substituent in the present invention may be any group that can be substituted. For example, a halogen atom (fluorine atom, chloro atom, bromine atom or iodine atom), hydroxy group, cyano group, aliphatic group (aralkyl group, cyclohexane) Alkyl group, including active methine group, etc.), aryl group (regarding the position of substitution), heterocyclic group (regardless of the position of substitution), acyl group, aliphatic oxy group (alkoxy group or alkyleneoxy group, Ethyleneoxy group or a group containing a propyleneoxy group unit repeatedly), aryloxy group, heterocyclic oxy group, aliphatic carbonyl group, arylcarbonyl group, heterocyclic carbonyl group, aliphatic oxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, Heterocyclic oxycarbonyl group, carbamoyl group, sulfonylcarbamoyl group, acylcarbamo Group, sulfamoylcarbamoyl group, thiocarbamoyl group, aliphatic carbonyloxy group, aryloxycarbonyloxy group, heterocyclic carbonyloxy group, amino group, aliphatic amino group, arylamino group, heterocyclic amino group, acylamino group Aliphatic oxyamino group, aryloxyamino group, sulfamoylamino group, acylsulfamoylamino group, oxamoylamino group, aliphatic oxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, heterocyclic oxycarbonylamino group, Carbamoylamino group, mercapto group, aliphatic thio group, arylthio group, heterocyclic thio group, alkylsulfinyl group, arylsulfinyl group, aliphatic sulfonyl group, arylsulfonyl group, heterocyclic sulfonyl group, sulfamoyl group, aliphatic sulfo Honylureido group, arylsulfonylureido group, heterocyclic sulfonylureido group, aliphatic sulfonyloxy group, arylsulfonyloxy group, heterocyclic sulfonyloxy group, sulfamoyl group, aliphatic sulfamoyl group, arylsulfamoyl group, heterocyclic sulfamoyl group, Acylsulfamoyl group, sulfonylsulfamoyl group or a salt thereof, carbamoylsulfamoyl group, sulfonamido group, aliphatic ureido group, arylureido group, heterocyclic ureido group, aliphatic sulfonamido group, arylsulfonamido group, Heterocyclic sulfonamide group, aliphatic sulfinyl group, arylsulfinyl group, nitro group, nitroso group, diazo group, azo group, hydrazino group, dialiphatic oxyphosphinyl group, diaryloxyphosphinyl group, silyl Group (for example, trimethylsilyl, t-butyldimethylsilyl, phenyldimethylsilyl), silyloxy group (for example, trimethylsilyloxy, t-butyldimethylsilyloxy), borono group, ionic hydrophilic group (for example, carboxyl group, sulfo group, phosphono group) Group and quaternary ammonium group). These substituent groups may be further substituted, and examples of the further substituent include groups selected from the substituents described above.

<含窒素カーボンアロイの製造方法>
本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法は、特定の構造を有する含窒素有機化合物、含窒素有機化合物の互変異性体、含窒素有機化合物の塩及び含窒素有機化合物の水和物から選択される少なくとも一種と、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種と、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種を含む前駆体を焼成する工程を含む。ここで、焼成する前の前駆体の比容積は4cm3/g以上である。なお、共有結合性有機骨格材料(COF(Covalent organic framework))及び金属有機骨格材料(MOF(Metal−organic framework))は多孔性材料であり、本明細書においては、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料のことをまとめて多孔性材料と呼ぶ場合がある。
<Method for producing nitrogen-containing carbon alloy>
The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy of the present invention is selected from nitrogen-containing organic compounds having a specific structure, tautomers of nitrogen-containing organic compounds, salts of nitrogen-containing organic compounds, and hydrates of nitrogen-containing organic compounds. And baking a precursor containing at least one selected from a covalent organic skeleton material and a metal organic skeleton material and at least one selected from an inorganic metal salt and an organometallic complex. Here, the specific volume of the precursor before firing is 4 cm 3 / g or more. The covalent organic framework material (COF (Covalent organic framework)) and the metal organic framework material (MOF (Metal-organic framework)) are porous materials, and in this specification, the covalent organic framework material and Metal organic framework materials may be collectively referred to as porous materials.

本発明では、焼成により含窒素カーボンアロイが生成される場合には、まず、多孔性材料の反応空間場(細孔内)に無機金属塩又は有機金属錯体が揮散し、熱分解がなされることで、無機金属塩又は有機金属錯体とMOFまたはCOFの複合体が形成される。次いで、この複合体内に、後述するような構造を有する含窒素有機化合物が揮散することで、配位高分子錯体が形成される。MOFまたはCOFの金属は、選択的揮散又は脱離し、これにより多孔性を有する含窒素カーボンアロイが形成される。これらの化合物をさらに昇温加熱することで含窒素有機化合物の複素環による細孔が発達する。本発明では、この細孔にある複素原子に配位固定された金属サイトが含窒素カーボンアロイの高活性化に寄与しているものと考えられる。   In the present invention, when a nitrogen-containing carbon alloy is produced by firing, first, an inorganic metal salt or an organometallic complex is volatilized in the reaction space field (in the pores) of the porous material, and thermal decomposition is performed. Thus, a complex of an inorganic metal salt or organometallic complex and MOF or COF is formed. Next, a coordination polymer complex is formed by volatilization of a nitrogen-containing organic compound having a structure as described later in the composite. The MOF or COF metal is selectively volatilized or desorbed, thereby forming a nitrogen-containing carbon alloy having porosity. These compounds are further heated at a temperature to develop pores due to the heterocycle of the nitrogen-containing organic compound. In the present invention, it is considered that the metal site coordinated and fixed to the hetero atom in the pore contributes to high activation of the nitrogen-containing carbon alloy.

また、本発明では、前駆体の比容積を4cm3/g以上とすることにより、より高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを得ることができる。前駆体の比容積は5cm3/g以上であることが好ましく、6cm3/g以上であることがさらに好ましい。このように、前駆体の比容積を一定値以上とすることにより、多孔性を有する含窒素カーボンアロイの形成を容易に進行させることができる。これにより、酸素還元反応(ORR)活性部位の形成を促進することができ、より高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを得ることができる。 In the present invention, a nitrogen-containing carbon alloy having higher oxygen reduction reaction activity can be obtained by setting the specific volume of the precursor to 4 cm 3 / g or more. The specific volume of the precursor is preferably 5 cm 3 / g or more, and more preferably 6 cm 3 / g or more. Thus, by setting the specific volume of the precursor to a certain value or more, formation of a nitrogen-containing carbon alloy having porosity can be easily advanced. Thereby, formation of an oxygen reduction reaction (ORR) active site can be promoted, and a nitrogen-containing carbon alloy having higher oxygen reduction reaction activity can be obtained.

前駆体の比容積はJIS−K−5101の「見掛け密度又は見掛け比容」の方法に基づいて測定することができる。測定はタップ法で行うことが好ましく、具体的には、50mlのメスシリンダーに前駆体10gをいれ、500回タップし静置後、容積を読みとり、下記式により比容積を求める。
比容積(ml/g)=V/F
式中、Fは容器内の処理した前駆体の質量(g)であり、Vはタップ後の試料の容量(ml)を示す。
The specific volume of the precursor can be measured based on the method of “apparent density or apparent specific volume” of JIS-K-5101. The measurement is preferably carried out by the tap method. Specifically, 10 g of the precursor is placed in a 50 ml graduated cylinder, tapped 500 times, allowed to stand, the volume is read, and the specific volume is determined by the following formula.
Specific volume (ml / g) = V / F
In the formula, F is the mass (g) of the treated precursor in the container, and V indicates the volume (ml) of the sample after tapping.

本発明では、前駆体は、後述する一般式(1)で表される含窒素有機化合物、含窒素有機化合物の互変異性体、含窒素有機化合物の塩及び含窒素有機化合物の水和物から選択される少なくとも一種と、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種と、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種とを含む混合物を意味する。すなわち、本発明における前駆体とは、上記の材料を混合し、焼成をする前の段階における混合物である。   In the present invention, the precursor is derived from a nitrogen-containing organic compound represented by the following general formula (1), a tautomer of the nitrogen-containing organic compound, a salt of the nitrogen-containing organic compound, and a hydrate of the nitrogen-containing organic compound. It means a mixture comprising at least one selected, at least one selected from a covalently bonded organic skeleton material and a metal organic skeleton material, and at least one selected from an inorganic metal salt and an organometallic complex. That is, the precursor in the present invention is a mixture in a stage before the above materials are mixed and fired.

<含窒素有機化合物>
本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法で用いられる含窒素有機化合物は、一般式(1)で表わされる。なお、本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法には、一般式(1)で表わされる含窒素有機化合物の互変異性体、含窒素有機化合物の塩又は含窒素有機化合物の水和物が用いられてもよい。なお、一般式(1)で表わされる含窒素有機化合物、含窒素有機化合物の互変異性体、含窒素有機化合物の塩及び含窒素有機化合物の水和物はいずれか一種のみが用いられてもよく、二種以上が用いられてもよい。
<Nitrogen-containing organic compounds>
The nitrogen-containing organic compound used in the method for producing a nitrogen-containing carbon alloy of the present invention is represented by the general formula (1). In the method for producing the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention, a tautomer of the nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1), a salt of the nitrogen-containing organic compound or a hydrate of the nitrogen-containing organic compound is used. May be. The nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1), the tautomer of the nitrogen-containing organic compound, the salt of the nitrogen-containing organic compound, and the hydrate of the nitrogen-containing organic compound may be used alone. Two or more kinds may be used.

Figure 2016102037
Figure 2016102037

一般式(1)中、L1〜L4は、それぞれ独立に連結基、単結合または二重結合を表し、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表し、L1〜L4の少なくとも1つは複素芳香族基を有する連結基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。なお、一般式(1)中の結合手に沿って記載されている点線(Z1〜Z4を構成している点線を除く)は、二重結合であってもよいことを示している。 In the general formula (1), L 1 to L 4 each independently represent a linking group, a single bond or a double bond, Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure, and L 1 to L 4 At least one is a linking group having a heteroaromatic group, or at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring. Note that (excluding the dashed line constituting the Z 1 to Z 4) the dotted line that is described along the bonds of the general formula (1) indicates that it may be a double bond.

1〜L4の少なくとも1つが連結基を表す場合、連結基の具体例としては、例えば、−NR8−(R8は水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基または置換もしくは無置換のアリール基を表す)で表される基、−SO2−、−CO−、置換もしくは無置換のアルキレン基、置換もしくは無置換のアルケニレン基、アルキニレン基、置換もしくは無置換のフェニレン基、置換もしくは無置換のビフェニレン基、置換もしくは無置換のナフチレン基、−O−、−S−および−SO−ならびにこれらを2つ以上組み合わせて得られる基が挙げられる。中でもL1〜L4が表す連結基は、−NR8−(R8は水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基または置換もしくは無置換のアリール基を表す)で表される基、置換もしくは無置換のアルキレン基、置換もしくは無置換のアルケニレン基であることが好ましい。なお、連結基が置換基を有する場合、上述した置換基を挙げることができる。中でも、連結基が有する置換基は、芳香族基又は複素芳香族基であることが好ましい。具体的には、フェニル基、ピリジル基、キナゾリル基、ピリミジル基、ピロリル基、イミダゾリル基、フリル基、チエニル基を例示することができ、フェニル基又はピリジル基であることがより好ましい。 When at least one of L 1 to L 4 represents a linking group, specific examples of the linking group include, for example, —NR 8 — (R 8 is a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, or a substituted or unsubstituted aryl group. the group represented by represents a group), -SO 2 -, - CO- , a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted alkenylene group, an alkynylene group, a substituted or unsubstituted phenylene group, a substituted or unsubstituted A biphenylene group, a substituted or unsubstituted naphthylene group, -O-, -S- and -SO-, and a group obtained by combining two or more thereof. Among them, the linking group represented by L 1 to L 4 is a group represented by —NR 8 — (R 8 represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group or a substituted or unsubstituted aryl group), substituted or unsubstituted. A substituted alkylene group and a substituted or unsubstituted alkenylene group are preferred. In addition, when a coupling group has a substituent, the substituent mentioned above can be mentioned. Especially, it is preferable that the substituent which a coupling group has is an aromatic group or a heteroaromatic group. Specifically, a phenyl group, a pyridyl group, a quinazolyl group, a pyrimidyl group, a pyrrolyl group, an imidazolyl group, a furyl group, and a thienyl group can be exemplified, and a phenyl group or a pyridyl group is more preferable.

1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表し、環状構造を構成する環として、例えば、芳香族環や複素芳香族環を挙げることができる。芳香族環の具体例としては、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環を挙げることができる。複素芳香族環は、窒素原子、酸素原子および硫黄原子からなる群から選ばれるヘテロ原子を、1〜3個の含む5〜7員環のヘテロ環であることが好ましい。複素芳香族環の具体例としては、ピリジン環、キナゾリン環、ピリミジン環、ピロール環、イミダゾール環、フラン環、チオフェン環等を挙げることができる。なお、芳香族環や複素芳香族環は置換基を有していてもよく、置換基としては、上述した置換基を挙げることができる。 Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure, and examples of the ring constituting the cyclic structure include an aromatic ring and a heteroaromatic ring. Specific examples of the aromatic ring include a benzene ring, a naphthalene ring, and an anthracene ring. The heteroaromatic ring is preferably a 5- to 7-membered heterocycle containing 1 to 3 heteroatoms selected from the group consisting of a nitrogen atom, an oxygen atom and a sulfur atom. Specific examples of the heteroaromatic ring include a pyridine ring, a quinazoline ring, a pyrimidine ring, a pyrrole ring, an imidazole ring, a furan ring, and a thiophene ring. The aromatic ring and the heteroaromatic ring may have a substituent, and examples of the substituent include the above-described substituents.

1〜Z4の少なくとも1つが芳香族環を含む場合、芳香族環はベンゼン環であることが好ましい。また、L1〜L4のいずれもが複素芳香族基を有さない場合、Z1〜Z4の少なくとも1つは、複素芳香族環を含む。このような場合であって、Z1〜Z4の少なくとも1つが芳香族環を含む場合は、ベンゼン環は複素芳香族環と縮合した環として含まれていることが好ましい。 When at least one of Z 1 to Z 4 contains an aromatic ring, the aromatic ring is preferably a benzene ring. When none of L 1 to L 4 has a heteroaromatic group, at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring. In such a case, when at least one of Z 1 to Z 4 includes an aromatic ring, the benzene ring is preferably included as a ring condensed with a heteroaromatic ring.

1〜Z4が有し得る複素芳香族環は、5又は6員の複素芳香族環であることが好ましい。また、複素芳香族環を構成するヘテロ原子は窒素原子であることが好ましい、すなわち、複素芳香族環はピロール環、イミダゾール環、ピリジン環またはピリミジン環であることが好ましい。Z1〜Z4が表す環状構造は単環構造であってもよく、縮合環構造であってもよい。Z1〜Z4が表す環状構造が縮合環構造である場合、2〜5つの環が縮合した縮合環構造であることが好ましい。
1〜L4のいずれもが複素芳香族基を有さない場合は、Z1〜Z4は縮合環構造であることが好ましい。この場合、Z1〜Z4が表す環状構造は、例えば、上述した環を2つ以上縮合させた構造であることが好ましい。例えば、ピロール環とピリジン環、ピロール環とピリミジン環、ピロール環とピリジン環とベンゼン環を縮合させた環構造とすることが好ましい。
The heteroaromatic ring that Z 1 to Z 4 may have is preferably a 5- or 6-membered heteroaromatic ring. The hetero atom constituting the heteroaromatic ring is preferably a nitrogen atom, that is, the heteroaromatic ring is preferably a pyrrole ring, an imidazole ring, a pyridine ring or a pyrimidine ring. The cyclic structure represented by Z 1 to Z 4 may be a monocyclic structure or a condensed ring structure. When the cyclic structure represented by Z 1 to Z 4 is a condensed ring structure, it is preferably a condensed ring structure in which 2 to 5 rings are condensed.
When none of L 1 to L 4 has a heteroaromatic group, Z 1 to Z 4 are preferably a condensed ring structure. In this case, the cyclic structure represented by Z 1 to Z 4 is preferably, for example, a structure in which two or more rings described above are condensed. For example, a ring structure in which a pyrrole ring and a pyridine ring, a pyrrole ring and a pyrimidine ring, or a pyrrole ring, a pyridine ring, and a benzene ring are condensed is preferable.

1〜L4の少なくとも1つは複素芳香族基を有する連結基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。すなわち、含窒素有機化合物中には、複素芳香族環が1つ以上含まれることとなる。なお、L1〜L4の少なくとも1つが複素芳香族基を有する場合であっても、Z1〜Z4の少なくとも1つは、複素芳香族環を含むことが好ましい。 At least one of L 1 to L 4 is a linking group having a heteroaromatic group, or at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring. That is, one or more heteroaromatic rings are contained in the nitrogen-containing organic compound. Even when at least one of L 1 to L 4 has a heteroaromatic group, it is preferable that at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring.

1〜L4の少なくとも1つは複素芳香族基を有する連結基である場合、複素芳香族基を構成するヘテロ原子としては、窒素原子、酸素原子又は硫黄原子を挙げることができる。複素芳香族基の具体例としては、例えば、ピリジル基、キナゾリル基、ピリミジル基、ピロリル基、イミダゾリル基、フリル基、チエニル基等を挙げることができる。中でも、複素芳香族基を構成するヘテロ原子は窒素原子であることが好ましい。また、複素芳香族基を有する連結基を構成する複素芳香族環は、5又は6員の複素芳香族環であることが好ましく、6員の複素芳香族環であることがより好ましい。具体的には、ピリジル基、ピリミジル基、ピロリル基またはイミダゾリル基を例示することができ、ピリジル基をより好ましく例示することができる。
また、L1〜L4の少なくとも1つが複素芳香族基を有する連結基である場合、L1〜L4のうち2つ以上が複素芳香族基を有する連結基であることがより好ましく、L1〜L4のうち3つ以上が複素芳香族基を有する連結基であることがさらに好ましく、L1〜L4の全てが複素芳香族基を有する連結基であることが特に好ましい。なお、L1〜L4のうち2つが複素芳香族基を有する連結基であり、L1〜L4のうちの他の2つが芳香族基を有する連結基であることも好ましい。
When at least one of L 1 to L 4 is a linking group having a heteroaromatic group, examples of the hetero atom constituting the heteroaromatic group include a nitrogen atom, an oxygen atom, and a sulfur atom. Specific examples of the heteroaromatic group include a pyridyl group, a quinazolyl group, a pyrimidyl group, a pyrrolyl group, an imidazolyl group, a furyl group, and a thienyl group. Especially, it is preferable that the hetero atom which comprises a heteroaromatic group is a nitrogen atom. The heteroaromatic ring constituting the linking group having a heteroaromatic group is preferably a 5- or 6-membered heteroaromatic ring, and more preferably a 6-membered heteroaromatic ring. Specifically, a pyridyl group, a pyrimidyl group, a pyrrolyl group or an imidazolyl group can be exemplified, and a pyridyl group can be more preferably exemplified.
Also, if at least one of L 1 ~L 4 is a linking group having a heteroaromatic group, more preferably two or more of L 1 ~L 4 is a linking group having a heterocyclic aromatic group, L more preferably 1 ~L 3 or more of the 4 is a linking group having a heteroaromatic group, it is particularly preferable that all of L 1 ~L 4 is a linking group having a heteroaromatic group. Incidentally, two of L 1 ~L 4 is a linking group having a heteroaromatic group, it is also preferred the other two of the L 1 ~L 4 is a linking group having an aromatic group.

1〜L4の少なくとも1つが複素芳香族基を有する連結基である場合、ピリジル基又はピリミジル基を好ましい複素芳香族基として挙げることができる。この場合、ピリジル基又はピリミジル基において、窒素原子は環の結合位から見てパラ位にあることが好ましい。このような位置に窒素原子を配置することにより、後述する無機金属塩又は有機金属錯体の金属種(M)との錯体が形成しやすくなる。また、酸素還元反応(ORR)活性部位を形作る置換基の配向を制御することが可能になるため、酸素還元反応(ORR)活性部位を高密度で形成することができ、高い酸素還元反応活性を有することができる。 When at least one of L 1 to L 4 is a linking group having a heteroaromatic group, a pyridyl group or a pyrimidyl group can be mentioned as a preferred heteroaromatic group. In this case, in the pyridyl group or pyrimidyl group, the nitrogen atom is preferably in the para position as viewed from the ring bonding position. By arranging a nitrogen atom at such a position, a complex with a metal species (M) of an inorganic metal salt or an organometallic complex described later is easily formed. In addition, since it is possible to control the orientation of the substituents that form the oxygen reduction reaction (ORR) active site, the oxygen reduction reaction (ORR) active site can be formed at a high density, resulting in high oxygen reduction reaction activity. Can have.

1〜Z4の少なくとも1つが複素芳香族環を含む場合、Z1〜Z4が含む複素芳香族環は、ポルフィリン環を構成する窒素原子を含むヘテロ環であってもよく、それとは別にさらに複素芳香族環を有していてもよい。ヘテロ環として、置換位置を限定しないで例示すると、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、トリアジン環、キノリン環、イソキノリン環、キナゾリン環、キノキサリン環、ピロール環、インドール環、ピラゾール環、イミダゾール環、ベンゾイミダゾール環、オキサゾール環、ベンゾオキサゾール環、チアゾール環、ベンゾチアゾール環、ピロリジン環、ピペリジン環、ピペラジン環、イミダゾール環、チアゾール環などが挙げられる。
また、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む場合、Z1〜Z4ののうち2つ以上が複素芳香族環を含むことがより好ましく、Z1〜Z4のうち3つ以上が複素芳香族環を含むことがさらに好ましく、Z1〜Z4のうち全てが複素芳香族環を含むことが特に好ましい。
If at least one of Z 1 to Z 4 is containing heteroaromatic ring, heteroaromatic ring Z 1 to Z 4 comprises may be a heterocyclic ring containing a nitrogen atom constituting the porphyrin ring, Separately Further, it may have a heteroaromatic ring. Examples of the heterocyclic ring without limiting the substitution position include pyridine ring, pyrazine ring, pyrimidine ring, triazine ring, quinoline ring, isoquinoline ring, quinazoline ring, quinoxaline ring, pyrrole ring, indole ring, pyrazole ring, imidazole ring, benzo Examples include imidazole ring, oxazole ring, benzoxazole ring, thiazole ring, benzothiazole ring, pyrrolidine ring, piperidine ring, piperazine ring, imidazole ring, thiazole ring and the like.
Further, Z 1 to Z at least one of 4 if it contains heteroaromatic ring, more preferably more than two of the Z 1 to Z 4 comprises a heterocyclic aromatic ring, of Z 1 to Z 4 It is more preferable that three or more include a heteroaromatic ring, and it is particularly preferable that all of Z 1 to Z 4 include a heteroaromatic ring.

含窒素有機化合物中には、複素芳香族環が2つ以上含まれることが好ましく、3つ以上含まれることがより好ましく、4つ以上含まれることがさらに好ましい。このように、含窒素有機化合物に複素芳香族環が一定個数以上含まれることにより、後述する無機金属塩又は有機金属錯体の金属種(M)と複素芳香族環の錯体が形成されやすくなる。これにより、酸素還元反応(ORR)活性部位を高密度で形成することができ、高い酸素還元反応活性を発揮することができる。
さらに、含窒素有機化合物が複素芳香族環を2個数以上有すると、金属種(M)と複素芳香族環が相互作用する際に、複素芳香族環同士が配列・配向するため、酸素還元反応(ORR)活性部位が高密度かつ制御された構造体を形成することができる。これにより、より高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを得ることができる。
The nitrogen-containing organic compound preferably contains 2 or more heteroaromatic rings, more preferably 3 or more, and still more preferably 4 or more. Thus, when a certain number or more of heteroaromatic rings are contained in the nitrogen-containing organic compound, a complex of a metal species (M) of an inorganic metal salt or an organometallic complex described later and a heteroaromatic ring is easily formed. Thereby, an oxygen reduction reaction (ORR) active site can be formed with high density, and high oxygen reduction reaction activity can be exhibited.
Furthermore, when the nitrogen-containing organic compound has two or more heteroaromatic rings, the heteroaromatic rings are arranged and oriented when the metal species (M) and the heteroaromatic rings interact with each other. (ORR) A structure in which the active sites are dense and controlled can be formed. Thereby, a nitrogen-containing carbon alloy having higher oxygen reduction reaction activity can be obtained.

一般式(1)で表されるように、含窒素有機化合物には窒素を含む金属錯体を含まない。含窒素金属錯体は、精製が困難であり、また、含窒素金属錯体は含窒素配位子と金属錯体の組成比が一定であるため、焼成時に分解した際、含窒素配位子の分解速度と配位金属錯体の気化速度の制御ができず目的とする含窒素カーボンアロイを得ることが難しいという問題がある。さらに、中心金属を有する含窒素カーボンアロイは、触媒として用いた時に触媒活性を低下させる。たとえ、含窒素金属錯体と低分子有機化合物とを混ぜ合わせたとしても、含窒素金属錯体結晶が分解し、金属が直接還元を被るため、生成した近接金属同士が凝集結晶化しやすくなる。また、酸洗浄により金属が除去されてしまうため、得られる含窒素カーボンアロイが不均一になるため求める機能が低減するという不具合が生じる。以上の理由により、本発明では、含窒素金属錯体を含まない含窒素有機化合物が用いられる。   As represented by the general formula (1), the nitrogen-containing organic compound does not include a metal complex containing nitrogen. Nitrogen-containing metal complexes are difficult to purify, and nitrogen-containing metal complexes have a constant composition ratio between the nitrogen-containing ligand and the metal complex. And the vaporization rate of the coordination metal complex cannot be controlled, and it is difficult to obtain the target nitrogen-containing carbon alloy. Furthermore, the nitrogen-containing carbon alloy having a central metal reduces the catalytic activity when used as a catalyst. Even if the nitrogen-containing metal complex and the low-molecular organic compound are mixed, the nitrogen-containing metal complex crystal is decomposed and the metal is directly reduced, so that the generated adjacent metals are easily aggregated and crystallized. Further, since the metal is removed by the acid cleaning, the obtained nitrogen-containing carbon alloy becomes non-uniform so that the required function is reduced. For the above reasons, in the present invention, a nitrogen-containing organic compound not containing a nitrogen-containing metal complex is used.

一般式(1)で表される含窒素有機化合物は、下記一般式(2)で表されることが好ましい。   The nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1) is preferably represented by the following general formula (2).

Figure 2016102037
Figure 2016102037

ここで、一般式(2)中、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表す。ただし、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。なお、一般式(2)中のZ1〜Z4は、一般式(1)におけるZ1〜Z4と同意であり、好ましい範囲も同様である。 Here, in the general formula (2), Z 1 ~Z 4 each independently represent a cyclic structure. However, at least one of Z 1 to Z 4 contains a heteroaromatic ring. In general formula (2) Z 1 to Z 4 in is synonymous with Z 1 to Z 4 in the general formula (1), and preferred ranges are also the same.

また、一般式(1)で表される含窒素有機化合物は、下記一般式(3)で表されることも好ましい。   The nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1) is also preferably represented by the following general formula (3).

Figure 2016102037
Figure 2016102037

ここで、一般式(3)中、R1〜R4は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表し、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表す。ただし、R1〜R4の少なくとも1つは複素芳香族基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは、複素芳香族環を含む。なお、一般式(3)中のZ1〜Z4は、一般式(1)におけるZ1〜Z4と同意であり、好ましい範囲も同様である。 Here, in General Formula (3), R 1 to R 4 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure. However, at least one of R 1 to R 4 is a heteroaromatic group, or at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring. In general formula (3) Z 1 to Z 4 in is synonymous with Z 1 to Z 4 in the general formula (1), and preferred ranges are also the same.

1〜R4がそれぞれ独立に置換基を表す場合、置換基としては、上述した置換基を挙げることができるが、中でも、芳香族基又は複素芳香族基であることが好ましい。R1〜R4の少なくとも1つが芳香族基である場合、アリール基であることが好ましく、フェニル基であることがより好ましい。R1〜R4の少なくとも1つが複素芳香族基である場合、複素芳香族基としては、一般式(1)におけるL1〜L4が有し得る複素芳香族基を好ましい例としてあげることができる。 When R 1 to R 4 each independently represents a substituent, examples of the substituent include the above-described substituents. Among them, an aromatic group or a heteroaromatic group is preferable. When at least one of R 1 to R 4 is an aromatic group, it is preferably an aryl group, and more preferably a phenyl group. When at least one of R 1 to R 4 is a heteroaromatic group, examples of the heteroaromatic group include a heteroaromatic group that L 1 to L 4 in the general formula (1) may have as a preferred example. it can.

1〜R4の少なくとも1つは複素芳香族基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは、複素芳香族環を含む。すなわち、含窒素有機化合物中には、複素芳香族環が1つ以上含まれることとなる。なお、一般式(3)においては、R1〜R4の少なくとも1つが複素芳香族基であり、かつ、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含むものであることがより好ましい。このような構造を有する含窒素有機化合物を用いることで、より高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを得ることができる。 At least one of R 1 to R 4 is a heteroaromatic group, or at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring. That is, one or more heteroaromatic rings are contained in the nitrogen-containing organic compound. In the general formula (3), it is more preferable that at least one of R 1 to R 4 is a heteroaromatic group, and at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring. By using a nitrogen-containing organic compound having such a structure, a nitrogen-containing carbon alloy having higher oxygen reduction reaction activity can be obtained.

1〜R4の少なくとも1つが複素芳香族基である場合、複素芳香族基を構成する複素芳香族環は、5又は6員の複素芳香族環であることが好ましく、6員の複素芳香族環であることがより好ましい。また、複素芳香族環を構成するヘテロ原子は窒素原子であることが好ましい。具体的には、ピリジル基、ピリミジル基、ピロリル基またはイミダゾリル基を例示することができ、ピリジル基をより好ましく例示することができる。
また、R1〜R4の少なくとも1つが複素芳香族基である場合、R1〜R4のうち2つ以上が複素芳香族基であることがより好ましく、R1〜R4のうち3つ以上が複素芳香族基であることがさらに好ましく、R1〜R4の全てが複素芳香族基であることが特に好ましい。なお、R1〜R4のうち2つが複素芳香族基であり、R1〜R4のうちの他の2つが芳香族基であることも好ましい。
When at least one of R 1 to R 4 is a heteroaromatic group, the heteroaromatic ring constituting the heteroaromatic group is preferably a 5- or 6-membered heteroaromatic ring, More preferably, it is a group ring. Moreover, it is preferable that the hetero atom which comprises a heteroaromatic ring is a nitrogen atom. Specifically, a pyridyl group, a pyrimidyl group, a pyrrolyl group or an imidazolyl group can be exemplified, and a pyridyl group can be more preferably exemplified.
Also, if at least one of R 1 to R 4 is a heteroaromatic group, more preferably two or more of R 1 to R 4 is a heteroaromatic group, three of R 1 to R 4 The above is more preferably a heteroaromatic group, particularly preferably all of R 1 to R 4 are heteroaromatic groups. Note that two of R 1 to R 4 is a heteroaromatic group, it is also preferred the other two of R 1 to R 4 is an aromatic group.

1〜R4の少なくとも1つが複素芳香族基である場合、ピリジル基又はピリミジル基を好ましい複素芳香族基として挙げることができる。この場合、ピリジル基又はピリミジル基において、窒素原子は環の結合位から見てパラ位にあることが好ましい。このような位置に窒素原子を配置することにより、後述する無機金属塩又は有機金属錯体の金属種(M)との錯体が形成しやすくなる。また、酸素還元反応(ORR)活性部位を形作る置換基の配向を制御することが可能になるため、酸素還元反応(ORR)活性部位を高密度で形成することができ、高い酸素還元反応活性を有することができる。 When at least one of R 1 to R 4 is a heteroaromatic group, a pyridyl group or a pyrimidyl group can be mentioned as a preferred heteroaromatic group. In this case, in the pyridyl group or pyrimidyl group, the nitrogen atom is preferably in the para position as viewed from the ring bonding position. By arranging a nitrogen atom at such a position, a complex with a metal species (M) of an inorganic metal salt or an organometallic complex described later is easily formed. In addition, since it is possible to control the orientation of the substituents that form the oxygen reduction reaction (ORR) active site, the oxygen reduction reaction (ORR) active site can be formed at a high density, resulting in high oxygen reduction reaction activity. Can have.

また、一般式(1)で表される含窒素有機化合物は、下記一般式(4)で表される化合物であってもよい。   Further, the nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1) may be a compound represented by the following general formula (4).

Figure 2016102037
Figure 2016102037

ここで、一般式(4)中、R1、R2およびR4は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表し、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表す。ただし、R1、R2およびR4の少なくとも1つは複素芳香族基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。なお、一般式(4)中のR1、R2およびR4は、一般式(3)におけるR1、R2およびR4と同意であり、好ましい範囲も同様である。また、一般式(4)中のZ1〜Z4は、一般式(1)におけるZ1〜Z4と同意であり、好ましい範囲も同様である。 Here, in the general formula (4), R 1 , R 2 and R 4 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure. However, at least one of R 1 , R 2 and R 4 is a heteroaromatic group, or at least one of Z 1 to Z 4 contains a heteroaromatic ring. Incidentally, R 1, R 2 and R 4 in the general formula (4) is synonymous with R 1, R 2 and R 4 in the general formula (3), and preferred ranges are also the same. In general formula (4) Z 1 to Z 4 in is synonymous with Z 1 to Z 4 in the general formula (1), and preferred ranges are also the same.

一般式(4)においては、Z1〜Z4の少なくとも1つが複素芳香族環を含む場合であっても、R1、R2およびR4の少なくとも1つは複素芳香族基であることが好ましく、R1、R2およびR4のうち2つ以上が複素芳香族基であることがより好ましく、R1、R2およびR4の全てが複素芳香族基であることが特に好ましい。 In the general formula (4), at least one of R 1 , R 2 and R 4 may be a heteroaromatic group even when at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring. preferably, R 1, more preferably R 2 and two or more of R 4 is an heteroaromatic group, it is particularly preferred that all of R 1, R 2 and R 4 are heteroaromatic group.

さらに、一般式(1)で表される含窒素有機化合物は、下記一般式(5)で表される化合物であってもよい。   Furthermore, the nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1) may be a compound represented by the following general formula (5).

Figure 2016102037
Figure 2016102037

ここで、一般式(5)中、R2およびR4は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表し、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表す。ただし、R2およびR4の少なくとも1つは複素芳香族基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。なお、一般式(5)中のR2およびR4は、一般式(3)におけるR2およびR4と同意であり、好ましい範囲も同様である。また、一般式(5)中のZ1〜Z4は、一般式(1)におけるZ1〜Z4と同意であり、好ましい範囲も同様である。 Here, in General Formula (5), R 2 and R 4 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure. However, at least one of R 2 and R 4 is a heteroaromatic group, or at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring. Incidentally, R 2 and R 4 in the general formula (5) is synonymous with R 2 and R 4 in the general formula (3), and preferred ranges are also the same. In general formula (5) Z 1 to Z 4 in is synonymous with Z 1 to Z 4 in the general formula (1), and preferred ranges are also the same.

一般式(5)においては、Z1〜Z4の少なくとも1つが複素芳香族環を含む場合であっても、R2およびR4の少なくとも1つは複素芳香族基であることが好ましく、R2およびR4が複素芳香族基であることがより好ましい。 In the general formula (5), even when at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring, at least one of R 2 and R 4 is preferably a heteroaromatic group, More preferably, 2 and R 4 are heteroaromatic groups.

さらに、一般式(1)で表される含窒素有機化合物は、下記一般式(6)で表される化合物であってもよい。   Further, the nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1) may be a compound represented by the following general formula (6).

Figure 2016102037
Figure 2016102037

ここで、一般式(6)中、R1およびR3は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表し、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表す。ただし、R1およびR3の少なくとも1つは複素芳香族基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。なお、一般式(6)中のR1およびR3は、一般式(3)におけるR1およびR3と同意であり、好ましい範囲も同様である。また、一般式(6)中のZ1〜Z4は、一般式(1)におけるZ1〜Z4と同意であり、好ましい範囲も同様である。 Here, in General Formula (6), R 1 and R 3 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure. However, at least one of R 1 and R 3 is a heteroaromatic group, or at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring. Incidentally, R 1 and R 3 in the general formula (6) is synonymous with R 1 and R 3 in the general formula (3), and preferred ranges are also the same. In general formula (6) Z 1 to Z 4 in is synonymous with Z 1 to Z 4 in the general formula (1), and preferred ranges are also the same.

一般式(6)においては、Z1〜Z4の少なくとも1つが複素芳香族環を含む場合であっても、R1およびR3の少なくとも1つは複素芳香族基であることが好ましく、R1およびR3が複素芳香族基であることがより好ましい。 In the general formula (6), even when at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring, at least one of R 1 and R 3 is preferably a heteroaromatic group, More preferably, 1 and R 3 are heteroaromatic groups.

本発明で用いる含窒素有機化合物は金属錯体を除くピリジルポルフィリン、および、金属錯体を除くピリジルポルフィリンの塩から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。   The nitrogen-containing organic compound used in the present invention is preferably at least one selected from pyridyl porphyrins excluding metal complexes and pyridyl porphyrin salts excluding metal complexes.

一般式(1)で表される含窒素有機化合物の具体例としては、以下の化合物が挙げられる。但し、本発明は以下の具体例により限定されるものではない。   Specific examples of the nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1) include the following compounds. However, the present invention is not limited to the following specific examples.

Figure 2016102037
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Figure 2016102037
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Figure 2016102037
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Figure 2016102037
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上述した含窒素有機化合物は、π−π相互作用、配位結合、電荷移動相互作用および水素結合より選択される2つ以上の結合又は相互作用により結晶構造を形成していることが好ましい。結晶構造を形成した含窒素有機化合物を用いることにより分子間相互作用を向上させて、含窒素カーボンアロイを得る際の焼成時の気化を抑制することができる。
ここで言う結晶構造とは結晶中の分子の配列様式・配置様式のことをいう。言い換えると、結晶構造は単位格子の繰り返し構造からなり、分子はこの単位胞内の任意の部位に配置して、配向をしている。また、結晶中において、分子は均一な様体をなしている。すなわち、結晶中の官能基の配置が均一であるため、分子の各相互作用は、単位胞内もしくは単位胞外で同一である。たとえば、積層構造を有する含窒素有機化合物の場合、芳香環、複素環、縮合多環、縮合複素多環、不飽和基(ニトリル基、ビニル基、アリル基、アセチレン基)等には相互作用(例えば芳香環はface−to−faceでπ−π相互作用(π−πスタック))が生じる。これらの環や基における不飽和結合由来の炭素のSP2軌道もしくはSP軌道が分子間で規則正しく等間隔で重なることで積層し、積層カラム構造を形成する。
The nitrogen-containing organic compound described above preferably forms a crystal structure by two or more bonds or interactions selected from π-π interaction, coordination bond, charge transfer interaction and hydrogen bond. By using a nitrogen-containing organic compound having a crystal structure, the intermolecular interaction can be improved, and vaporization during firing when obtaining a nitrogen-containing carbon alloy can be suppressed.
The crystal structure here refers to the arrangement and arrangement of molecules in the crystal. In other words, the crystal structure consists of a repeating structure of unit cell, and the molecules are arranged at any position in the unit cell and oriented. In the crystal, the molecules have a uniform appearance. That is, since the arrangement of functional groups in the crystal is uniform, each molecular interaction is the same inside or outside the unit cell. For example, in the case of a nitrogen-containing organic compound having a laminated structure, interaction with an aromatic ring, heterocyclic ring, condensed polycyclic ring, condensed heterocyclic polycyclic ring, unsaturated group (nitrile group, vinyl group, allyl group, acetylene group) ( For example, in an aromatic ring, a π-π interaction (π-π stack) occurs in a face-to-face. Stacking is performed by SP 2 orbits of carbons derived from unsaturated bonds in these rings and groups and regularly overlapping at equal intervals between molecules to form a stacked column structure.

さらにこの積層カラム構造において、隣接する積層カラム間は水素結合またはファンデルワールス相互作用により、分子間距離が規定された均一な構造を有する。このため、結晶内の熱伝達が容易に達成される効果を有する。   Further, in this stacked column structure, adjacent stacked columns have a uniform structure in which the intermolecular distance is defined by hydrogen bonding or van der Waals interaction. For this reason, it has the effect that the heat transfer in a crystal | crystallization is achieved easily.

本発明に用いる含窒素有機化合物は結晶性を有していることが好ましい。含窒素有機化合物は結晶性を有することにより、化合物は焼成時に配向が制御できることから、均一な炭素材料となるため好ましい。   The nitrogen-containing organic compound used in the present invention preferably has crystallinity. Since the nitrogen-containing organic compound has crystallinity, the orientation of the compound can be controlled at the time of firing, which is preferable because it becomes a uniform carbon material.

含窒素有機化合物は、さらに融点が25℃以上であることが好ましい。融点が25℃未満であると、焼成時に耐熱性に寄与する空気層が存在せず、温度と蒸気圧の関係から沸騰もしくは突沸してしまい、炭素材料を得ることができない。   The nitrogen-containing organic compound preferably further has a melting point of 25 ° C. or higher. When the melting point is less than 25 ° C., there is no air layer contributing to heat resistance during firing, and boiling or bumping occurs due to the relationship between temperature and vapor pressure, and a carbon material cannot be obtained.

含窒素有機化合物は、分子量が60〜2000であることが好ましく、100〜1500であることがより好ましく、130〜1000であることが特に好ましい。分子量を上記範囲とすることで、含窒素有機化合物の精製が容易となる。   The nitrogen-containing organic compound preferably has a molecular weight of 60 to 2000, more preferably 100 to 1500, and particularly preferably 130 to 1000. By making molecular weight into the said range, refinement | purification of a nitrogen-containing organic compound becomes easy.

なお、含窒素有機化合物は、単独で用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。また、含窒素有機化合物中の金属含有量は10質量ppm以下であることが好ましい。   In addition, a nitrogen-containing organic compound may be used independently and may be used in mixture of 2 or more types. Moreover, it is preferable that the metal content in a nitrogen-containing organic compound is 10 mass ppm or less.

含窒素有機化合物の窒素含率は、0.1〜55質量%であることが好ましく、1〜30質量%であることがより好ましく、さらに4〜20質量%であることが特に好ましい。上記範囲で窒素原子(N)を含有する化合物を使用することにより、別途窒素源となる化合物を導入する必要がなく、結晶エッジに規則正しく窒素原子と金属が均一に位置して、窒素と金属が相互作用しやすくなる。これにより窒素原子と金属の組成比が、より高酸素還元反応活性を発揮させ得る組成比となる。   The nitrogen content of the nitrogen-containing organic compound is preferably 0.1 to 55% by mass, more preferably 1 to 30% by mass, and particularly preferably 4 to 20% by mass. By using a compound containing a nitrogen atom (N) within the above range, there is no need to introduce a separate nitrogen source compound, the nitrogen atom and metal are regularly positioned uniformly on the crystal edge, and the nitrogen and metal are It becomes easy to interact. Thereby, the composition ratio of the nitrogen atom and the metal becomes a composition ratio that can exhibit a higher oxygen reduction reaction activity.

また、含窒素有機化合物は、窒素雰囲気下で400℃におけるΔTGが−95%〜−0.1%である難揮発性化合物であることが好ましい。含窒素有機化合物の上記ΔTGは、−95%〜−1%がより好ましく、−90%〜−5%が特に好ましい。含窒素有機化合物は、焼成時に気化しないで、炭素化する難揮発性化合物であることが好ましい。
ここで、ΔTGは含窒素有機化合物および無機金属塩との混合物のTG−DTA測定において、窒素を毎分100mL流通下、30℃から1000℃まで毎分10℃で昇温した際、室温(30℃)における質量を基準にした400℃での質量減少率を指す。
The nitrogen-containing organic compound is preferably a hardly volatile compound having a ΔTG of −95% to −0.1% at 400 ° C. in a nitrogen atmosphere. The ΔTG of the nitrogen-containing organic compound is more preferably −95% to −1%, and particularly preferably −90% to −5%. The nitrogen-containing organic compound is preferably a hardly volatile compound that is carbonized without being vaporized during firing.
Here, ΔTG is a room temperature (30) when the temperature is raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 10 ° C./min in a TG-DTA measurement of a mixture of a nitrogen-containing organic compound and an inorganic metal salt under a flow rate of 100 mL / min. The mass reduction rate at 400 ° C. based on the mass at (° C.).

本発明では、一般式(1)で表される含窒素有機化合物、含窒素有機化合物の互変異性体、含窒素有機化合物の塩及び含窒素有機化合物の水和物から選択される少なくとも一種は、前駆体の全質量に対して0.5質量%を超えて含まれることが好ましく、1〜95質量%含まれることがより好ましく、5〜70質量%含まれることがさらに好ましい。含窒素有機化合物を上記範囲内含有させることにより、より高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを生成し得る。   In the present invention, at least one selected from the nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1), a tautomer of the nitrogen-containing organic compound, a salt of the nitrogen-containing organic compound, and a hydrate of the nitrogen-containing organic compound is The amount of the precursor is preferably more than 0.5% by mass, more preferably 1 to 95% by mass, and still more preferably 5 to 70% by mass. By containing the nitrogen-containing organic compound within the above range, a nitrogen-containing carbon alloy having higher oxygen reduction reaction activity can be generated.

含窒素有機化合物は、一般式(1)で表される構造の顔料であることも好ましい。顔料は分子間でπ−π相互作用により、積層カラム構造を形成する。積層カラム間には水素結合又はファンデルワールス相互作用が存在するため、分子間距離が規定された均一な構造を有することができ、結晶内の熱伝達が容易に達成されるという効果を有する。また、結晶性を有し、熱に対してフォノン(量子化された格子振動)することにより振動緩和され耐熱性を有する。そのため分解温度が炭素化温度まで保持され、分解物の気化が低減されて炭素化が達成されるという効果を有する。
中でも、イソインドリン系顔料、イソインドリノン系顔料、ジケトピロロピロール系顔料、キナクリドン系顔料、オキサジン系顔料、フタロシアニン系顔料、キノフタロン系顔料、および上記顔料をラテント化したラテント顔料、また染料を金属イオンで顔料化したレーキ顔料等の顔料が好ましく、ジケトピロロピロール系顔料、キナクリドン系顔料、イソインドリン系顔料、イソインドリノン系顔料、キノフタロン系顔料、および上記顔料をラテント化したラテント顔料(後述)がより好ましい。これらの顔料を焼成すると、分解生成するベンゾニトリル(Ph−CN)骨格が反応活性種となり、より高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイ触媒が生成する。また金属種(M)が共存することによりPh−CN…Mの錯体を形成し、さらに高酸素還元反応活性な含窒素カーボンアロイが生成する。
The nitrogen-containing organic compound is also preferably a pigment having a structure represented by the general formula (1). The pigment forms a stacked column structure by π-π interaction between molecules. Since hydrogen bonding or van der Waals interaction exists between the stacked columns, it can have a uniform structure with a defined intermolecular distance, and heat transfer within the crystal is easily achieved. In addition, it has crystallinity, and is vibration-reduced and heat-resistant by phonon (quantized lattice vibration) against heat. For this reason, the decomposition temperature is maintained up to the carbonization temperature, and there is an effect that the vaporization of the decomposition product is reduced and the carbonization is achieved.
Among them, isoindoline pigments, isoindolinone pigments, diketopyrrolopyrrole pigments, quinacridone pigments, oxazine pigments, phthalocyanine pigments, quinophthalone pigments, and latent pigments obtained from the above pigments, and dyes made of metal Preferred are pigments such as lake pigments pigmented with ions, such as diketopyrrolopyrrole pigments, quinacridone pigments, isoindoline pigments, isoindolinone pigments, quinophthalone pigments, and latent pigments (later described) ) Is more preferable. When these pigments are calcined, the decomposition-generated benzonitrile (Ph-CN) skeleton becomes a reactive species, and a nitrogen-containing carbon alloy catalyst having higher oxygen reduction reaction activity is generated. In addition, when the metal species (M) coexists, a complex of Ph—CN... M is formed, and a nitrogen-containing carbon alloy that is highly active in oxygen reduction reaction is generated.

<共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料>
本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法にける前駆体の調製には、共有結合性有機骨格材料(COF:Covalent organic framework)及び金属有機骨格材料(MOF:Metal−organic framework)から選択される少なくとも一種が用いられる。共有結合性有機骨格材料(COF)及び金属有機骨格材料(MOF)は多孔性材料であり、構造内部には数nmの細孔が無数に存在している。多孔性材料は、内部に細孔を有する構造体であればよく、有機骨格材料又は金属有機骨格材料などを好ましく用いることができる。
<Covalent organic framework material and metal organic framework material>
The preparation of the precursor in the method for producing a nitrogen-containing carbon alloy of the present invention includes at least selected from a covalent organic framework material (COF) and a metal-organic framework material (MOF). One kind is used. The covalent organic skeleton material (COF) and the metal organic skeleton material (MOF) are porous materials, and an infinite number of pores of several nm exist inside the structure. The porous material may be a structure having pores therein, and an organic skeleton material or a metal organic skeleton material can be preferably used.

本発明で用いる多孔性材料の細孔径は0.1〜100nmであることが好ましく、0.2〜10nmであることがより好ましい。多孔性材料は、細孔径が2nm以下のマイクロポア、2〜50nmのメソポア、50nm以上マクロポアのいずれか1つ以上を有しているものが好ましく、メソポアを有しているものがより好ましい。細孔径をこの範囲とした場合、作用点の数が多くなり、生成した水が排出しやすくなるため好ましい。また、多孔性材料の内部空孔に細孔容積を有し、酸素と相互作用しやすくなるため好ましい。   The pore diameter of the porous material used in the present invention is preferably 0.1 to 100 nm, and more preferably 0.2 to 10 nm. The porous material preferably has one or more of micropores having a pore diameter of 2 nm or less, mesopores of 2 to 50 nm, and macropores of 50 nm or more, and more preferably have mesopores. When the pore diameter is in this range, it is preferable because the number of action points increases and the generated water is easily discharged. Further, it is preferable because the internal pores of the porous material have a pore volume and easily interact with oxygen.

本発明では、共有結合性有機骨格材料(COF)及び金属有機骨格材料(MOF)を添加することにより、これらの材料の細孔の内部で、無機金属塩又は有機金属錯体と含窒素有機化合物とが配位し、細孔の形態を鋳型とした形で多孔性含窒素カーボンアロイを形成し得る。   In the present invention, by adding a covalent organic skeleton material (COF) and a metal organic skeleton material (MOF), an inorganic metal salt or an organometallic complex and a nitrogen-containing organic compound are formed inside the pores of these materials. Can form a porous nitrogen-containing carbon alloy in a form using the shape of the pores as a template.

本発明では、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種は、前駆体の全質量に対して5質量%を超えて含まれることが好ましく、10〜95質量%含まれることがより好ましく、20〜70質量%含まれることがさらに好ましい。共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種を上記範囲内含有させることにより、より高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを生成し得る。   In the present invention, at least one selected from a covalent organic skeleton material and a metal organic skeleton material is preferably included in an amount of more than 5% by mass, and 10 to 95% by mass with respect to the total mass of the precursor. It is more preferable that 20 to 70% by mass is further included. By containing at least one selected from a covalent organic framework material and a metal organic framework material within the above range, a nitrogen-containing carbon alloy having higher oxygen reduction reaction activity can be generated.

共有結合性有機骨格材料(COF)は、有機骨格のみを利用した結晶性の多孔性構造を有する材料である。多孔性構造は、共有結合により結合した有機化合物の二次元又は三次元ネットワークから形成されている。共有結合性有機骨格材料(COF)は、少なくとも1つの炭素以外の元素の原子、例えば、水素、酸素、窒素、ケイ素、リン、セレン、フッ素、ホウ素又は硫黄を含むものであることが好ましい。   A covalent organic skeleton material (COF) is a material having a crystalline porous structure using only an organic skeleton. The porous structure is formed from a two-dimensional or three-dimensional network of organic compounds linked by covalent bonds. The covalent organic framework material (COF) preferably contains at least one atom of an element other than carbon, such as hydrogen, oxygen, nitrogen, silicon, phosphorus, selenium, fluorine, boron or sulfur.

共有結合性有機骨格材料(COF)としては、特に特定されないが、例えば、Science,2005,310,1166.J.Am.Chem.Soc.,2007,129,12914.,Science,2007,316,268.、J.Am.Chem.Soc.,2009,131,4570.、Chem.Matter,2006,18,5296.,Angew.Chem.,Int.Ed.,2008,47,8826.、米国特許公開US2006/0154807 A1号公報、特表2010−516869号公報に掲載されている共有結合性有機骨格材料(COF)が好適に用いられる。   Although it does not specify in particular as a covalent bond organic frame | skeleton material (COF), For example, Science, 2005,310,1166. J. et al. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 12914. , Science, 2007, 316, 268. J. et al. Am. Chem. Soc. , 2009, 131, 4570. Chem. Matter, 2006, 18, 5296. , Angew. Chem. , Int. Ed. 2008, 47, 8826. Covalent organic skeletal materials (COF) described in US Patent Publication No. US2006 / 0154807 A1 and JP-T 2010-516869 are preferably used.

金属有機骨格材料(MOF)は、金属イオンと有機物の配位結合を利用した多孔性構造を有する材料である。金属有機骨格材料(MOF)においては、少なくとも1種の金属イオンに配位結合した有機化合物が多孔性構造を形成する。金属有機骨格材料(MOF)を構成する金属イオンは周期表のほとんどすべての金属で可能であるが、中でも、Co2+、Ni2+、Cu2+、Fe2+、Fe3+又はZn2+であることが好ましく、Zn2+であることがより好ましい。金属イオンと配位結合を形成する有機物としては、3−ピリジルトリアジン、4−ピリジルトリアジン、アルキルイミダゾール、ビピリジン、テレフタル酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、又は1,3,5−ベンゼントリカルボン酸であることが好ましく、3−ピリジルトリアジン、4−ピリジルトリアジン、アルキルイミダゾール、又はビピリジンであることがさらに好ましく、3−ピリジルトリアジン、4−ピリジルトリアジン、又はアルキルイミダゾールであることが特に好ましい。中でも、金属有機骨格材料(MOF)は、等網目状金属有機骨格材料(IRMOF)、ゼオライト型イミダゾール骨格材料(ZIF)であることが特に好ましい。 A metal organic framework material (MOF) is a material having a porous structure utilizing a coordinate bond between a metal ion and an organic substance. In the metal organic framework material (MOF), an organic compound coordinated to at least one metal ion forms a porous structure. The metal ions constituting the metal organic framework material (MOF) can be almost any metal in the periodic table, among which Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ or Zn 2 It is preferably + , and more preferably Zn 2+ . Examples of organic substances that form coordinate bonds with metal ions include 3-pyridyltriazine, 4-pyridyltriazine, alkylimidazole, bipyridine, terephthalic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, or 1,3,5-benzenetricarboxylic acid. Among them, 3-pyridyltriazine, 4-pyridyltriazine, alkylimidazole, or bipyridine is more preferable, and 3-pyridyltriazine, 4-pyridyltriazine, or alkylimidazole is particularly preferable. Among them, the metal organic framework material (MOF) is particularly preferably an equi-reticular metal organic framework material (IRMOF) or a zeolite type imidazole framework material (ZIF).

金属イオンは、金属有機骨格材料(MOF)のコアとなり、コアは連結リガンド又は連結部分を用いて連結される。ここで、コアとは、骨格中に見いだされる繰り返し単位(単数または複数)を指す。このような骨格は均一な繰り返しコア構造又は不均一な繰り返しコア構造を含んでもよい。コアは金属または金属クラスターおよび連結部分を含み、互いに連結された複数のコアにより骨格が規定される。なお、ここで、金属クラスターとは、2個以上の金属原子が結合したものである。   The metal ion becomes the core of the metal organic framework material (MOF), and the cores are linked using a linking ligand or linking moiety. Here, the core refers to a repeating unit (single or plural) found in the skeleton. Such a skeleton may include a uniform repeating core structure or a non-uniform repeating core structure. The core includes a metal or metal cluster and a connecting portion, and a skeleton is defined by a plurality of cores connected to each other. Here, the metal cluster is a combination of two or more metal atoms.

連結部分とは、連結クラスターを介して、それぞれ金属または複数の金属を結合する単座または多座化合物を指す。一般に、連結部分は、炭素数1〜20の置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のシクロアルキル基、置換または無置換のアリール基を含む。また、連結部分には、炭素原子の他に窒素、酸素、硫黄、ホウ素、リン、ケイ素またはアルミニウムを含んでもよい。   A linking moiety refers to a monodentate or multidentate compound that binds a metal or metals, respectively, via a linking cluster. Generally, the linking moiety includes a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, and a substituted or unsubstituted aryl group. Further, the linking part may contain nitrogen, oxygen, sulfur, boron, phosphorus, silicon or aluminum in addition to the carbon atom.

連結クラスターとは、連結部分構造と金属との間、又は連結部分構造と別の連結部分構造との間に結合を形成することができる原子を含む、縮合可能な1個以上の反応種を指す。このような種の例は、ホウ素、酸素、炭素、窒素、およびリン原子からなる群より選択されることが好ましい。連結クラスターは、例えば、−COOH、−CS2H、−NO2、−SO3H、−Si(OH)3、−Ge(OH)3、−Sn(OH)3、−Si(SH)4、−Ge(SH)4、−Sn(SH)4、−PO3H、−AsO3H、−AsO4H、−P(SH)3、−As(SH)3、−CH(RSH)2、−C(RSH)3、−CH(RNH22、−C(RNH23、−CH(ROH)2、−C(ROH)3、−CH(RCN)2、−C(RCN)3、−CH(SH)2、−C(SH)3、−CH(NH22、−C(NH23、−CH(OH)2、−C(OH)3、−CH(CN)2又は−C(CN)3を含んでもよい。なお、上記のRは炭素数1〜20のアルキル基、またはアリール基である。 A linking cluster refers to one or more condensable reactive species containing atoms that can form a bond between a linking moiety and a metal, or between a linking moiety and another linking moiety. . Examples of such species are preferably selected from the group consisting of boron, oxygen, carbon, nitrogen, and phosphorus atoms. The linked cluster is, for example, —COOH, —CS 2 H, —NO 2 , —SO 3 H, —Si (OH) 3 , —Ge (OH) 3 , —Sn (OH) 3 , —Si (SH) 4. , -Ge (SH) 4, -Sn (SH) 4, -PO 3 H, -AsO 3 H, -AsO 4 H, -P (SH) 3, -As (SH) 3, -CH (RSH) 2 , -C (RSH) 3, -CH (RNH 2) 2, -C (RNH 2) 3, -CH (ROH) 2, -C (ROH) 3, -CH (RCN) 2, -C (RCN) 3 , —CH (SH) 2 , —C (SH) 3 , —CH (NH 2 ) 2 , —C (NH 2 ) 3 , —CH (OH) 2 , —C (OH) 3 , —CH (CN ) 2 or -C (CN) 3 may be included. In addition, said R is a C1-C20 alkyl group or an aryl group.

金属有機骨格材料(MOF)としては、例えば、米国特許第5648508号公報、米国特許第7196210号公報、欧州特許公開EP0790253 A2号公報、M.O’Keeffeら、J.Sol.State Chem.,152(2000)、3〜20頁、H.Liら、Nature402,(1999)、276頁、M.Eddaudiら,Topics、in、Catalysis 9,(1999),105〜111頁、B.Chenら,Science 291,(2001),1021〜1023頁、ドイツ特許公開DE10111230 A1号公報、欧州特許公開EP1785428 A1号公報、国際公開WO2007/054581号公報、国際公開WO2005/049892号公報及び国際公開WO2007/023134号公報に記載されている材料を用いることができる。中でも、ZIF−8(Zn(2−MethylImidazole))が好ましい。   Examples of the metal organic framework material (MOF) include US Pat. No. 5,648,508, US Pat. No. 7,196,210, European Patent Publication No. EP 0790253 A2, M.S. O'Keeff et al. Sol. State Chem. , 152 (2000), pages 3 to 20, H.C. Li et al., Nature 402, (1999), p. Edaudidi et al., Topics, in, Catalysis 9, (1999), pages 105-111, B.R. Chen et al., Science 291, (2001), pages 1021-1023, German Patent Publication DE 10111230 A1, European Patent Publication EP 1785428 A1, International Publication WO 2007/045481, International Publication WO 2005/049892 and International Publication WO 2007. The materials described in Japanese Patent No. 023134 can be used. Among these, ZIF-8 (Zn (2-Methylimidazole)) is preferable.

Figure 2016102037
ZIF−8
Figure 2016102037
ZIF-8

金属有機骨格材料(MOF)としては、多孔性構造が無限に拡がらない多面体の構造を有する制限骨格材料を用いてもよい。このような材料は有機化合物を特別に選択することで形成される。例えば、A.C.Sudikら,J.Am.Chem.Soc.127(2005),7110−7118には、このような特定の骨格材料が記載され、特に金属有機多面体(MOP)と呼ばれている。本発明では、このような金属有機多面体(MOP)も好ましく用いられる。   As the metal organic framework material (MOF), a restricted framework material having a polyhedral structure in which the porous structure does not expand infinitely may be used. Such materials are formed by special selection of organic compounds. For example, A.I. C. Sudik et al. Am. Chem. Soc. 127 (2005), 7110-7118 describes such a specific skeletal material and is specifically called a metal organic polyhedron (MOP). In the present invention, such a metal organic polyhedron (MOP) is also preferably used.

<無機金属塩及び有機金属錯体>
(無機金属塩)
本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法にける前駆体の調製には、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種が用いられる。無機金属塩としては、特に限定はされないが、水酸化物、酸化物、窒化物、亜硫酸化物、硫化物、スルホン化物、カルボニル化物、硝酸化物、亜硝酸化物、ハロゲン化物等を用いることができる。好ましくは対イオンがハロゲンイオン、又は硝酸イオンである。対イオンがハロゲンイオン、硝酸イオン又は硫酸イオンであるハロゲン化物、又は硝酸化物であれば、加熱分解時に生成した炭素表面で炭素と結合し、比表面積を増大させることができるため好ましい。
本発明では、無機金属塩がハロゲン化物であることが好ましく、無機金属塩化物であることが特に好ましい。
<Inorganic metal salts and organometallic complexes>
(Inorganic metal salt)
For the preparation of the precursor in the method for producing the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention, at least one selected from inorganic metal salts and organometallic complexes is used. The inorganic metal salt is not particularly limited, but hydroxide, oxide, nitride, sulfite, sulfide, sulfonate, carbonylate, nitrate, nitrite, halide and the like can be used. Preferably, the counter ion is a halogen ion or a nitrate ion. It is preferable that the counter ion is a halide or nitrate in which a halogen ion, a nitrate ion or a sulfate ion is used, because the specific surface area can be increased by binding to carbon on the carbon surface generated during the thermal decomposition.
In the present invention, the inorganic metal salt is preferably a halide, and particularly preferably an inorganic metal chloride.

また、無機金属塩は結晶水を含むことができ、無機金属塩は含水塩であることが好ましい。無機金属塩が結晶水を含むことにより熱伝導率が向上するため、均一に焼成可能になる点で好ましい。結晶水を含む無機金属塩としては、例えば、塩化コバルト(III)含水塩、塩化鉄(III)含水塩、塩化コバルト(II)含水塩、塩化鉄(II)含水塩を好適に使用することができる。   The inorganic metal salt can contain water of crystallization, and the inorganic metal salt is preferably a hydrated salt. Since the inorganic metal salt contains crystal water, the thermal conductivity is improved, which is preferable in that it can be uniformly fired. As the inorganic metal salt containing crystal water, for example, cobalt chloride (III) hydrate salt, iron chloride (III) hydrate salt, cobalt chloride (II) hydrate salt, iron chloride (II) hydrate salt is preferably used. it can.

無機金属塩の金属種は、Fe、Co、Ni、MnおよびCrのうち少なくとも1種類であることが好ましく、FeまたはCoであることがより好ましく、Feであることがさらに好ましい。Fe、Co、Ni、Mn、Crの塩は、炭素触媒の触媒活性を向上させるナノサイズのシェル構造を形成することに優れ、その中でも特に、Co、Feは、ナノサイズのシェル構造を形成することに優れるため好ましい。また、炭素触媒に含有されたCo、Feは、炭素触媒中において触媒の酸素還元反応活性を向上させることができる。遷移金属として最も好ましくはFeである。Fe含有含窒素カーボンアロイは立上り電位が高く、反応電子数がCoよりも高く、燃料電池の耐久性を比較的向上させることができる。なお、炭素触媒の活性を阻害しない限り、遷移金属以外の元素(例えば、B、アルカリ金属(Na,K,Cs)、アルカリ土類(Mg,Ca,Ba)、鉛、スズ、インジウム、タリウム等)が1種類以上含まれてもよい。   The metal species of the inorganic metal salt is preferably at least one of Fe, Co, Ni, Mn and Cr, more preferably Fe or Co, and even more preferably Fe. Fe, Co, Ni, Mn, and Cr salts are excellent in forming a nano-sized shell structure that improves the catalytic activity of the carbon catalyst, and in particular, Co and Fe form a nano-sized shell structure. It is preferable because it is particularly excellent. Further, Co and Fe contained in the carbon catalyst can improve the oxygen reduction reaction activity of the catalyst in the carbon catalyst. Most preferably, it is Fe as a transition metal. The Fe-containing nitrogen-containing carbon alloy has a high rising potential, has a higher number of reaction electrons than Co, and can relatively improve the durability of the fuel cell. As long as the activity of the carbon catalyst is not inhibited, elements other than transition metals (for example, B, alkali metals (Na, K, Cs), alkaline earths (Mg, Ca, Ba), lead, tin, indium, thallium, etc. ) May be included in one or more types.

無機金属塩の粒径は、直径0.001〜100μmであることが好ましい。より好ましくは0.01〜10μmである。無機金属塩の粒径をこの範囲内にすることで、含窒素有機化合物と均一に混合させることが可能となり、含窒素有機化合物が分解生成時に錯体を形成しやすくなる。   The particle diameter of the inorganic metal salt is preferably 0.001 to 100 μm in diameter. More preferably, it is 0.01-10 micrometers. By making the particle size of the inorganic metal salt within this range, it becomes possible to uniformly mix with the nitrogen-containing organic compound, and the nitrogen-containing organic compound is likely to form a complex when decomposed.

なお、本発明では、焼成前の有機材料において、含窒素有機化合物と無機金属塩は均一分散させなくてもよい。すなわち、含窒素有機化合物が焼成分解した際に、その分解生成物と無機金属塩等の気化物が接触していれば、酸素還元反応活性を有する活性種が形成すると考えられるため、室温での含窒素有機化合物と無機金属塩との混合状態にカーボンアロイの酸素還元反応活性は影響を受けない。   In the present invention, the nitrogen-containing organic compound and the inorganic metal salt need not be uniformly dispersed in the organic material before firing. That is, when the nitrogen-containing organic compound is decomposed by firing, if the decomposition product is in contact with a vaporized substance such as an inorganic metal salt, it is considered that an active species having oxygen reduction reaction activity is formed. The oxygen reduction reaction activity of the carbon alloy is not affected by the mixed state of the nitrogen-containing organic compound and the inorganic metal salt.

(有機金属錯体)
本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法において、前駆体は無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種を含む。前駆体に有機金属錯体を含有させることにより、高いORR活性が得られることに加えて、高反応電子数を有する含窒素カーボンアロイを得ることができる。
有機金属錯体としては、基礎錯体工学研究会編、錯体化学−基礎と最新の話題−、講談社サイエンティフィク(1994)に記載されている化合物を例示することができ、具体的には金属イオンに配位子が配位した化合物を好ましく例示することができ、金属アセタート錯体、β−ジケトン金属錯体、及びサレン錯体から選択される少なくとも一種を好ましく用いることができる。中でも、金属アセタート錯体またはβ−ジケトン金属錯体がより好ましく、金属アセタート錯体が特に好ましく用いられる。また、有機金属錯体は、上述した金属錯体の誘導体であってもよい。有機金属錯体は、多様な配位子の配位数をとることができ、配位幾何異性体でもよいし、金属イオンの価数が異なってもよい。また、有機金属錯体は、金属−炭素結合を有する有機金属化合物でもよい。
(Organic metal complex)
In the method for producing a nitrogen-containing carbon alloy of the present invention, the precursor contains at least one selected from inorganic metal salts and organometallic complexes. By containing an organometallic complex in the precursor, in addition to obtaining high ORR activity, a nitrogen-containing carbon alloy having a high number of reaction electrons can be obtained.
Examples of organometallic complexes include compounds described in Basic Complex Engineering Study Group, Complex Chemistry-Fundamentals and Latest Topics, Kodansha Scientific (1994). A compound in which a ligand is coordinated can be preferably exemplified, and at least one selected from a metal acetate complex, a β-diketone metal complex, and a salen complex can be preferably used. Among these, a metal acetate complex or a β-diketone metal complex is more preferable, and a metal acetate complex is particularly preferably used. The organometallic complex may be a derivative of the above-described metal complex. The organometallic complex can take the coordination number of various ligands, may be a coordination geometric isomer, and may have different valences of metal ions. The organometallic complex may be an organometallic compound having a metal-carbon bond.

金属イオンとして好ましいものは、Fe、Co、Ni、MnおよびCrのイオンである。配位子として好ましいものは、単座配位子(ハロゲン化物イオン、シアン化物イオン、アンモニア、ピリジン(py)、トリフェニルホスフィン、カルボン酸等)、二座配位子(エチレンジアミン(en)、β−ジケトナート(アセチルアセトナート(acac)、ピバロイルメタン(DPM)、ジイソブトキシメタン(DIBM)、イソブトキシピバロイルメタン(IBPM)、テトラメチルオクタジオン(TMOD))、トリフルオロアセチルアセトナート(TFA)、ビピリジン(bpy)、フェナントレン(phen)等)、多座配位子(エチレンジアミンテトラ酢酸イオン(edta))、N,N'−ビス(サリチリデン)エチレンジアミン(salen)等)である。   Preferable metal ions are Fe, Co, Ni, Mn and Cr ions. Preferred ligands include monodentate ligands (halide ion, cyanide ion, ammonia, pyridine (py), triphenylphosphine, carboxylic acid, etc.), bidentate ligands (ethylenediamine (en), β- Diketonate (acetylacetonate (acac), pivaloylmethane (DPM), diisobutoxymethane (DIBM), isobutoxypivaloylmethane (IBPM), tetramethyloctadione (TMOD)), trifluoroacetylacetonate (TFA), bipyridine (Bpy), phenanthrene (phen), etc.), multidentate ligands (ethylenediaminetetraacetate ion (edta), N, N′-bis (salicylidene) ethylenediamine (salen), etc.).

有機金属錯体として用いることができるものとしては、β−ジケトン金属錯体(ビス(アセチルアセトナト)鉄(II)[Fe(acac)2]、トリス(アセチルアセトナト)鉄(III)[Fe(acac)3]、ビス(アセチルアセトナト)コバルト(II)[Co(acac)2]、トリス(アセチルアセトナト)コバルト(III)[Co(acac)3])、ビス(ジピバロイルメタン)鉄(II)[Fe(DPM)2]、トリス(ジピバロイルメタン)鉄(III)[Fe(DPM)3]、トリス(ジピバロイルメタン)コバルト(III)[Co(DPM)3]、ビス(ジイソブトキシメタン)鉄(II)[Fe(DIBM)2]、トリス(ジイソブトキシメタン)鉄(III)[Fe(DIBM)3]、トリス(ジイソブトキシメタン)コバルト(III)[Co(DIBM)3]、ビス(イソブトキシピバロイルメタン)鉄(II)[Fe(IBPM)2]、トリス(イソブトキシピバロイルメタン)コバルト(III)[Co(IBPM)3]、ビス(テトラメチルオクタジオン)鉄(II)[Fe(TMOD)2])、トリス(テトラメチルオクタジオン)鉄(III)[Fe(TMOD)3]、トリス(テトラメチルオクタジオン)コバルト(III)[Co(TMOD)3])、トリス(1,10−フェナントロリナート)鉄(III)塩化物[Fe(phen)3]Cl2、トリス(1,10−フェナントロリナート)コバルト(III)塩化物[Co(phen)3]Cl2、N,N’−メチレンビス(サリチリデンアミナト)金属錯体および類縁体(サレン金属錯体)(N,N’−エチレンジアミンビス(サリチリデンアミナト)鉄(II)[Fe(salen)]、N,N’−エチレンジアミンビス(サリチリデンアミナト)鉄(III)塩化物[Fe(salen)Cl]、N,N‘−ビス(サリチリデン)−o−フェニレンヂアミノ鉄(II)[Fe(Saloph)]、N,N’−エチレンジアミンビス(サリチリデンアミナト)コバルト(II)[Co(salen)]、N,N’−エチレンジアミンビス(サリチリデンアミナト)コバルト(III)塩化物[Co(salen)Cl]、N,N'−ビス(サリチリデン)−o−フェニレンヂアミノコバルト(II)[Co(saloph)])、トリス(2,2’−ビピリジン)鉄(II)塩化物[Fe(bpy)3]Cl2、トリス(2,2’−ビピリジン)コバルト(II)塩化物[Co(bpy)3]Cl2、鉄フタロシアニン(MPc)及び酢酸鉄[Fe(OAc)2]を挙げることができる。
その中でもβ−ジケトン金属錯体(ビス(アセチルアセトナト)鉄(II)[Fe(acac)2]、トリス(アセチルアセトナト)鉄(III)[Fe(acac)3])、ビス(ジピバロイルメタン)鉄(II)[Fe(DPM)2]、ビス(ジイソブトキシメタン)鉄(II)[Fe(DIBM)2]、ビス(イソブトキシピバロイルメタン)鉄(II)[Fe(IBPM)2]、ビス(テトラメチルオクタジオン)鉄(II)[Fe(TMOD)2])、N,N’−エチレンジアミンビス(サリチリデンアミナト)酸鉄(II)[Fe(salen)]、トリス(2,2’−ビピリジン)鉄(II)塩化物[Fe(bpy)3]Cl2、鉄フタロシアニン(MPc)、酢酸鉄[Fe(OAc)2]、N,N’−エチレンジアミンビス(サリチリデンアミナト)鉄(II)[Fe(salen)]又はN,N’−エチレンジアミンビス(サリチリデンアミナト)コバルト(II)[Co(salen)]が好ましく、アセチルアセトン鉄(II)錯体であるビス(アセチルアセトナト)鉄(II)[Fe(acac)2]、または金属アセタート錯体である酢酸鉄[Fe(OAc)2]がより好ましく用いられる。
Examples of organometallic complexes that can be used include β-diketone metal complexes (bis (acetylacetonato) iron (II) [Fe (acac) 2 ], tris (acetylacetonato) iron (III) [Fe (acac 3 ], bis (acetylacetonato) cobalt (II) [Co (acac) 2 ], tris (acetylacetonato) cobalt (III) [Co (acac) 3 ]), bis (dipivaloylmethane) iron (II) [Fe (DPM) 2 ], tris (dipivaloylmethane) iron (III) [Fe (DPM) 3 ], tris (dipivaloylmethane) cobalt (III) [Co (DPM) 3 ] , bis (diisobutoxyphenyl methane) iron (II) [Fe (DIBM) 2], tris (diisobutoxyphenyl methane) iron (III) [Fe (DIBM) 3], tris (diisobutyronitrile Kishimetan) cobalt (III) [Co (DIBM) 3], bis (iso-butoxy pivaloyl methane) iron (II) [Fe (IBPM) 2], tris (isobutoxy pivaloyl methane) cobalt (III) [Co (IBPM) 3 ], bis (tetramethyloctadione) iron (II) [Fe (TMOD) 2 ]), tris (tetramethyloctadione) iron (III) [Fe (TMOD) 3 ], tris (tetramethylocta Dione) cobalt (III) [Co (TMOD) 3 ]), tris (1,10-phenanthrolinato) iron (III) chloride [Fe (phen) 3 ] Cl 2 , tris (1,10-phenant) Rorinato) cobalt (III) chloride [Co (phen) 3] Cl 2, N, N'- methylenebis (salicylidene A Minato) metal complexes and analogues (Salen metal complex) (N, N′-ethylenediaminebis (salicylideneaminato) iron (II) [Fe (salen)], N, N′-ethylenediaminebis (salicylideneaminato) iron (III) chloride [Fe (salen) Cl], N, N′-bis (salicylidene) -o-phenylenediaminoiron (II) [Fe (Saloph)], N, N′-ethylenediaminebis (salicylideneaminato) cobalt (II) [Co (salen)], N, N′-ethylenediaminebis (salicylideneaminato) cobalt (III) chloride [Co (salen) Cl], N, N′-bis (salicylidene) -o— phenylene diethylene amino cobalt (II) [Co (saloph) ]), tris (2,2'-bipyridine) iron (II) chloride [Fe (bpy) 3] Cl 2, tri (2,2'-bipyridine) may be mentioned cobalt (II) chloride [Co (bpy) 3] Cl 2, iron phthalocyanine (MPc) and iron acetate [Fe (OAc) 2].
Among them, β-diketone metal complexes (bis (acetylacetonato) iron (II) [Fe (acac) 2 ], tris (acetylacetonato) iron (III) [Fe (acac) 3 ]), bis (dipivalo Ylmethane) iron (II) [Fe (DPM) 2 ], bis (diisobutoxymethane) iron (II) [Fe (DIBM) 2 ], bis (isobutoxypivaloylmethane) iron (II) [Fe (IBPM) 2 ), bis (tetramethyloctadione) iron (II) [Fe (TMOD) 2 ]), N, N′-ethylenediaminebis (salicylideneaminato) iron (II) [Fe (salen)], tris (2,2'-bipyridine) iron (II) chloride [Fe (bpy) 3] Cl 2, iron phthalocyanine (MPc), iron acetate [Fe (OAc) 2], N, N'- ethylenediamine bis (Sa Chiledenaminato) iron (II) [Fe (salen)] or N, N′-ethylenediaminebis (salicylideneaminato) cobalt (II) [Co (salen)] is preferred, and bis ( Acetylacetonato) iron (II) [Fe (acac) 2 ] or iron acetate [Fe (OAc) 2 ] which is a metal acetate complex is more preferably used.

本発明では、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種は、前駆体の全質量に対して0.1質量%を超えて含まれることが好ましく、0.1〜50質量%含まれることがより好ましく、0.1〜20質量%含まれることがさらに好ましい。無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種を上記範囲内含有させることにより、多孔性材料(MOFやCOF等)の反応空間場(細孔内)に無機金属塩又は有機金属錯体が揮散し、熱分解・還元しても、金属ナノクラスターが凝集することなく触媒活性サイトを形成するため、高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを生成しやすくなる。本発明では、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料を併用することにより、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種の添加量を抑制することもできる。具体的には、前駆体の全質量に対して0.1〜50質量%とした場合であっても、高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを、高い収率で生成することができる。無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種の添加量を抑制することで、効率よく還元反応を行うことが可能となり、高い酸素還元反応活性を有する含窒素カーボンアロイを得ることができる。   In this invention, it is preferable that at least 1 type selected from an inorganic metal salt and an organometallic complex is contained exceeding 0.1 mass% with respect to the total mass of a precursor, and 0.1-50 mass% is contained. It is more preferable that 0.1 to 20% by mass is further included. By containing at least one selected from inorganic metal salts and organometallic complexes within the above range, inorganic metal salts or organometallic complexes are volatilized in the reaction space (in the pores) of the porous material (MOF, COF, etc.). However, even if pyrolysis and reduction, the metal nanoclusters form a catalytically active site without agglomeration, so that it becomes easy to produce a nitrogen-containing carbon alloy having high oxygen reduction reaction activity. In the present invention, by using a covalent organic skeleton material and a metal organic skeleton material in combination, it is also possible to suppress the addition amount of at least one selected from inorganic metal salts and organometallic complexes. Specifically, even if it is a case where it is 0.1-50 mass% with respect to the total mass of a precursor, the nitrogen-containing carbon alloy which has high oxygen reduction reaction activity can be produced | generated with a high yield. . By suppressing the addition amount of at least one selected from an inorganic metal salt and an organometallic complex, it is possible to perform a reduction reaction efficiently and obtain a nitrogen-containing carbon alloy having high oxygen reduction reaction activity.

酸素還元反応活性(ORR活性)は、実施例にて詳述する方法により電位を求め、これをORR活性値として測定することができる。高出力を得るために、酸素還元する際の電位の値が高いことが好ましく、具体的には、0.5mg/cm2の電極塗布量における電流密度値−2mA/cm2における電位が、0.70V以上が好ましく、0.73V以上がより好ましく、0.80V以上がさらに好ましい。塗布量と電流密度は直線的に増加するが、塗布量が増すと含窒素カーボンアロイ粒子間の抵抗の増加、酸素および水の拡散抵抗の増加等により電流密度が想定した直線から低くなる。オームの法則により、塗布量と電位の関係においても、同様に、塗布量と電位は直線からずれて低くなる。0.5mg/cm2における電位の値は、0.05mg/cm2における触媒活性を示す電位と含窒素カーボンアロイの導電性を加味した値であり、この電位の範囲にすることにより優れた導電性を得ることができるため特に好ましい。 The oxygen reduction reaction activity (ORR activity) can be measured as an ORR activity value by obtaining a potential by the method described in detail in Examples. To obtain high output, it is preferred high value of the potential at the time of oxygen reduction, specifically, the potential at a current density value -2 mA / cm 2 in the electrode coating amount of 0.5 mg / cm 2, 0 .70 V or more is preferable, 0.73 V or more is more preferable, and 0.80 V or more is more preferable. The coating amount and the current density increase linearly, but as the coating amount increases, the current density decreases from the assumed straight line due to an increase in resistance between the nitrogen-containing carbon alloy particles, an increase in diffusion resistance of oxygen and water, and the like. According to Ohm's law, the coating amount and the potential are similarly deviated from the straight line in the relationship between the coating amount and the potential. The value of the potential at 0.5 mg / cm 2 is a value that takes into account the potential of the catalyst activity at 0.05 mg / cm 2 and the conductivity of the nitrogen-containing carbon alloy. It is particularly preferable because it can obtain the properties.

(導電助剤)
本発明では、前駆体に導電助剤を添加して焼成してもよく、含窒素カーボンアロイに添加してもよい。導電助剤としては、特に限定はされないが、例えば、ノーリット(NORIT社製)、ケッチェンブラック(Lion社製)、バルカン(Cabot社製)、ブラックパール(Cabot社製)、アセチレンブラック(Chevron社製)(いずれも商品名)等のカーボンブラック、黒鉛をはじめ、C60やC70等のフラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボン繊維等の炭素材料が挙げられる。
(Conductive aid)
In the present invention, a conductive additive may be added to the precursor and baked, or may be added to the nitrogen-containing carbon alloy. Although it does not specifically limit as a conductive support agent, For example, Norrit (made by NORIT), Ketjen black (made by Lion), Vulcan (made by Cabot), black pearl (made by Cabot), acetylene black (Chevron) Carbon black such as (manufactured) (all are trade names), graphite, and carbon materials such as fullerenes such as C60 and C70, carbon nanotubes, carbon nanohorns, and carbon fibers.

導電助剤の添加率は、前駆体の全体質量に対して、0.01〜50質量%であることが好ましく、0.1〜20質量%であることがより好ましく、1〜10質量%であることがさらに好ましい。導電助剤の添加量を上記範囲内とすることにより、系中で無機金属塩や有機金属錯体から生成する金属の凝集・成長が均一になり、目的とする多孔性の含窒素カーボンアロイを得ることがきる。   The addition rate of the conductive assistant is preferably 0.01 to 50% by mass, more preferably 0.1 to 20% by mass, and more preferably 1 to 10% by mass with respect to the total mass of the precursor. More preferably it is. By setting the addition amount of the conductive additive within the above range, the aggregation and growth of the metal generated from the inorganic metal salt or organometallic complex in the system becomes uniform, and the desired porous nitrogen-containing carbon alloy is obtained. I can do it.

<含窒素カーボンアロイの製造方法における各工程>
本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法は、
(1)上述した構造を有する含窒素有機化合物と、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種と、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種を混合して前駆体を調製する工程と、
(2)前駆体を不活性雰囲気下で室温から炭素化温度まで毎分1〜2000℃で昇温する昇温工程と、
(3)400〜2000℃で、1秒〜100時間保持する炭素化工程と、
(4)炭素化温度から室温まで冷却する冷却工程を含んでいることが好ましい。
<Each process in the manufacturing method of nitrogen-containing carbon alloy>
The method for producing the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention comprises:
(1) A nitrogen-containing organic compound having the structure described above, at least one selected from a covalent organic skeleton material and a metal organic skeleton material, and at least one selected from an inorganic metal salt and an organometallic complex are mixed. Preparing a precursor; and
(2) a temperature raising step for raising the temperature of the precursor from 1 to 2000 ° C. per minute from room temperature to the carbonization temperature under an inert atmosphere;
(3) a carbonization step of holding at 400 to 2000 ° C. for 1 second to 100 hours;
(4) It is preferable to include a cooling step of cooling from the carbonization temperature to room temperature.

(1)の前駆体を調製する工程の後には、(1−2)前駆体を粉砕する工程をさらに含むことが好ましい。また、(2)〜(4)の前駆体を焼成する工程の後(炭素化処理後に、含窒素カーボンアロイを室温まで冷却した後)に、(5)粉砕処理を行ってもよい。
さらに、本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法は焼成工程の後に、
(6)焼成された含窒素カーボンアロイを酸で洗浄する工程を含むことが好ましく、
(7)酸洗浄工程の後に、酸洗浄された含窒素カーボンアロイを再焼成する工程を含むことがより好ましい。
以下、本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法について、以上の(1)〜(7)の工程を順に説明する。
After the step of preparing the precursor of (1), it is preferable to further include a step of pulverizing the precursor (1-2). Further, after the step of firing the precursors (2) to (4) (after the carbonization treatment, the nitrogen-containing carbon alloy is cooled to room temperature), (5) pulverization treatment may be performed.
Furthermore, the manufacturing method of the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention is the firing step,
(6) It preferably includes a step of washing the baked nitrogen-containing carbon alloy with an acid,
(7) More preferably, after the acid cleaning step, a step of refiring the acid-cleaned nitrogen-containing carbon alloy is included.
Hereinafter, the above-described steps (1) to (7) will be described in order for the method for producing a nitrogen-containing carbon alloy of the present invention.

(1)前駆体の調製工程
前駆体の調製工程では、上述した含窒素有機化合物と、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種と、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種を混合して前駆体を調製する。
(1) Precursor preparation step In the precursor preparation step, the above-mentioned nitrogen-containing organic compound, at least one selected from a covalent organic skeleton material and a metal organic skeleton material, an inorganic metal salt and an organometallic complex are used. A precursor is prepared by mixing at least one selected.

(1−2)前駆体を粉砕する工程
含窒素カーボンアロイの製造工程において調製された前駆体はその後焼成されるが、焼成工程の前に前駆体を粉砕する工程をさらに含むことが好ましい。
(1-2) Step of grinding the precursor The precursor prepared in the production process of the nitrogen-containing carbon alloy is then fired, but it is preferable to further include a step of grinding the precursor before the firing step.

焼成工程の前に前駆体を粉砕する工程を含む場合、粉砕方法としては、当業者に公知のいずれの方法でも行うことができ、例えば、メノウ粉砕、機械粉砕等を用いて粉砕することができる。中でも、機械粉砕の方法は好ましく用いられる。機械粉砕方法では、カッティングミル(Cutting Mill)を回転させることによって粉砕が行われる。すなわち、機械粉砕方法では、前駆体にせん断力が加えられることにより粉砕が行われる。このような機械粉砕方法を用いることにより、前駆体の比容積を一定値以上とすることができ、これにより、高い酸素還元反応活性(ORR活性)を有する含窒素カーボンアロイが得られる。   When the step of pulverizing the precursor is included before the firing step, the pulverization method can be performed by any method known to those skilled in the art, and for example, pulverization can be performed using agate pulverization, mechanical pulverization, or the like. . Of these, the mechanical grinding method is preferably used. In the mechanical grinding method, grinding is performed by rotating a cutting mill. That is, in the mechanical pulverization method, pulverization is performed by applying a shearing force to the precursor. By using such a mechanical pulverization method, the specific volume of the precursor can be set to a certain value or more, thereby obtaining a nitrogen-containing carbon alloy having high oxygen reduction reaction activity (ORR activity).

機械粉砕には、例えば、ワーリング社製、X−TREME MX1200XTMを用いることができる。粉砕条件に関して特に限定されないが、回転刃の回転数が80〜30000rpmで混合することが好ましく、300〜25000rpmで混合することがより好ましく、1300〜20000rpmで混合することがさらに好ましい。回転方法は、連続回転、断続回転、および連続と断続回転の組合せで行うことができる。粉砕時間は0.1秒〜15分間であることが好ましく、粉砕回数は少なくとも1回以上であることが好ましい。
断続粉砕において、回転刃の停止時間は粉砕時間の0.1〜100倍であることが好ましく、1〜50倍であることがより好ましく、2〜30倍であることがさらに好ましい。たとえば、回転数が10000rpm以上、粉砕時間が10秒以下、回転刃の停止時間が0.1倍以上、粉砕回数が2回以上の場合、前駆体混合物の熱による分解が低下し、前駆体混合物を微細化できることに加え、混合を均一にすることができるため、より効果的に酸素還元反応活性を高めることができる。
連続粉砕による粉砕時間が30秒以上の場合、前駆体混合物が発熱し、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種の細孔内に、含窒素有機化合物、含窒素有機化合物の互変異性体、含窒素有機化合物の塩及び含窒素有機化合物の水和物から選択される少なくとも一種と、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種が揮散するため、より効果的に酸素還元反応活性を高めることができる。
For machine pulverization, for example, X-TREME MX1200XTM manufactured by Waring Co., Ltd. can be used. Although it does not specifically limit regarding grinding | pulverization conditions, It is preferable that the rotation speed of a rotary blade is 80 to 30000 rpm, it is more preferable to mix at 300 to 25000 rpm, and it is further more preferable to mix at 1300 to 20000 rpm. The rotation method can be performed by continuous rotation, intermittent rotation, or a combination of continuous and intermittent rotation. The pulverization time is preferably 0.1 seconds to 15 minutes, and the number of pulverizations is preferably at least once.
In the intermittent pulverization, the stop time of the rotary blade is preferably 0.1 to 100 times the pulverization time, more preferably 1 to 50 times, and even more preferably 2 to 30 times. For example, when the rotational speed is 10000 rpm or more, the pulverization time is 10 seconds or less, the rotary blade stop time is 0.1 times or more, and the number of pulverizations is 2 times or more, decomposition of the precursor mixture by heat is reduced, and the precursor mixture Since the mixing can be made uniform, the oxygen reduction reaction activity can be increased more effectively.
When the pulverization time by continuous pulverization is 30 seconds or more, the precursor mixture generates heat, and at least one kind of pores selected from a covalently bonded organic skeleton material and a metal organic skeleton material has a nitrogen-containing organic compound and a nitrogen-containing organic compound. More effective because at least one selected from tautomers of compounds, salts of nitrogen-containing organic compounds and hydrates of nitrogen-containing organic compounds and at least one selected from inorganic metal salts and organometallic complexes are volatilized. In particular, the oxygen reduction reaction activity can be increased.

(2)昇温工程、(3)炭素化工程および(4)冷却工程
本発明の製造方法においては、特定の構造を有する含窒素有機化合物、その互変異性体、その塩及びその水和物の少なくとも一種と、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種と、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種とを含む前駆体を炭素化温度まで昇温し、加熱処理後、室温まで冷却することが好ましい。
(2) Temperature raising step, (3) Carbonization step and (4) Cooling step In the production method of the present invention, the nitrogen-containing organic compound having a specific structure, its tautomer, its salt and its hydrate The precursor containing at least one selected from the group consisting of at least one selected from the group consisting of a covalent organic skeleton material and a metal organic skeleton material and at least one selected from inorganic metal salts and organometallic complexes is heated to a carbonization temperature. After the heat treatment, it is preferable to cool to room temperature.

また、昇温工程の昇温処理や後述の再焼成工程では、多段階で昇温しても良い。
多段階の昇温処理のうち、後段の昇温処理は、前段の昇温処理の終了後に、温度保持しても、そのまま温度を上げて昇温処理を行ってもよい。また、一旦室温まで冷却した後に温度を上げ、後段の昇温処理を行ってもよい。
また、前段の昇温処理後に室温まで冷却した際には、後述の(5)粉砕処理により、処理後の試料を均一に粉砕してもよいし、さらに成形してもよい。また、後述の、(6)酸洗浄工程により、処理後の試料を酸洗浄して金属を除去してもよい。
Further, the temperature may be raised in multiple stages in the temperature raising process of the temperature raising process and the re-baking process described later.
Of the multi-stage temperature raising processes, the latter stage of the temperature raising process may be carried out by holding the temperature after the completion of the preceding temperature raising process or by raising the temperature as it is. Alternatively, after cooling to room temperature, the temperature may be raised and a subsequent temperature increase process may be performed.
Moreover, when it cools to room temperature after the temperature rising process of a front | former stage, the sample after a process may be grind | pulverized uniformly by the below-mentioned (5) grinding process, and you may shape | mold further. Alternatively, the metal may be removed by acid cleaning of the sample after the treatment in (6) acid cleaning step described later.

昇温処理においては、処理前の試料を炭化装置等に挿入した後に常温から所定温度まで昇温してもよいし、あるいは、所定温度の炭化装置等へ処理前の試料を挿入することで昇温してもよい。
好ましくは、処理前の試料を常温から所定温度まで昇温するのがよい。所定温度まで昇温する場合には、昇温速度を一定にすることが好ましい。より具体的には、昇温速度は毎分1〜2000℃で昇温することが好ましく、毎分1〜1000℃で昇温することがより好ましく、毎分1〜500℃で昇温することがさらに好ましい。
In the temperature raising process, the sample before treatment may be inserted from the normal temperature to a predetermined temperature after being inserted into the carbonization apparatus, or the temperature may be increased by inserting the sample before treatment into the carbonization apparatus at the predetermined temperature. May be warm.
Preferably, the temperature of the sample before processing is raised from room temperature to a predetermined temperature. When raising the temperature to a predetermined temperature, it is preferable to keep the temperature raising rate constant. More specifically, the rate of temperature increase is preferably 1 to 2000 ° C./min, more preferably 1 to 1000 ° C./min, and 1 to 500 ° C./min. Is more preferable.

(予備炭化物)
細孔を形成した予備炭化物を得るために、含窒素有機化合物と、共有結合性有機骨格材料又は金属有機骨格材料と、無機金属塩又は有機金属錯体とを含む有機材料の前段の処理は、比較的低温で行うことが好ましい。また、このような低温処理においては、一定温度を保持してもよい。これにより、熱に安定な構造だけを保持し、不安定な不純物成分、溶媒等を除去できる。
(Preliminary carbide)
In order to obtain a pre-carbide with pores formed, the previous treatment of the organic material containing a nitrogen-containing organic compound, a covalently bonded organic skeleton material or metal organic skeleton material, and an inorganic metal salt or organometallic complex is compared. It is preferable to carry out at a low temperature. In such a low temperature treatment, a constant temperature may be maintained. As a result, only the heat-stable structure can be maintained, and unstable impurity components, solvents, and the like can be removed.

比較的低温で行う昇温処理は、含窒素有機化合物と無機金属塩等とを含む有機材料を100〜1500℃まで昇温することが好ましく、150〜1050℃まで昇温することがより好ましく、200〜1000℃まで昇温することがさらに好ましい。これにより、均一な予備炭化物が得られる。   In the temperature raising treatment performed at a relatively low temperature, it is preferable to raise the temperature of an organic material containing a nitrogen-containing organic compound and an inorganic metal salt to 100 to 1500 ° C, more preferably to 150 to 1050 ° C, More preferably, the temperature is raised to 200 to 1000 ° C. Thereby, a uniform preliminary carbide is obtained.

上記の昇温処理は、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。不活性雰囲気とは、窒素ガスや希ガス雰囲気下などのガス雰囲気をいう。なお、酸素が含まれていたとしても、被処理物を燃焼させない程度まで酸素量を制限した雰囲気であればよい。不活性雰囲気は、閉鎖系又は新たなガスを流通させる流通系のいずれであってもよく、好ましくは流通系である。流通系とする場合には、内径36mmφ当たり0.01〜2.0リットル/分のガスを流通させることが好ましく、内径36mmφ当たり0.05〜1.0リットル/分のガスを流通させることがより好ましく、内径36mmφ当たり0.1〜0.5リットル/分のガスを流通させることが特に好ましい。   It is preferable to perform said temperature rising process in inert atmosphere. The inert atmosphere refers to a gas atmosphere such as a nitrogen gas or a rare gas atmosphere. Note that even if oxygen is contained, the atmosphere may be any atmosphere in which the amount of oxygen is limited to such an extent that the workpiece is not combusted. The inert atmosphere may be either a closed system or a distribution system for circulating a new gas, and is preferably a distribution system. In the case of a circulation system, it is preferable to circulate a gas of 0.01 to 2.0 liter / min per 36 mmφ inner diameter, and a gas of 0.05 to 1.0 liter / min per 36 mmφ inner diameter. More preferably, it is particularly preferable to flow a gas of 0.1 to 0.5 liter / min per 36 mmφ inside diameter.

昇温処理後、温度保持の時間は、1秒〜100時間であり、好ましくは1分〜50時間であり、より好ましくは5分〜5時間である。100時間を超えて炭素化処理しても処理時間に相応する効果は得られない場合がある。   After the temperature raising treatment, the temperature holding time is 1 second to 100 hours, preferably 1 minute to 50 hours, and more preferably 5 minutes to 5 hours. Even if the carbonization treatment is performed for more than 100 hours, an effect corresponding to the treatment time may not be obtained.

上記の昇温処理で使用する加熱装置は、特に限定されないが、管状炉(カンタル線炉、イメージング炉)、マッフル炉、真空ガス置換炉、回転炉(ロータリーキルン)、ローラーハースキルン、プッシャーキルン、多段炉、トンネル炉、流動焼成炉等を用いることが好ましく、管状炉(カンタル線炉、イメージング炉)、マッフル炉、回転炉(ロータリーキルン)、流動焼成炉を用いることがより好ましく、管状炉(カンタル線炉、イメージング炉)、マッフル炉を用いることが特に好ましい。   The heating device used in the above temperature raising treatment is not particularly limited, but is a tubular furnace (Kantar wire furnace, imaging furnace), muffle furnace, vacuum gas replacement furnace, rotary furnace (rotary kiln), roller hearth kiln, pusher kiln, multistage It is preferable to use a furnace, a tunnel furnace, a fluidized firing furnace or the like, and it is more preferable to use a tubular furnace (a cantal wire furnace, an imaging furnace), a muffle furnace, a rotary furnace (rotary kiln), a fluidized firing furnace, a tubular furnace (a cantal wire) Furnaces, imaging furnaces) and muffle furnaces are particularly preferred.

(不融体)
炭素化温度までの加熱処理において、昇温処理の部分をまとめて不融化処理とする。不融体を得るためには、前段の特定の構造を有する含窒素有機化合物と、共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種と、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種とを含む前駆体の昇温処理に引き続き、後段の昇温処理を連続して行うことが好ましい。これにより、前段の余熱を利用することができ、有機材料の分解反応と炭素化反応を連続して行うことができ、分解生成物と金属とが相互作用して、金属をより活性が高い状態で安定化することができる。なお、金属としては、鉄イオンを、2価の状態で含むものを用いることが好ましい。その結果、高い酸素還元性能を有する含窒素カーボンアロイを製造することができる。
(Infusible)
In the heat treatment up to the carbonization temperature, the portions of the temperature rise treatment are collectively referred to as an infusible treatment. In order to obtain an infusible material, a nitrogen-containing organic compound having a specific structure in the previous stage, at least one selected from a covalent organic skeleton material and a metal organic skeleton material, and an inorganic metal salt and an organometallic complex are selected. It is preferable that the subsequent temperature raising treatment is continuously performed following the temperature raising treatment of the precursor containing at least one kind. As a result, the residual heat of the previous stage can be utilized, the decomposition reaction and the carbonization reaction of the organic material can be continuously performed, and the decomposition product and the metal interact with each other, so that the metal is more active. It can be stabilized with. In addition, it is preferable to use what contains an iron ion in a bivalent state as a metal. As a result, a nitrogen-containing carbon alloy having high oxygen reduction performance can be produced.

後段の昇温処理は、不活性雰囲気下で行うことが好ましく、不活性雰囲気は、閉鎖系又は新たなガスを流通させる流通系のいずれであってもよく、好ましくは流通系である。流通系とする場合には、内径36mmφ当たり0.01ミリリットル〜2.0リットル/分のガスを流通させることが好ましく、内径36mmφ当たり0.02ミリリットル〜1.0リットル/分のガスを流通させることがより好ましく内径36mmφ当たり0.05ミリリットル〜0.5リットル/分のガスを流通させることが特に好ましい。なお、後段のガス流量は、前段でのガス流量と異なっていても良い。   The subsequent temperature increase treatment is preferably performed in an inert atmosphere, and the inert atmosphere may be either a closed system or a distribution system for circulating a new gas, and is preferably a distribution system. In the case of a circulation system, it is preferable to circulate a gas of 0.01 ml to 2.0 liter / min per 36 mmφ inner diameter, and a gas of 0.02 ml to 1.0 liter / min per 36 mmφ inner diameter. It is more preferable to circulate a gas of 0.05 milliliter to 0.5 liter / min per 36 mmφ inside diameter. The downstream gas flow rate may be different from the upstream gas flow rate.

昇温処理後、温度保持の時間は、1秒〜100時間であり、好ましくは1分〜50時間であり、より好ましくは5分〜5時間である。100時間を超えて炭素化処理しても処理時間に相応する効果は得られない場合がある。   After the temperature raising treatment, the temperature holding time is 1 second to 100 hours, preferably 1 minute to 50 hours, and more preferably 5 minutes to 5 hours. Even if the carbonization treatment is performed for more than 100 hours, an effect corresponding to the treatment time may not be obtained.

上記の昇温処理で使用する加熱装置は、特に限定されないが、管状炉(カンタル線炉、イメージング炉)、マッフル炉、真空ガス置換炉、回転炉(ロータリーキルン)、ローラーハースキルン、プッシャーキルン、多段炉、トンネル炉、流動焼成炉等を用いることが好ましく、管状炉(カンタル線炉、イメージング炉)、マッフル炉、回転炉(ロータリーキルン)、流動焼成炉を用いることがより好ましく、管状炉(カンタル線炉、イメージング炉)、マッフル炉を用いることが特に好ましい。   The heating device used in the above temperature raising treatment is not particularly limited, but is a tubular furnace (Kantar wire furnace, imaging furnace), muffle furnace, vacuum gas replacement furnace, rotary furnace (rotary kiln), roller hearth kiln, pusher kiln, multistage It is preferable to use a furnace, a tunnel furnace, a fluidized firing furnace or the like, and it is more preferable to use a tubular furnace (a cantal wire furnace, an imaging furnace), a muffle furnace, a rotary furnace (rotary kiln), a fluidized firing furnace, a tubular furnace (a cantal wire) Furnaces, imaging furnaces) and muffle furnaces are particularly preferred.

(炭化物)
炭化物を得るために、前段の昇温処理後、室温まで冷却し、均一に粉砕して、酸洗浄を行い後段の昇温処理をすることが好ましい。これにより、炭素化処理における処理温度を上げることができ、炭素構造の規則性がより高められた含窒素カーボンアロイを得ることが可能になる。その結果、含窒素カーボンアロイの導電性が向上し、高い酸素還元性能が得られ、また、触媒としての耐久性も向上する。
また、前段から直接高温度での炭素化処理を行うことも好ましい。これにより、含窒素カーボンアロイの収率が低減する場合があるが、得られる含窒素カーボンアロイの結晶子サイズが揃い、そのため金属が均一に分布し、活性が高い状態が保持される。結果として、優れた酸素還元性能を有する含窒素カーボンアロイの製造が可能となる。なお、このような処理温度は、炭素化温度を超えないことが好ましく、このような温度範囲で炭素化処理を行うことにより、適切な含窒素カーボンアロイを得ることができる。
(carbide)
In order to obtain a carbide, it is preferable to cool to room temperature after the temperature rising treatment in the previous stage, uniformly pulverize, perform acid cleaning, and then perform the temperature rising process in the subsequent stage. As a result, the treatment temperature in the carbonization treatment can be increased, and a nitrogen-containing carbon alloy having a more regular carbon structure can be obtained. As a result, the conductivity of the nitrogen-containing carbon alloy is improved, high oxygen reduction performance is obtained, and durability as a catalyst is also improved.
It is also preferable to perform carbonization treatment at a high temperature directly from the previous stage. Thereby, the yield of the nitrogen-containing carbon alloy may be reduced, but the crystallite size of the obtained nitrogen-containing carbon alloy is uniform, so that the metal is uniformly distributed and the state of high activity is maintained. As a result, it becomes possible to produce a nitrogen-containing carbon alloy having excellent oxygen reduction performance. In addition, it is preferable that such process temperature does not exceed carbonization temperature, and a suitable nitrogen-containing carbon alloy can be obtained by performing carbonization process in such a temperature range.

特定の構造を有する含窒素有機化合物と無機金属塩とを含む前駆体の炭素化処理の焼成温度は、含窒素有機化合物が熱分解及び炭素化する温度であれば特に制限されないが、炭素化温度の上限は2000℃である必要がある。
無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種を含む前駆体の場合、反応温度の下限は400℃であることが好ましく、500℃であることがより好ましく、600℃であることがさらに好ましく、700℃であることがよりさらに好ましい。反応温度を上記範囲内とすることによって、炭化が進んで高い触媒性能を有する含窒素カーボンアロイが得られる。また、反応温度が2000℃以下であれば炭素骨格中に窒素が残留し、所望のN/C原子比とすることでき、十分な酸素還元反応活性が得られる。
焼成温度は、600〜1500℃であることが好ましく、700〜1200℃であることがより好ましく、700〜1050℃であることが特に好ましい。この範囲内で炭素化処理を行うと、含窒素カーボンアロイの収率が低減する場合があるが、得られる含窒素カーボンアロイの結晶子サイズが揃い、そのため金属が均一に分布し、活性が高い状態が保持される。結果として、優れた酸素還元性能を有する含窒素カーボンアロイの製造が可能となる。また、上記範囲内で炭素化処理を行うことにより、生成した無機金属の作用に炭素骨格中に窒素が残留し易くなり、酸素還元反応活性を高めることができる。
The firing temperature of the carbonization treatment of the precursor containing a nitrogen-containing organic compound having a specific structure and an inorganic metal salt is not particularly limited as long as the nitrogen-containing organic compound is thermally decomposed and carbonized. The upper limit of is required to be 2000 ° C.
In the case of a precursor containing at least one selected from inorganic metal salts and organometallic complexes, the lower limit of the reaction temperature is preferably 400 ° C, more preferably 500 ° C, and even more preferably 600 ° C. 700 ° C. is even more preferable. By setting the reaction temperature within the above range, a carbon-containing carbon alloy having advanced catalytic performance and high catalytic performance can be obtained. Moreover, if reaction temperature is 2000 degrees C or less, nitrogen will remain in carbon skeleton and it can be set as desired N / C atomic ratio, and sufficient oxygen reduction reaction activity will be obtained.
The firing temperature is preferably 600 to 1500 ° C, more preferably 700 to 1200 ° C, and particularly preferably 700 to 1050 ° C. When the carbonization treatment is performed within this range, the yield of the nitrogen-containing carbon alloy may be reduced, but the crystallite size of the obtained nitrogen-containing carbon alloy is uniform, so that the metal is uniformly distributed and the activity is high. State is maintained. As a result, it becomes possible to produce a nitrogen-containing carbon alloy having excellent oxygen reduction performance. Further, by performing the carbonization treatment within the above range, nitrogen easily remains in the carbon skeleton due to the action of the generated inorganic metal, and the oxygen reduction reaction activity can be enhanced.

炭素化処理の処理時間は、1秒〜100時間であり、好ましくは1分〜50時間であり、より好ましくは1時間〜10時間である。炭素化処理の処理時間を上記範囲内とすることにより、酸素還元反応活性を高めることができる。特に、700℃以上で、1秒〜100時間保持することにより、共有結合性有機骨格材料または金属有機骨格材料の細孔外に存在する含窒素有機化合物、含窒素有機化合物の互変異性体、含窒素有機化合物の塩及び含窒素有機化合物の水和物及び無機金属塩及び有機金属錯体の内、炭素化反応に用いられなかった不要物を揮散させることができる。さらに保持時間を上記範囲とすることにより、前駆体混合物の分解生成物を除去することができ、より効果的に酸素還元反応活性を高めることができる。   The treatment time of the carbonization treatment is 1 second to 100 hours, preferably 1 minute to 50 hours, and more preferably 1 hour to 10 hours. By setting the treatment time of the carbonization treatment within the above range, the oxygen reduction reaction activity can be enhanced. In particular, by holding at 700 ° C. or higher for 1 second to 100 hours, a nitrogen-containing organic compound existing outside the pores of the covalent organic skeleton material or the metal organic skeleton material, a tautomer of the nitrogen-containing organic compound, Of the salt of the nitrogen-containing organic compound, the hydrate of the nitrogen-containing organic compound, the inorganic metal salt, and the organometallic complex, unnecessary substances that have not been used in the carbonization reaction can be volatilized. Furthermore, by setting the retention time within the above range, the decomposition product of the precursor mixture can be removed, and the oxygen reduction reaction activity can be more effectively enhanced.

炭素化処理工程においては、連続焼成を行うことも好ましい。ここで、連続焼成とは、昇温後に室温まで冷却することなく、さらに温度を上げて焼成を行うことをいう。例えば、300〜950℃に昇温し、1〜50時間保持した後に昇温し、900〜1050℃で0.1〜10時間保持することができる。連続焼成においては、300〜950℃という比較的低温で長時間焼成することにより、共有結合性有機骨格材料又は金属有機骨格材料を分解し、分解した共有結合性有機骨格材料又は金属有機骨格材料やその他の不溶物を揮散させることができる。さらに、900〜1050℃という比較的高温で焼成することにより、高伝導性を有する含窒素カーボンアロイの酸素還元反応活性を高めることができる。   In the carbonization treatment step, it is also preferable to perform continuous firing. Here, continuous firing refers to firing at a higher temperature without cooling to room temperature after the temperature rise. For example, the temperature can be raised to 300 to 950 ° C., held for 1 to 50 hours, then heated, and held at 900 to 1050 ° C. for 0.1 to 10 hours. In the continuous firing, the covalent organic skeleton material or the metal organic skeleton material is decomposed by firing at a relatively low temperature of 300 to 950 ° C. for a long time, and the decomposed covalent organic skeleton material or metal organic skeleton material Other insoluble materials can be volatilized. Furthermore, by firing at a relatively high temperature of 900 to 1050 ° C., the oxygen reduction reaction activity of the nitrogen-containing carbon alloy having high conductivity can be enhanced.

(5)粉砕処理
また、炭素化処理後に、含窒素カーボンアロイを室温まで冷却した後、粉砕処理を行ってもよい。粉砕処理は当業者に公知のいずれの方法でも行うことができ、例えば、ボールミル(Ball Mill)、メノウ粉砕、機械粉砕等を用いて粉砕することができる。
(5) Crushing treatment After the carbonization treatment, the nitrogen-containing carbon alloy may be cooled to room temperature and then crushed. The pulverization treatment can be performed by any method known to those skilled in the art, and for example, pulverization can be performed using a ball mill, agate pulverization, mechanical pulverization, or the like.

(6)酸洗浄工程
本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法は、焼成工程の後に、焼成された含窒素カーボンアロイを酸で洗浄する酸洗浄工程を含んでもよい。生成した含窒素カーボンアロイ触媒の表面上の金属を酸洗浄することにより、ORR活性を向上させることができる。この酸洗浄処理により、最適な多孔性を有する多孔性含窒素カーボンアロイを得ることができると予想される。
酸洗浄処理においては、pH7以下の強酸又は弱酸を含む、任意の水性ブロンステッド(プロトン)酸を酸洗浄工程内で用いることができる。さらに、無機酸(鉱酸)又は有機酸を用いることができる。好適な酸の例としては、HCI、HBr、HI、H2SO4、H2SO3、HNO3、HClO4、[HSO4-、[HSO3-、[H3O]+、H2[C24]、HCO2H、HCIO3、HBrO3、HBrO4、HIO3、HIO4、FSO3H、CF3SO3H、CF3CO2H、CH3CO2H、B(OH)3、など(これらの任意の組み合わせを含む)が挙げられるが、これらに限定されない。また、特表2010−524195号公報に記載の方法を本発明でも用いることができる。
(6) Acid Washing Process The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy of the present invention may include an acid washing process for washing the fired nitrogen-containing carbon alloy with an acid after the firing process. The ORR activity can be improved by acid-washing the metal on the surface of the produced nitrogen-containing carbon alloy catalyst. By this acid cleaning treatment, it is expected that a porous nitrogen-containing carbon alloy having optimum porosity can be obtained.
In the acid cleaning treatment, any aqueous Bronsted (proton) acid including a strong acid or a weak acid having a pH of 7 or less can be used in the acid cleaning step. Furthermore, an inorganic acid (mineral acid) or an organic acid can be used. Examples of suitable acids include HCI, HBr, HI, H 2 SO 4 , H 2 SO 3 , HNO 3 , HClO 4 , [HSO 4 ] , [HSO 3 ] , [H 3 O] + , H 2 [C 2 O 4 ], HCO 2 H, HCIO 3 , HBrO 3 , HBrO 4 , HIO 3 , HIO 4 , FSO 3 H, CF 3 SO 3 H, CF 3 CO 2 H, CH 3 CO 2 H, B (OH) 3 , etc. (including any combination thereof), but are not limited to these. In addition, the method described in JP-T-2010-524195 can also be used in the present invention.

(7)再焼成工程
本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法は、焼成工程の後に、焼成された含窒素カーボンアロイを粉砕する工程と再焼成する工程をさらに含むことが好ましい。より好ましくは酸洗浄工程の後に、酸洗浄された含窒素カーボンアロイを再焼成する工程を含む。このような再焼成工程により、含窒素カーボンアロイを電極に塗布したときの塗布量の増加に伴って電位を向上させることができ、ORR活性を向上させることができる。また、再焼成工程を設けることにより、共有結合性有機骨格材料又は金属有機骨格材料が分解し、金属が炭素材料から揮散して、脱離するため、多孔化し、比表面積を増大することができ、より効果的に酸素還元反応活性を高めることができる。
(7) Re-baking process It is preferable that the manufacturing method of the nitrogen-containing carbon alloy of this invention further includes the process of grind | pulverizing the baked nitrogen-containing carbon alloy, and the process of re-baking after a baking process. More preferably, after the acid cleaning step, a step of refiring the acid-cleaned nitrogen-containing carbon alloy is included. By such a refiring step, the potential can be improved with an increase in the coating amount when the nitrogen-containing carbon alloy is applied to the electrode, and the ORR activity can be improved. In addition, by providing a re-baking step, the covalently bonded organic skeleton material or the metal organic skeleton material is decomposed, and the metal is volatilized and desorbed from the carbon material, so that it can be made porous and the specific surface area can be increased. Thus, the oxygen reduction reaction activity can be increased more effectively.

再焼成工程は炭素の黒鉛化を促進する目的で、焼成工程以上の高温で行う必要があるため、再焼成工程の焼成温度は500〜2000℃であることが好ましく、600〜1500℃であることがより好ましく、900〜1500℃であることがさらに好ましい。また、再焼成工程の焼成温度は最初の焼成工程における焼成温度よりも高い温度であることが好ましい。   Since the refiring process needs to be performed at a temperature higher than the calcining process for the purpose of promoting graphitization of carbon, the calcining temperature in the refiring process is preferably 500 to 2000 ° C, and preferably 600 to 1500 ° C. Is more preferable, and it is more preferable that it is 900-1500 degreeC. Moreover, it is preferable that the calcination temperature of a rebaking process is a temperature higher than the calcination temperature in the first baking process.

焼成の際に含窒素カーボンアロイ中の窒素原子の含有割合を高く保持しながら炭素の黒鉛化を進行させる観点から、反応時に加圧状態で焼成しても良い。ガス排出口を水でトラップして背圧がかかる状態で焼成しても良い。炭素化工程の圧力は、0.01〜5MPa、好ましくは0.05〜1MPa、より好ましくは0.08〜0.3MPa、特に好ましくは、0.09〜0.15MPaである。   From the viewpoint of promoting graphitization of carbon while maintaining a high content ratio of nitrogen atoms in the nitrogen-containing carbon alloy during firing, firing may be performed in a pressurized state during the reaction. The gas discharge port may be trapped with water and fired in a state where back pressure is applied. The pressure in the carbonization step is 0.01 to 5 MPa, preferably 0.05 to 1 MPa, more preferably 0.08 to 0.3 MPa, and particularly preferably 0.09 to 0.15 MPa.

再焼成工程の方法は、特に限定されないが、好ましくは管状炉、回転炉(ロータリーキルン)、ローラーハースキルン、プッシャーキルン、多段炉、真空ガス置換炉、トンネル炉、流動焼成炉等を用い、より好ましくは回転炉(ロータリーキルン)、真空ガス置換炉、真空ガス置換回転炉(ロータリーキルン)、トンネル炉、流動焼成炉を用い、特に好ましくは真空ガス置換回転炉(真空ガス置換式ロータリーキルン)を用いる。   The method of the refiring step is not particularly limited, but preferably a tubular furnace, a rotary furnace (rotary kiln), a roller hearth kiln, a pusher kiln, a multi-stage furnace, a vacuum gas replacement furnace, a tunnel furnace, a fluidized firing furnace, and the like are more preferable. Uses a rotary furnace (rotary kiln), a vacuum gas replacement furnace, a vacuum gas replacement rotary furnace (rotary kiln), a tunnel furnace, and a fluidized firing furnace, and particularly preferably a vacuum gas replacement rotary furnace (vacuum gas replacement rotary kiln).

再焼成する工程の前には、脱気及び窒素置換する工程をさらに含むことが好ましい。このような工程を設けることで、酸素濃度を低減させることができる。脱気及び窒素置換する工程では、真空ポンプで脱気した後、窒素ガス置換することが好ましい。特に、真空ポンプで脱気した後、窒素ガス置換する操作を複数回繰り返すことが好ましい。この際、脱気用いる装置は、脱気が可能な装置であれば特に限定されないが、真空ガス置換炉、真空ガス置換回転炉(ロータリーキルン)を用いることが好ましい。真空脱気時の圧力は特に限定されないが、4×104Pa以下が好ましく、4×103Pa以下がより好ましく、2×102Pa以下が特に好ましい。 It is preferable to further include a step of deaeration and nitrogen substitution before the step of refiring. By providing such a process, the oxygen concentration can be reduced. In the step of deaeration and nitrogen replacement, it is preferable to perform nitrogen gas replacement after deaeration with a vacuum pump. In particular, it is preferable to repeat the operation of replacing nitrogen gas multiple times after deaeration with a vacuum pump. At this time, the apparatus used for deaeration is not particularly limited as long as it can be deaerated, but it is preferable to use a vacuum gas replacement furnace or a vacuum gas replacement rotary furnace (rotary kiln). The pressure during vacuum degassing is not particularly limited, but is preferably 4 × 10 4 Pa or less, more preferably 4 × 10 3 Pa or less, and particularly preferably 2 × 10 2 Pa or less.

含窒素カーボンアロイの再焼成時、含窒素カーボンアロイの性能を均一化させる目的で含窒素カーボンアロイを流動させることが好ましい。この際用いられる装置は、含窒素カーボンアロイを流動させることが可能な装置あれば特に限定されないが、回転炉(ロータリーキルン)、真空ガス置換回転炉(ロータリーキルン)、流動焼成炉を用いることが好ましい。
回転炉(ロータリーキルン)、真空ガス置換回転炉(ロータリーキルン)を用いる場合、焼成時、試料管を回転させるが、回転速度、速度変化等は特に限定されない。回転速度は好ましくは10rpm以下、より好ましくは5rpm以下である。回転速度をこの範囲にすることにより、管壁と予備炭素間で擦りが生じて含窒素カーボンアロイの微細化が進み、多孔化するため、より効果的に酸素還元反応活性を高めることができる。
When re-firing the nitrogen-containing carbon alloy, it is preferable to flow the nitrogen-containing carbon alloy for the purpose of uniformizing the performance of the nitrogen-containing carbon alloy. The apparatus used at this time is not particularly limited as long as it can flow the nitrogen-containing carbon alloy, but it is preferable to use a rotary furnace (rotary kiln), a vacuum gas replacement rotary furnace (rotary kiln), or a fluidized firing furnace.
When using a rotary furnace (rotary kiln) or a vacuum gas replacement rotary furnace (rotary kiln), the sample tube is rotated during firing, but the rotational speed, speed change, etc. are not particularly limited. The rotation speed is preferably 10 rpm or less, more preferably 5 rpm or less. By setting the rotation speed within this range, rubbing occurs between the tube wall and the preliminary carbon, so that the nitrogen-containing carbon alloy is refined and made porous, so that the oxygen reduction reaction activity can be enhanced more effectively.

本発明の含窒素カーボンアロイの製造方法は、賦活剤の存在下で炭素化処理を行うことが好ましい(賦活工程)。賦活剤の存在下、高温で炭素化処理することにより、含窒素カーボンアロイの細孔が発達して表面積が増大し、含窒素カーボンアロイの表面における金属の露出度が向上することにより、触媒としての性能が向上する。なお、炭化物の表面積は、N2吸着量により測定することができる。 In the method for producing a nitrogen-containing carbon alloy of the present invention, it is preferable to perform a carbonization treatment in the presence of an activator (activation step). By performing carbonization treatment at a high temperature in the presence of an activator, the pores of the nitrogen-containing carbon alloy develop and the surface area increases, and the degree of exposure of the metal on the surface of the nitrogen-containing carbon alloy improves, so that as a catalyst Improved performance. The surface area of the carbide can be measured by the N 2 adsorption amount.

使用できる賦活剤としては、特に制限されないが、例えば、二酸化炭素、アンモニアガス、水蒸気、空気、酸素ガス、水素ガス、一酸化炭素ガス、メタンガス、アルカリ金属水酸化物、塩化亜鉛、及びリン酸からなる群より選択される少なくとも1種を用いることができ、さらに好ましくは、二酸化炭素、アンモニアガス、水蒸気、空気、酸素ガスからなる群より選択される少なくとも1種を用いることができる。
気体賦活剤は、不活性ガスで希釈することが好ましく、希釈する不活性ガスとしては、窒素ガス、及び希ガス(例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス及びネオンガス)が挙げられる。
気体賦活剤は、炭素化処理の雰囲気中に2〜80モル%、好ましくは10〜60モル%含有させればよい。気体賦活剤を上記範囲内となるように含有させることにより、十分な賦活効果が得られる。また、アルカリ金属水酸化物等の固体賦活剤は、固体の状態で被炭化物と混合してもよく、あるいは、水等の溶媒で溶解又は希釈した後、被炭化物を含浸するか、あるいはスラリー状にして被炭化物に練り込んでもよい。液体賦活剤は、水等で希釈した後、被炭化物を含浸するかあるいは被炭化物に練り込めばよい。
熱処理の際、気相の圧力は、常圧、加圧、減圧のいずれであってもよいが、高温下で加圧していることが好ましい。
ガスは静止していても流通していてもよいが、生成した不純物を排出する観点から、流通していることが好ましい。
The activator that can be used is not particularly limited. For example, carbon dioxide, ammonia gas, water vapor, air, oxygen gas, hydrogen gas, carbon monoxide gas, methane gas, alkali metal hydroxide, zinc chloride, and phosphoric acid. At least one selected from the group consisting of carbon dioxide, ammonia gas, water vapor, air, and oxygen gas can be used, more preferably at least one selected from the group consisting of:
The gas activator is preferably diluted with an inert gas. Examples of the inert gas to be diluted include nitrogen gas and rare gases (for example, argon gas, helium gas, and neon gas).
The gas activator may be contained in an atmosphere of carbonization treatment in an amount of 2 to 80 mol%, preferably 10 to 60 mol%. By including the gas activator so as to be within the above range, a sufficient activation effect can be obtained. In addition, the solid activator such as alkali metal hydroxide may be mixed with the carbonized substance in a solid state, or after being dissolved or diluted with a solvent such as water, impregnated with the carbonized substance or in a slurry state. And may be kneaded into the article to be carbonized. The liquid activator may be diluted with water or the like and then impregnated with the carbonized material or kneaded into the carbonized material.
During the heat treatment, the pressure in the gas phase may be any of normal pressure, pressurization, and reduced pressure, but is preferably pressurized at a high temperature.
The gas may be stationary or distributed, but is preferably distributed from the viewpoint of discharging generated impurities.

炭素化後に窒素原子を導入することもできる。このとき、窒素原子を導入する方法としては、液相ドープ法、気相ドープ法、又は、気相−液相ドープ法を用いて行うことができる。例えば、含窒素カーボンアロイに窒素源であるアンモニア雰囲気下で200〜1200℃、5〜180分保持することにより、熱処理して、炭素触媒の表面に窒素原子を導入することができる。   Nitrogen atoms can also be introduced after carbonization. At this time, as a method for introducing nitrogen atoms, a liquid phase doping method, a gas phase doping method, or a gas phase-liquid phase doping method can be used. For example, nitrogen atoms can be introduced into the surface of the carbon catalyst by heat treatment by holding the nitrogen-containing carbon alloy at 200 to 1200 ° C. for 5 to 180 minutes in an ammonia atmosphere as a nitrogen source.

(含窒素カーボンアロイ)
本発明は、上述した含窒素カーボンアロイの製造方法で製造された含窒素カーボンアロイに関する。
(Nitrogen-containing carbon alloy)
The present invention relates to a nitrogen-containing carbon alloy produced by the above-described method for producing a nitrogen-containing carbon alloy.

上記前駆体の焼成により得られた本発明の含窒素カーボンアロイは、窒素が導入されている含窒素カーボンアロイである。本発明の含窒素カーボンアロイには、炭素がsp2混成軌道により化学結合し、二次元に広がった六角網面構造を持つ炭素原子の集合体であるグラフェンが存在することが好ましい。 The nitrogen-containing carbon alloy of the present invention obtained by firing the precursor is a nitrogen-containing carbon alloy into which nitrogen has been introduced. The nitrogen-containing carbon alloy of the present invention preferably contains graphene, which is an aggregate of carbon atoms having a hexagonal network structure in which carbon is chemically bonded by sp 2 hybrid orbitals and spreads in two dimensions.

さらに、本発明の含窒素カーボンアロイにおいて、炭素触媒中の表面窒素原子の含有量は表面の炭素に対して原子比(N/C)で0.02〜0.3であることがより好ましい。窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)を上記範囲内とすることにより、金属と結合する有効な窒素原子の数を確保することができ、十分な酸素還元触媒特性が得られる。また、窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)を上記範囲内とすることにより、含窒素カーボンアロイの炭素骨格の強度を高めることができ、電気伝導性の低下を抑制することができる。   Furthermore, in the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention, the content of surface nitrogen atoms in the carbon catalyst is more preferably 0.02 to 0.3 in terms of atomic ratio (N / C) to the surface carbon. By setting the atomic ratio (N / C) of nitrogen atoms to carbon atoms within the above range, the number of effective nitrogen atoms bonded to the metal can be ensured, and sufficient oxygen reduction catalyst characteristics can be obtained. In addition, by setting the atomic ratio (N / C) of the nitrogen atom to the carbon atom within the above range, the strength of the carbon skeleton of the nitrogen-containing carbon alloy can be increased, and the decrease in electrical conductivity can be suppressed. it can.

また、含窒素カーボンアロイの骨格は、少なくとも炭素原子及び窒素原子により形成されていればよく、その他の原子として水素原子や酸素原子等を含んでいてもよい。その場合、その他の原子と炭素原子及び窒素原子との原子比((その他の原子)/(C+N))は0.3以下であることが好ましい。   Further, the skeleton of the nitrogen-containing carbon alloy only needs to be formed of at least carbon atoms and nitrogen atoms, and may contain hydrogen atoms, oxygen atoms, and the like as other atoms. In that case, the atomic ratio ((other atoms) / (C + N)) of other atoms to carbon atoms and nitrogen atoms is preferably 0.3 or less.

比表面積分析は、含窒素カーボンアロイを所定の容器に入れて液体窒素温度(−196℃)に冷却し、容器内に窒素ガスを導入して吸着させ、その吸着等温線から単分子吸着量と吸着パラメーターを算出し、窒素の分子占有断面積(0.162cm2)から試料の比表面積を算出して求めるBET(Brunauer−Emmett−Teller)法により求めることができる。 In specific surface area analysis, nitrogen-containing carbon alloy is put in a predetermined container, cooled to liquid nitrogen temperature (−196 ° C.), nitrogen gas is introduced into the container and adsorbed, and from the adsorption isotherm, The adsorption parameter can be calculated, and the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method can be used to calculate the specific surface area of the sample from the molecular occupation cross section (0.162 cm 2 ) of nitrogen.

含窒素カーボンアロイの細孔形状は特に制限されず、例えば、表面のみに細孔が形成されていても、表面のみならず内部にも細孔が形成されていてもよい。内部にも細孔が形成されている場合には、例えば、トンネル状に貫通したものであってもよく、また、球状又は六角柱状等の多角形状の空洞が互いに連結したような形状を有していてもよい。   The pore shape of the nitrogen-containing carbon alloy is not particularly limited, and for example, pores may be formed only on the surface, or pores may be formed not only on the surface but also inside. When pores are also formed inside, for example, it may be tunnel-shaped, and it has a shape in which polygonal cavities such as spherical or hexagonal columns are connected to each other. It may be.

含窒素カーボンアロイの比表面積は、90m2/g以上であることが好ましく、350m2/g以上であることがより好ましく、560m2/g以上であることが特に好ましい。ただし、触媒活性部位(少なくともCとNと金属イオンを構成要件とする金属配位物、あるいは配置空間(場))が高密度に生成・形成した場合は上記範囲外でもよい。
細孔奥まで酸素が十分に行き届き、十分な酸素還元触媒特性が得られる観点からは、含窒素カーボンアロイの比表面積は、3000m2/g以下であることが好ましく、2000m2/g以下であることがより好ましく、1500m2/g以下であることが特に好ましい。
The specific surface area of nitrogen-containing carbon alloy is preferably at 90m 2 / g or more, more preferably 350 meters 2 / g or more, and particularly preferably 560 m 2 / g or more. However, when the catalytically active site (metal coordination product or configuration space (field) having at least C, N, and metal ions as constituents) is generated and formed at a high density, it may be outside the above range.
From the viewpoint of sufficient oxygen reaching the depths of the pores and obtaining sufficient oxygen reduction catalytic properties, the specific surface area of the nitrogen-containing carbon alloy is preferably 3000 m 2 / g or less, and 2000 m 2 / g or less. It is more preferable that it is 1500 m 2 / g or less.

本発明の含窒素カーボンアロイの形状は、酸素還元反応活性を有する限り特に限定はされない。例えば、シート状、繊維状、板状、柱状、ブロック状、粒子状、球状以外の多くの楕円、扁平、角型など、大きく歪んだ構造等が挙げられる。分散がし易いという観点から、好ましくはブロック状、粒子状であるが、後述のスラリーを塗布して乾燥させる場合、チキソ性を付与する観点から好ましくは繊維状、板状、柱状である。   The shape of the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention is not particularly limited as long as it has oxygen reduction reaction activity. For example, a large distorted structure such as a sheet shape, a fiber shape, a plate shape, a column shape, a block shape, a particle shape, many ellipses other than a spherical shape, a flat shape, a square shape, and the like can be given. From the viewpoint of easy dispersion, it is preferably a block shape or a particle shape. However, when a slurry described later is applied and dried, it is preferably a fiber shape, a plate shape, or a column shape from the viewpoint of imparting thixotropy.

さらに、本発明の含窒素カーボンアロイを溶媒に分散させることにより、含窒素カーボンアロイを含有するスラリーを作製することができる。これにより、例えば、燃料電池の電極触媒(燃料電池触媒)や、蓄電装置の電極材の作製を容易する際に、含窒素カーボンアロイが溶媒に分散されたスラリーを支持材料に塗布して焼成、乾燥させて、任意の形状に加工した炭素触媒を形成することができる。このように含窒素カーボンアロイをスラリーとすることにより、炭素触媒の加工性が向上し、容易に電極触媒や電極材として用いることができる。
本発明の燃料電池用カーボンアロイ触媒は、含窒素カーボンアロイの乾燥後の塗布量が0.01mg/cm2以上であることが好ましく、0.02〜100mg/cm2であることがより好ましく、0.05〜10mg/cm2であることが特に好ましい。
溶媒としては、燃料電池の電極触媒や、蓄電装置の電極材を作製する際に用いられる溶媒を適宜選択して使用することができる。例えば蓄電装置の電極材を作製する際に用いられる溶媒としては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)等一般的な極性溶媒を単独又は複数混合して使用することができる。また、燃料電池の電極触媒を作製する際に用いられる溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、アセトン等を挙げることができる。
Furthermore, the slurry containing a nitrogen-containing carbon alloy can be produced by dispersing the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention in a solvent. Thereby, for example, when making an electrode catalyst (fuel cell catalyst) of a fuel cell or an electrode material of a power storage device easy, a slurry in which a nitrogen-containing carbon alloy is dispersed in a solvent is applied to a support material and fired. The carbon catalyst processed into arbitrary shapes can be formed by making it dry. Thus, by making a nitrogen-containing carbon alloy into a slurry, the workability of a carbon catalyst improves and it can be easily used as an electrode catalyst or an electrode material.
Fuel cell carbon alloy catalyst of the present invention preferably has a coating amount after drying of the nitrogen-containing carbon alloy is 0.01 mg / cm 2 or more, more preferably 0.02~100mg / cm 2, Particularly preferred is 0.05 to 10 mg / cm 2 .
As the solvent, a solvent used when producing an electrode catalyst for a fuel cell or an electrode material for a power storage device can be appropriately selected and used. For example, as a solvent used when producing an electrode material for a power storage device, diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), 1,2-dimethoxyethane (DME), ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC) ), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (GBL), etc., can be used alone or in combination. In addition, examples of the solvent used in preparing the fuel cell electrode catalyst include water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, butanol, toluene, xylene, methyl ethyl ketone, and acetone.

<含窒素カーボンアロイの用途>
本発明の含窒素カーボンアロイの用途は、構造材料、電極材料、ろ過材料、触媒材料など特に限定されないが、キャパシタやリチウム二次電池などの蓄電装置の電極材料として用いることが好ましく、高い酸素還元反応活性を有する燃料電池や亜鉛空気電池、リチウム空気電池などの炭素触媒として用いることがより好ましい。また、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜に接して設けられた触媒層とを備えた電極膜接合体において、上記触媒を触媒層に含むことができる。さらに、上記電極膜接合体は、燃料電池に備えることができる。
<Application of nitrogen-containing carbon alloy>
The use of the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention is not particularly limited to structural materials, electrode materials, filtration materials, catalyst materials, etc., but is preferably used as electrode materials for power storage devices such as capacitors and lithium secondary batteries. More preferably, it is used as a carbon catalyst for a fuel cell, zinc-air battery, lithium-air battery or the like having reactive activity. In the electrode membrane assembly including the solid polymer electrolyte membrane and the catalyst layer provided in contact with the solid polymer electrolyte membrane, the catalyst may be included in the catalyst layer. Furthermore, the electrode membrane assembly can be provided in a fuel cell.

<燃料電池>
図1に本発明の含窒素カーボンアロイから成る炭素触媒を用いた燃料電池10の概略構成図を示す。炭素触媒はアノード電極及びカソード電極に適用されている。
燃料電池10は、固体高分子電解質14を挟むように、対向配置されたセパレータ12、アノード電極触媒(燃料極)13、カソード電極触媒(酸化剤極)15及びセパレータ16とから構成される。固体高分子電解質14としては、パーフルオロスルホン酸樹脂膜を代表とするフッ素系陽イオン交換樹脂膜が用いられる。また、炭素触媒をアノード電極触媒13及びカソード電極触媒15として、固体高分子電解質14の双方に接触させることにより、アノード電極触媒13及びカソード電極触媒15に炭素触媒を備えた燃料電池10が構成される。上述の炭素触媒を固体高分子電解質の双方の面に形成し、アノード電極触媒13及びカソード電極触媒15を電極反応層側で固体高分子電解質14の両主面にホットプレスにより密着することにより、MEA(Membrane Electrode Assembly)として一体化させる。
<Fuel cell>
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a fuel cell 10 using a carbon catalyst made of a nitrogen-containing carbon alloy of the present invention. The carbon catalyst is applied to the anode electrode and the cathode electrode.
The fuel cell 10 includes a separator 12, an anode electrode catalyst (fuel electrode) 13, a cathode electrode catalyst (oxidant electrode) 15, and a separator 16 that are disposed so as to sandwich the solid polymer electrolyte 14. As the solid polymer electrolyte 14, a fluorine-based cation exchange resin membrane represented by a perfluorosulfonic acid resin membrane is used. Moreover, the fuel cell 10 provided with the carbon catalyst in the anode electrode catalyst 13 and the cathode electrode catalyst 15 is configured by bringing the carbon catalyst into contact with both of the solid polymer electrolyte 14 as the anode electrode catalyst 13 and the cathode electrode catalyst 15. The By forming the carbon catalyst described above on both sides of the solid polymer electrolyte, and adhering the anode electrode catalyst 13 and the cathode electrode catalyst 15 to both main surfaces of the solid polymer electrolyte 14 on the electrode reaction layer side by hot pressing, It integrates as MEA (Membrane Electrode Assembly).

従来の燃料電池では、集電体としての機能も有する多孔質のシート(例えば、カーボンペーパー)からなるガス拡散層を、セパレータとアノード及カソード電極触媒との間に介在させていた。これに対して図1の燃料電池10では、比表面積が大きく、さらに、気体の拡散性が高い炭素触媒がアノード及びカソード電極触媒として用いることができる。上述の炭素触媒を電極として使用することにより、ガス拡散層が無い場合にも炭素触媒にガス拡散層の作用を持たせ、アノード及びカソード電極触媒13,15とガス拡散層とを一体化した燃料電池を構成することができるため、ガス拡散層を省略することによる燃料電池の小型化や、コストの削減が可能となる。   In a conventional fuel cell, a gas diffusion layer made of a porous sheet (for example, carbon paper) that also functions as a current collector is interposed between the separator and the anode and cathode electrode catalyst. In contrast, in the fuel cell 10 of FIG. 1, a carbon catalyst having a large specific surface area and high gas diffusibility can be used as the anode and cathode electrode catalyst. By using the above-mentioned carbon catalyst as an electrode, even when there is no gas diffusion layer, the carbon catalyst has a gas diffusion layer function, and the anode and cathode electrode catalysts 13, 15 and the gas diffusion layer are integrated. Since the battery can be configured, the fuel cell can be reduced in size and the cost can be reduced by omitting the gas diffusion layer.

上記セパレータ12,16は、アノード及びカソード電極触媒層13,15を支持すると共に燃料ガスH2や酸化剤ガスO2等の反応ガスの供給・排出を行う。そして、アノード及びカソード電極触媒13,15にそれぞれ反応ガスが供給されると、両電極に備えられた炭素触媒と固体高分子電解質14との境界において、気相(反応ガス)、液相(固体高分子電解質膜)、固相(両電極が持つ触媒)の三相界面が形成される。そして、電気化学反応を生じさせることで直流電力が発生する。
上記電気化学反応において、下記の反応が起こる。
カソード側:O2+4H++4e-→2H2
アノード側:H2→2H++2e-
アノード側で生成されたH+イオンは固体高分子電解質14中をカソード側に向かって移動し、e-(電子)は外部の負荷を通ってカソード側に移動する。一方、カソード側では酸化剤ガス中に含まれる酸素と、アノード側から移動してきたH+イオン及びe-とが反応して水が生成される。この結果、上述の燃料電池は、水素と酸素とから直流電力を発生し、水を生成することになる。
The separators 12 and 16 support the anode and cathode electrode catalyst layers 13 and 15 and supply and discharge reaction gases such as fuel gas H 2 and oxidant gas O 2 . When a reaction gas is supplied to each of the anode and cathode electrode catalysts 13 and 15, a gas phase (reaction gas) and a liquid phase (solid) are formed at the boundary between the carbon catalyst provided on both electrodes and the solid polymer electrolyte 14. A three-phase interface of a polymer electrolyte membrane) and a solid phase (a catalyst possessed by both electrodes) is formed. And direct-current power generate | occur | produces by producing an electrochemical reaction.
In the electrochemical reaction, the following reaction occurs.
Cathode side: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
Anode side: H 2 → 2H + + 2e
H + ions generated on the anode side move in the solid polymer electrolyte 14 toward the cathode side, and e (electrons) move to the cathode side through an external load. On the other hand, on the cathode side, oxygen contained in the oxidant gas reacts with H + ions and e that have moved from the anode side to generate water. As a result, the above-described fuel cell generates direct-current power from hydrogen and oxygen to generate water.

(蓄電装置)
次に、本発明の含窒素カーボンアロイから成る炭素触媒を電極材に適用した蓄電装置について説明する。図2に含窒素カーボンアロイから成る炭素触媒を用いた、蓄電容量に優れた電気二重層キャパシタ20の概略構成図を示す。
図2に示した電気二重層キャパシタ20は、セパレータ23を介して、分極性電極である第1の電極21及び第2の電極22が対向し、外装蓋24aと外装ケース24bの中に収容されている。また、第1の電極21及び第2の電極22は、それぞれ集電体25を介して、外装蓋24aと外装ケース24bに接続されている。また、セパレータ23には、電解液が含浸されている。そして、ガスケット26を介して電気的に絶縁させた状態で、外装蓋24aと外装ケース24bとをかしめて密封させて電気二重層キャパシタ20が構成されている。
(Power storage device)
Next, a power storage device in which the carbon catalyst made of the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention is applied to an electrode material will be described. FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of an electric double layer capacitor 20 using a carbon catalyst made of nitrogen-containing carbon alloy and having an excellent storage capacity.
In the electric double layer capacitor 20 shown in FIG. 2, the first electrode 21 and the second electrode 22 which are polarizable electrodes are opposed to each other through the separator 23, and are accommodated in the outer lid 24a and the outer case 24b. ing. The first electrode 21 and the second electrode 22 are connected to the exterior lid 24a and the exterior case 24b via current collectors 25, respectively. The separator 23 is impregnated with an electrolytic solution. The electric double layer capacitor 20 is configured by caulking and sealing the outer lid 24a and the outer case 24b while being electrically insulated via the gasket 26.

図2の電気二重層キャパシタ20において、上述の含窒素カーボンアロイから成る炭素触媒を第1の電極21及び第2の電極22に適用することができる。そして、電極材に炭素触媒が適用された電気二重層キャパシタを構成することができる。上述の炭素触媒は、ナノシェル炭素が集合した繊維状の構造を有し、さらに、繊維径がナノメートル単位であるため比表面積が大きく、キャパシタにおいて電荷が蓄積する電極界面が大きい。さらに、上述の炭素触媒は、電解液に対して電気化学的に不活性であり、適度な電気導電性を有する。このため、キャパシタの電極として適用することにより、電極の単位体積あたりの静電容量を向上させることができる。   In the electric double layer capacitor 20 of FIG. 2, the carbon catalyst made of the above-described nitrogen-containing carbon alloy can be applied to the first electrode 21 and the second electrode 22. And the electric double layer capacitor by which the carbon catalyst was applied to the electrode material can be comprised. The above-described carbon catalyst has a fibrous structure in which nanoshell carbon is aggregated, and furthermore, since the fiber diameter is in a nanometer unit, the specific surface area is large, and the electrode interface where charges are accumulated in the capacitor is large. Furthermore, the above-mentioned carbon catalyst is electrochemically inactive with respect to the electrolytic solution, and has appropriate electrical conductivity. For this reason, the electrostatic capacitance per unit volume of an electrode can be improved by applying as an electrode of a capacitor.

また、上述のキャパシタと同様に、例えば、リチウムイオン二次電池の負極材等のように、炭素材料から構成される電極材として上述の炭素触媒を適用することができる。そして、炭素触媒の比表面積が大きいことにより、蓄電容量の大きな二次電池を構成することができる。   Similarly to the above-described capacitor, for example, the above-described carbon catalyst can be applied as an electrode material composed of a carbon material, such as a negative electrode material of a lithium ion secondary battery. And since the specific surface area of a carbon catalyst is large, a secondary battery with a large electrical storage capacity can be comprised.

<環境触媒>
次に、本発明の含窒素カーボンアロイを、白金等の貴金属を含む環境触媒の代替品として使用する例について説明する。
汚染空気に含まれる汚染物質を(主にガス状物質)等を分解処理により除去するための排ガス浄化用触媒として、白金等の貴金属系の材料が単独又は複合化物されて構成された触媒材料による環境触媒が用いられている。これらの白金等の貴金属を含む排ガス浄化用触媒の代替品として、上述の炭素触媒を使用することができる。上述の炭素触媒は、酸素還元反応触媒作用が付与されているため、汚染物質等の被処理物質の分解機能を有する。このため、上述の炭素触媒を用いて環境触媒を構成することにより、白金等の高価な貴金属類を使用する必要がないため、低コストの環境触媒を提供することができる。また、比表面積が大きいことにより、単位体積あたりの被処理物質を分解する処理面積を大きくすることができ、単位体積あたりの分解機能が優れた環境触媒を構成できる。
なお、上述の炭素触媒を担体として、従来の環境触媒に使用されている白金等の貴金属系の材料が単独又は複合化物を担持させることにより、より分解機能等の触媒作用に優れた環境触媒を構成することができる。なお、上述の炭素触媒を備える環境触媒は、上述の排ガス浄化用触媒だけでなく、水処理用の浄化触媒として用いることもできる。
<Environmental catalyst>
Next, an example in which the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention is used as a substitute for an environmental catalyst containing a noble metal such as platinum will be described.
As a catalyst for exhaust gas purification for removing pollutants contained in polluted air (mainly gaseous substances) etc. by decomposition treatment, a catalyst material composed of noble metal materials such as platinum alone or in combination Environmental catalysts are used. The above-mentioned carbon catalyst can be used as an alternative to these exhaust gas purifying catalysts containing noble metals such as platinum. Since the above-described carbon catalyst is provided with an oxygen reduction reaction catalytic action, it has a function of decomposing substances to be treated such as pollutants. For this reason, since it is not necessary to use expensive noble metals, such as platinum, by comprising an environmental catalyst using the above-mentioned carbon catalyst, a low-cost environmental catalyst can be provided. Further, since the specific surface area is large, the treatment area for decomposing the material to be treated per unit volume can be increased, and an environmental catalyst having an excellent decomposition function per unit volume can be constituted.
By using the above-mentioned carbon catalyst as a carrier, a noble metal-based material such as platinum used in conventional environmental catalysts is carried alone or in a composite, so that an environmental catalyst with more excellent catalytic action such as a decomposition function can be obtained. Can be configured. In addition, the environmental catalyst provided with the above-mentioned carbon catalyst can also be used as a purification catalyst for water treatment as well as the above-described exhaust gas purification catalyst.

また、本発明の含窒素カーボンアロイは、広く化学反応用の触媒として使用することができ、中でも白金触媒の代替品として使用することができる。つまり、白金等の貴金属を含む化学工業用の一般的なプロセス触媒の代替品として、上述の炭素触媒を使用することができる。このため、上述の炭素触媒によれば、白金等の高価な貴金属類を使用することなく、低コストの化学反応プロセス触媒を提供することができる。さらに、上述の炭素触媒は、比表面積が大きいことにより、単位体積あたりの化学反応効率に優れた化学反応プロセス触媒を構成することができる。
このような化学反応用の炭素触媒は、例えば、水素化反応用触媒、脱水素反応用触媒、酸化反応用触媒、重合反応用触媒、改質反応用触媒、水蒸気改質用触媒等に適用することができる。さらに具体的には、「触媒調製(講談社)白崎高保、藤堂尚之共著、1975年」等の触媒に関する文献を参照し、各々の化学反応に炭素触媒を適用することが可能である。
Further, the nitrogen-containing carbon alloy of the present invention can be widely used as a catalyst for chemical reaction, and in particular, can be used as a substitute for a platinum catalyst. That is, the above-mentioned carbon catalyst can be used as a substitute for a general process catalyst for the chemical industry containing a noble metal such as platinum. For this reason, according to the above-mentioned carbon catalyst, a low-cost chemical reaction process catalyst can be provided without using expensive noble metals such as platinum. Furthermore, since the above-mentioned carbon catalyst has a large specific surface area, it can constitute a chemical reaction process catalyst excellent in chemical reaction efficiency per unit volume.
Such a carbon catalyst for chemical reaction is applied to, for example, a hydrogenation reaction catalyst, a dehydrogenation reaction catalyst, an oxidation reaction catalyst, a polymerization reaction catalyst, a reforming reaction catalyst, and a steam reforming catalyst. be able to. More specifically, it is possible to apply a carbon catalyst to each chemical reaction with reference to a catalyst related literature such as “Catalyst Preparation (Kodansha) by Takaho Shirasaki and Naoyuki Todo, 1975”.

以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.

(実施例1)
<ZIF−8、Fe(OAc)2添加(Ph4−Por)混合物の炭素材料合成(1E)>
(ZIF−8、Fe(OAc)2添加(Ph4−Por)混合物の調製)
Ph4−Por 1.00g(Aldrich社製)、ZIF−8 9.00g(BASF社製、Basolite Z1200)、Fe(OAc)2 0.32g(Aldrich社製、酢酸鉄(II)、純度99.995%以上(残存金属量基準))を、ワーリング社製、75mL SUS製標準容器に添加し、窒素置換した後、ワーリング社製カッティングミル(X−TREME MX1200XTM、75mL SUS製標準容器)を回転開始後、5秒間で、1300rpmから10000rpmまで無段階変速にて回転後、10000rpmで40秒間回転させて、ZIF−8、Fe(OAc)2添加Ph4−Por混合物(前駆体)(1A)を得た。前駆体(1A)の比容積を下記の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
なお、本明細書では、前駆体とは、上記のように各材料を混合した混合物のことをいい、焼成前の混合物のことを指す。実施例においては、前駆体と後述する炭素前駆体は区別されている。
Example 1
<Carbon Material Synthesis of ZIF-8, Fe (OAc) 2 Addition (Ph 4 -Por) Mixture (1E)>
(Preparation of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (Ph 4 -Por) mixture)
Ph 4 -Por 1.00 g (manufactured by Aldrich), ZIF-8 9.00 g (manufactured by BASF, Basolite Z1200), 0.32 g of Fe (OAc) 2 (manufactured by Aldrich, iron (II) acetate, purity 99.99). 995% or more (residual metal amount standard)) is added to a standard container made by Waring, 75 mL SUS, and after nitrogen substitution, rotation of a cutting mill (X-TREME MX1200XTM, standard container made by 75 SUS) made by Waring is started. Then, in 5 seconds, it is rotated at 1300 rpm to 10000 rpm with a stepless speed change, and then rotated at 10000 rpm for 40 seconds to obtain a ZIF-8, Fe (OAc) 2 added Ph 4 -Por mixture (precursor) (1A). It was. The specific volume of the precursor (1A) was measured by the following method. The results are shown in Table 1 below.
In addition, in this specification, a precursor means the mixture which mixed each material as mentioned above, and points out the mixture before baking. In the examples, a precursor and a carbon precursor described later are distinguished.

<比容積の測定>
比容積はJIS−K−5101の「見掛け密度又は見掛け比容」の方法に基づいて測定した。測定はタップ法により行った。具体的には、50mlのメスシリンダーに前駆体10gをいれ、500回タップし静置後、容積を読みとり、下記式により比容積を求めた。
比容積(ml/g)=V/F
式中、Fは容器内の処理した前駆体の質量(g)であり、Vはタップ後の試料の容量(ml)を示す。
<Measurement of specific volume>
The specific volume was measured based on the method of “apparent density or apparent specific volume” of JIS-K-5101. The measurement was performed by the tap method. Specifically, 10 g of the precursor was placed in a 50 ml graduated cylinder, tapped 500 times, allowed to stand, the volume was read, and the specific volume was determined by the following formula.
Specific volume (ml / g) = V / F
In the formula, F is the mass (g) of the treated precursor in the container, and V indicates the volume (ml) of the sample after tapping.

Figure 2016102037
ZIF−8
Figure 2016102037
ZIF-8

分子式:C8104Zn1、分子量:227.57
元素分析(計算値):C,42.22;H,4.43;N,24.62;Zn,28.73
Molecular formula: C 8 H 10 N 4 Zn 1 , molecular weight: 227.57
Elemental analysis (calculated values): C, 42.22; H, 4.43; N, 24.62; Zn, 28.73

Figure 2016102037
Fe(OAc)2
Figure 2016102037
Fe (OAc) 2

分子式:C46Fe14、分子量:173.93
元素分析(計算値):C,27.62;H,3.48;Fe,32.11;O,36.79
Molecular formula: C 4 H 6 Fe 1 O 4 , molecular weight: 173.93
Elemental analysis (calculated values): C, 27.62; H, 3.48; Fe, 32.11; O, 36.79

Figure 2016102037
Figure 2016102037

分子式:C44304、分子量:614.74
元素分析(計算値):C,85.97;H,4.92;N,9.11
Molecular formula: C 44 H 30 N 4 , molecular weight: 614.74
Elemental analysis (calculated values): C, 85.97; H, 4.92; N, 9.11

(焼成・粉砕・酸洗浄処理、1回目焼成、流通炉)
ZIF−8、Fe(OAc)2添加Ph4−Por混合物(1A)2.2548gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。30℃から900℃まで毎分5℃昇温し、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(1B)を0.8373g得た。得られた炭素前駆体(1B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(1C)を0.7639g得た。
(Baking / Crushing / Acid cleaning treatment, 1st baking, Distribution furnace)
2.2548 g of ZIF-8, Fe (OAc) 2 -added Ph 4 -Por mixture (1A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace. It was installed and the nitrogen flow rate was 200 mL / min, and it was circulated at room temperature for 30 min. The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute, and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained 0.8373g of carbon precursors (1B). The obtained carbon precursor (1B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then left overnight to obtain 0.7639 g of acid-washed carbon precursor (1C).

(焼成・粉砕・水洗浄処理、2回目焼成、真空ガス置換炉)
炭素前駆体(1C)0.5333gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、未酸洗浄の炭素材料(1D)を得た。炭素材料(1D)0.2849gをメノウ乳鉢で粉砕し、水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、未酸洗浄の炭素材料(1E)を0.2763g得た。得られた未酸洗浄の炭素材料(1E)を実施例1の含窒素カーボンアロイとした。
(Firing, grinding, water washing treatment, second firing, vacuum gas replacement furnace)
We measure 0.5333g of carbon precursor (1C) in a quartz boat and install it in the center of a 4.0cmφ (inside diameter 3.6cmφ) quartz tube inserted in a vacuum gas replacement furnace, and set the nitrogen flow rate to 200mL per minute. It was circulated at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon material (1D) of non-acid washing | cleaning. Carbon material (1D) 0.2849 g was pulverized in an agate mortar, washed with water, filtered and air-dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain 0.2763 g of non-acid washed carbon material (1E). The obtained non-acid cleaned carbon material (1E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Example 1.

<含窒素カーボンアロイの評価方法>
1.BET法による比表面積測定
試料前処理装置(日本ベル社製、BELPREP−flow)を用いて、含窒素カーボンアロイ(炭素材料(1E))を200℃で、3時間、真空下で乾燥した。その後、自動比表面積/細孔分布測定装置(日本ベル社製、BELSORP−miniII(商品名))を用いて、含窒素カーボンアロイの比表面積を簡易測定条件で測定した。
比表面積は、装置備え付けの解析プログラムを用いて、BET(Brunauer−Emmett−Teller)法により求めた。その結果を、下記表1の未酸洗浄含窒素カーボンアロイの欄に記載した。
<Evaluation method of nitrogen-containing carbon alloy>
1. Specific surface area measurement by BET method Nitrogen-containing carbon alloy (carbon material (1E)) was dried under vacuum at 200 ° C. for 3 hours using a sample pretreatment device (BELPREP-flow, manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.). Thereafter, the specific surface area of the nitrogen-containing carbon alloy was measured under simple measurement conditions using an automatic specific surface area / pore distribution measuring device (BELSORP-mini II (trade name) manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.).
The specific surface area was determined by the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method using an analysis program installed in the apparatus. The results are shown in the column of non-acid-washed nitrogen-containing carbon alloy in Table 1 below.

2.カーボンアロイ塗付電極の酸素還元反応(ORR)活性
(カーボンアロイ塗付電極の作製)
実施例1の含窒素カーボンアロイ25mgに、バインダーとしてナフィオン溶液(5%アルコール水溶液)220mgと、溶媒としての水2.4mL及び1−プロパノール(IPA)1.6mLを加え、7mmφのアタッチメントを接続した超音波ホモジナイザー(日精社製、US−150T)で30分間分散させた。回転リングディスク電極(北斗電工社製HR2−RD1−Pt8/GC5)を用い、含窒素カーボンアロイ分散液を含窒素カーボンアロイが0.50mg/cm2になるようにカーボン電極上に塗布し、室温で乾燥させて、カーボンアロイ塗付電極を得た。
2. Oxygen reduction reaction (ORR) activity of carbon alloy coated electrode (preparation of carbon alloy coated electrode)
To 25 mg of the nitrogen-containing carbon alloy of Example 1, 220 mg of Nafion solution (5% alcohol aqueous solution) as a binder, 2.4 mL of water and 1.6 mL of 1-propanol (IPA) as a solvent were added, and a 7 mmφ attachment was connected. It was dispersed for 30 minutes with an ultrasonic homogenizer (Nissei's US-150T). Using a rotating ring disk electrode (HR2-RD1-Pt8 / GC5 manufactured by Hokuto Denko), a nitrogen-containing carbon alloy dispersion was applied onto the carbon electrode so that the nitrogen-containing carbon alloy was 0.50 mg / cm 2, and And dried to obtain a carbon alloy coated electrode.

(カーボンアロイ塗付電極の酸素還元反応(ORR)活性測定)
Automatic Polarization System(北斗電工(株)社製、HZ−3000)に回転電極装置(北斗電工(株)社製、HR−201)を接続し、作用極には得られたカーボンアロイ塗付電極を用い、対極と参照極にはそれぞれ白金電極と飽和カロメル電極(SCE)を用いて以下の手順により測定した。
A.カーボンアロイ塗付電極のクリーニングのため、20℃で、アルゴンを30分以上バブリングした0.1M硫酸水溶液中で掃引電位0.946〜−0.204V(vs.SCE)、掃引速度50mV/sで、10サイクルのサイクリックボルタンメトリーを測定した。
B.ブランク測定のため、20℃で、アルゴンを30分以上バブリングした0.1M硫酸水溶液中で掃引電位0.746〜−0.204V(vs.SCE)、掃引速度5mV/s、電極回転速度1500rpmでリニアースイープボルタンメトリーを測定した。
C.酸素還元反応活性測定のため、酸素を30分以上バブリングした0.5M硫酸水溶液中で掃引電位0.746〜−0.204V(vs.SCE)、掃引速度5mV/s、電極回転数1500rpmでリニアースイープボルタンメトリーを測定した。
D.Cの測定データからBの測定データを減算し、真の酸素還元反応活性として採用した。得られたボルタモグラム(電圧−電流密度曲線)から、電流密度−2.00mA/cm2の時の電圧(V vs.RHE)を求め、これをORR活性値とした。
得られた結果を下記表1に記載した。
(Measurement of oxygen reduction reaction (ORR) activity of carbon alloy coated electrode)
A rotating electrode device (Hokuto Denko Co., Ltd., HR-201) is connected to an Automatic Polarization System (Hokuto Denko Co., Ltd., HZ-3000), and the obtained carbon alloy coated electrode is attached to the working electrode. The platinum electrode and saturated calomel electrode (SCE) were used for the counter electrode and the reference electrode, respectively, and the measurement was performed according to the following procedure.
A. In order to clean the carbon alloy coated electrode, the sweep potential was 0.946 to -0.204 V (vs. SCE) in a 0.1 M sulfuric acid aqueous solution bubbled with argon for 30 minutes or more at 20 ° C., and the sweep speed was 50 mV / s. Ten cycles of cyclic voltammetry were measured.
B. For blank measurement, at 20 ° C., in a 0.1 M sulfuric acid aqueous solution bubbled with argon for 30 minutes or more, at a sweep potential of 0.746 to −0.204 V (vs. SCE), a sweep speed of 5 mV / s, and an electrode rotation speed of 1500 rpm. Linear sweep voltammetry was measured.
C. For measurement of oxygen reduction reaction activity, linear in 0.5M sulfuric acid aqueous solution in which oxygen was bubbled for 30 minutes or more, sweep potential 0.746 to -0.204V (vs. SCE), sweep speed 5mV / s, electrode rotation speed 1500rpm Sweep voltammetry was measured.
D. The measurement data of B was subtracted from the measurement data of C and adopted as the true oxygen reduction reaction activity. From the obtained voltammogram (voltage-current density curve), a voltage (V vs. RHE) at a current density of −2.00 mA / cm 2 was determined and used as an ORR activity value.
The obtained results are shown in Table 1 below.

(実施例2)
<ZIF−8、Fe(OAc)2添加(Ph4−Por)混合物の酸洗浄済み炭素材料合成(2E)>
上述の炭素材料(1D)0.1821gをメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(2E)を0.1589g得た。得られた酸洗浄済み炭素材料(2E)を実施例2の含窒素カーボンアロイとした。
(Example 2)
<Synthesis of ZIF-8, Fe (OAc) 2 Addition (Ph 4 -Por) Mixture with Acid-washed Carbon Material (2E)>
The above-mentioned carbon material (1D) 0.1821 g was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain 0.1589 g of acid-cleaned carbon material (2E). The obtained acid cleaned carbon material (2E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Example 2.

(実施例3)
<ZIF−8、Fe(OAc)2添加(Ph4−Por)混合物の炭素材料合成(3E)>
(連続焼成 流通炉・粉砕処理)
上述のZIF−8、Fe(OAc)2添加Ph4−Por混合物(1A)1.2169gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から700℃まで毎分5℃昇温し、700℃で10時間保持し、さらに700℃から1000℃まで毎分5℃で昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(3B)を得た。得られた炭素前駆体(3B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(3C)を0.2925g得た。
(Example 3)
<Carbon Material Synthesis of ZIF-8, Fe (OAc) 2 Addition (Ph 4 -Por) Mixture (3E)>
(Continuous firing distribution furnace, pulverization)
The above-mentioned ZIF-8, Fe (OAc) 2 -added Ph 4 -Por mixture (1A) 1.2169 g was weighed into a quartz boat and inserted into a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace. It was installed in the center, the nitrogen flow rate was 200 mL per minute, and it was circulated at room temperature for 30 minutes. Thereafter, the flow rate of nitrogen is lowered to 20 mL per minute, the temperature is raised from 30 ° C. to 700 ° C. at 5 ° C. per minute, held at 700 ° C. for 10 hours, and further raised from 700 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C. per minute. And held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon precursor (3B). The obtained carbon precursor (3B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then left overnight to obtain 0.2925 g of acid-washed carbon precursor (3C).

(焼成・粉砕・水洗浄処理、2回目焼成、真空ガス置換炉)
炭素前駆体(3C)0.1482gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、未酸洗浄の炭素材料(3D)を得た。炭素材料(3D)をメノウ乳鉢で粉砕し、水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、未酸洗浄の炭素材料(3E)を0.1275g得た。得られた未酸洗浄の炭素材料(3E)を実施例3の含窒素カーボンアロイとした。
(Firing, grinding, water washing treatment, second firing, vacuum gas replacement furnace)
We measure 0.1482g of carbon precursor (3C) in a quartz boat and install it in the center of a 4.0cmφ (inside diameter 3.6cmφ) quartz tube inserted in a vacuum gas replacement furnace, and set the nitrogen flow rate to 200mL per minute. It was circulated at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon material (3D) of non-acid washing | cleaning. The carbon material (3D) was pulverized in an agate mortar, washed with water, filtered and air-dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and then left overnight to obtain 0.1275 g of non-acid-washed carbon material (3E). The obtained non-acid cleaned carbon material (3E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Example 3.

(実施例4)
<ZIF−8、Fe(OAc)2添加(H2Pc)混合物の炭素材料合成(3E)>
(ZIF−8、Fe(OAc)2添加(H2Pc)混合物の調製)
2Pc 1.00g(東京化成工業社製)、ZIF−8 9.00g(BASF社製、Basolite Z1200)、Fe(OAc)2 0.32g(Aldrich社製、酢酸鉄(II)、純度99.995%以上(残存金属量基準))をワーリング社製、75mL SUS製標準容器に添加し、窒素置換した後、ワーリング社製カッティングミル(X−TREME MX1200XTM、75mL SUS製標準容器)を回転開始後、5秒間で、1300rpmから10000rpmまで無段階変速にて回転後、10000rpmで40秒間回転させて、ZIF−8、Fe(OAc)2添加H2Pc混合物(前駆体)(4A)を得た。前駆体(4A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
Example 4
<Synthesis of carbon material of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (H 2 Pc) mixture (3E)>
(Preparation of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (H 2 Pc) mixture)
H 2 Pc 1.00 g (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), ZIF-8 9.00 g (manufactured by BASF, Basolite Z1200), Fe (OAc) 2 0.32 g (manufactured by Aldrich, iron (II) acetate, purity 99) .995% or more (remaining metal amount standard)) was added to a standard container made by Waring, 75 mL SUS, and after nitrogen substitution, rotation of a cutting mill made by Waring (X-TREME MX1200XTM, 75 mL SUS standard container) was started. Then, in 5 seconds, it was rotated at 1300 rpm to 10,000 rpm with a stepless speed change, and then rotated at 10,000 rpm for 40 seconds to obtain a ZIF-8, Fe (OAc) 2 added H 2 Pc mixture (precursor) (4A). . The specific volume of the precursor (4A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

Figure 2016102037
Figure 2016102037

分子式:C32188、分子量:514.17
元素分析(計算値):C,70.70;H,3.53;N,21.20
Molecular formula: C 32 H 18 N 8 , molecular weight: 514.17
Elemental analysis (calculated values): C, 70.70; H, 3.53; N, 21.20

(焼成・粉砕・酸洗浄処理、1回目焼成、流通炉)
ZIF−8、Fe(OAc)2添加H2Pc混合物(4A)1.2365gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。30℃から800℃まで毎分5℃昇温し、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(4B)を得た。得られた炭素前駆体(4B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(4C)を0.4690g得た。
(Baking / Crushing / Acid cleaning treatment, 1st baking, Distribution furnace)
ZIF-8, Fe (OAc) 2 -added H 2 Pc mixture (4A) 1.2365 g was measured in a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace. Then, the nitrogen flow rate was set to 200 mL per minute, and the mixture was circulated at room temperature for 30 minutes. The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. by 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon precursor (4B). The obtained carbon precursor (4B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain 0.4690 g of acid-washed carbon precursor (4C).

(焼成・粉砕・水洗浄処理、2回目焼成、真空ガス置換/回転炉)
炭素前駆体(4C)0.2769gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換回転炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その際に石英管を2.0rpmで回転させた。その後、3時間かけて室温まで冷却し、未酸洗浄の炭素材料(4D)を得た。炭素材料(4D)をメノウ乳鉢で粉砕し、水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、未酸洗浄の炭素材料(4E)を0.1946g得た。得られた未酸洗浄の炭素材料(4E)を実施例4の含窒素カーボンアロイとした。
(Firing, grinding, water washing treatment, second firing, vacuum gas replacement / rotary furnace)
We measure 0.2769 g of carbon precursor (4C) in a quartz boat and place it in the center of a 4.0 cmφ (inside diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a vacuum gas displacement rotary furnace, with a nitrogen flow rate of 200 mL per minute. And allowed to circulate at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. At that time, the quartz tube was rotated at 2.0 rpm. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon material (4D) of non-acid washing | cleaning. The carbon material (4D) was pulverized in an agate mortar, washed with water, filtered and air-dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain 0.1946 g of non-acid-washed carbon material (4E). The obtained non-acid cleaned carbon material (4E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Example 4.

(実施例5)
<ZIF−8、Fe(OAc)2添加((4−Py)4−Por)混合物の炭素材料合成(5E)>
((4−Py)4−Porの調製)
Chemistry Letters,2007,36,848−849.を参考にして、(4−Py)4−Porを調製した。
6.4gの4−ピリジルアルデヒド(和光純薬工業社製)、4.0gの2−ヒドロキシ安息香酸(和光純薬工業社製)を0.4リットルのキシレンに添加した(キシレンA)。加熱還流下、4.0gのピロール(関東化学社製)を0.1リットルのキシレンに溶解し(キシレンB)、得られた溶液(キシレンB)を1時間かけてキシレンAに滴下した。得られた溶液を窒素気流下で、3時間加熱還流した後、キシレンを減圧留去した。その後加熱洗浄するため、残渣の固形物を0.3リットルの酢酸エチルで加熱還流、濾別を行った後、0.03リットルのメタノールで加熱還流し濾別を行った。さらにこの加熱洗浄操作をもう一度繰返し、乾燥して3.95gの(4−Py)4−Porを得た(群青(ultramarine)色の粉末)。
(Example 5)
<Synthesis of carbon material of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added ((4-Py) 4 -Por) mixture (5E)>
(Preparation of (4-Py) 4 -Por)
Chemistry Letters, 2007, 36, 848-849. Was prepared to prepare (4-Py) 4 -Por.
6.4 g of 4-pyridyl aldehyde (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 4.0 g of 2-hydroxybenzoic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added to 0.4 liter of xylene (xylene A). Under heating under reflux, 4.0 g of pyrrole (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was dissolved in 0.1 liter of xylene (xylene B), and the resulting solution (xylene B) was added dropwise to xylene A over 1 hour. The resulting solution was heated to reflux for 3 hours under a nitrogen stream, and then xylene was distilled off under reduced pressure. Thereafter, to wash with heat, the solid residue was heated to reflux with 0.3 liter of ethyl acetate and filtered, and then heated to reflux with 0.03 liter of methanol for filtration. Furthermore, this heat washing operation was repeated once more and dried to obtain 3.95 g of (4-Py) 4 -Por (ultramarine color powder).

Figure 2016102037
Figure 2016102037

分子式:C40268、分子量:618.69
元素分析(計算値):C,77.65;H,4.24;N,18.11
Molecular formula: C 40 H 26 N 8 , molecular weight: 618.69
Elemental analysis (calculated values): C, 77.65; H, 4.24; N, 18.11

(ZIF−8、Fe(OAc)2添加((4−Py)4−Por)混合物の調製)
上述の(4−Py)4−Por 1.00g、ZIF−8 9.00g(BASF社製、Basolite Z1200)、Fe(OAc)2 0.32g(Aldrich社製、酢酸鉄(II)、純度99.995%以上(残存金属量基準))を、ワーリング社製、75mL SUS製標準容器に添加し、窒素置換した後、ワーリング社製カッティングミル(X−TREME MX1200XTM、75mL SUS製標準容器)を回転開始後、5秒間で、1300rpmから10000rpmまで無段階変速にて回転後、10000rpmで40秒間回転させて、ZIF−8、Fe(OAc)2添加(4−Py)4−Por混合物(前駆体)(5A)を得た。前駆体(5A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
(ZIF-8, Fe (OAc) 2 addition (Preparation of (4-Py) 4 -Por) mixture)
(4-Py) 4 -Por 1.00 g, ZIF-8 9.00 g (BASF, Basolite Z1200), Fe (OAc) 2 0.32 g (Aldrich, iron (II) acetate, purity 99 .995% or more (residual metal amount standard)) is added to a standard container made of Warling, 75 mL SUS, and after nitrogen substitution, a cutting mill (X-TREME MX1200XTM, standard container made of 75 mL SUS) manufactured by Waring is rotated. After starting, it is rotated in a stepless manner from 1300 rpm to 10000 rpm in 5 seconds, and then rotated at 10000 rpm for 40 seconds to add ZIF-8, Fe (OAc) 2 (4-Py) 4 -Por mixture (precursor) (5A) was obtained. The specific volume of the precursor (5A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

(連続焼成・粉砕・酸洗浄処理、1回目焼成、流通炉)
ZIF−8、Fe(OAc)2添加(4−Py)4−Por混合物(5A)1.2590gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から800℃まで毎分5℃昇温し、800℃で10時間保持し、さらに800℃から1000℃まで毎分5℃で昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(5B)を得た。得られた炭素前駆体(5B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(5C)を0.3019g得た。
(Continuous firing, pulverization, acid cleaning treatment, first firing, distribution furnace)
ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (4-Py) 4 -Por mixture (5A) 1.2590 g was measured in a quartz boat and inserted into a tubular furnace, 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz It installed in the center of a pipe | tube, the nitrogen flow rate was 200 mL / min, and it was distribute | circulated at room temperature for 30 minutes. Thereafter, the flow rate of nitrogen is lowered to 20 mL / min, the temperature is raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C./min, held at 800 ° C. for 10 hours, and further raised from 800 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min. And held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon precursor (5B). The obtained carbon precursor (5B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and left overnight to obtain 0.3019 g of an acid cleaned carbon precursor (5C).

(焼成・粉砕処理、2回目焼成、真空ガス置換/回転炉)
炭素前駆体(5C)0.1794gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その際に石英管を2.0rpmで回転させた。その後、3時間かけて室温まで冷却し、未酸洗浄の炭素材料(5D)を得た。炭素材料(5D)をメノウ乳鉢で粉砕し、未酸洗浄の炭素材料(5E)を0.1650g得た。得られた未酸洗浄の炭素材料(5E)を実施例5の含窒素カーボンアロイとした。
(Firing / Crushing process, Second firing, Vacuum gas replacement / Rotating furnace)
We measure 0.1794 g of carbon precursor (5C) in a quartz boat and install it in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted in a vacuum gas replacement furnace, and set the nitrogen flow rate to 200 mL per minute. It was circulated at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. At that time, the quartz tube was rotated at 2.0 rpm. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon material (5D) of non-acid washing | cleaning. The carbon material (5D) was pulverized in an agate mortar to obtain 0.1650 g of a non-acid-washed carbon material (5E). The obtained non-acid cleaned carbon material (5E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Example 5.

(実施例6)
<ZIF−8、Fe(OAc)2添加((4−Py)2Ph2−Por)混合物の炭素材料合成(6E)>
((Pyrrole)2(4−Py)CHの調製)
J.Org.Chem.2000,65,2249−2252.に記載の方法で、(Pyrrole)2(4−Py)CHを調製した。
2.14gの4−ピリジルアルデヒドを20mLのピロールに加え、85℃で15時間加熱した。その後、ピロールを減圧留去し、カラムクロマトグラフィーで精製し、(Pyrrole)2(4−Py)CHを2.23g得た。
(Example 6)
<Carbon Material Synthesis of ZIF-8, Fe (OAc) 2 Addition ((4-Py) 2 Ph 2 -Por) Mixture (6E)>
(Preparation of (Pyrrole) 2 (4-Py) CH)
J. et al. Org. Chem. 2000, 65, 2249-2252. (Pyrrole) 2 (4-Py) CH was prepared by the method described in 1).
2.14 g of 4-pyridylaldehyde was added to 20 mL of pyrrole and heated at 85 ° C. for 15 hours. Thereafter, pyrrole was distilled off under reduced pressure, and the residue was purified by column chromatography to obtain 2.23 g of (Pyrrole) 2 (4-Py) CH.

Figure 2016102037
Figure 2016102037

((4−Py)2Ph2−Porの調製)
J.Org.Chem.2001,66,4973−4988.に記載の方法を参考に、(4−Py)2Ph2−Porを調製した。
1.1gの(Pyrrole)2(4−Py)CHと、0.53gのベンズアルデヒドを500mLの塩化メチレン/エタノール混合溶液(95:5)に溶解した。得られた溶液に、窒素雰囲気下で1.4gのTFAを2時間かけて添加し、24時間室温で反応させた。その後、1.7gの2,3−ジクロロ−5,6−ジシアノ−p−ベンゾキノン(DDQ)を添加して、さらに3時間撹拌した。混合物をろ過した後、クロロホルムで洗浄、乾燥した。カラムクロマトグラフィーで精製し、(4−Py)2Ph2−Porを調製した。
(Preparation of (4-Py) 2 Ph 2 -Por)
J. et al. Org. Chem. 2001, 66, 4973-4988. (4-Py) 2 Ph 2 -Por was prepared with reference to the method described in 1.
1.1 g of (Pyrrol) 2 (4-Py) CH and 0.53 g of benzaldehyde were dissolved in 500 mL of a methylene chloride / ethanol mixed solution (95: 5). To the obtained solution, 1.4 g of TFA was added over 2 hours under a nitrogen atmosphere and allowed to react at room temperature for 24 hours. Thereafter, 1.7 g of 2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone (DDQ) was added, and the mixture was further stirred for 3 hours. The mixture was filtered, washed with chloroform and dried. Purification by column chromatography prepared (4-Py) 2 Ph 2 -Por.

Figure 2016102037
Figure 2016102037

分子式:C42286、分子量:616.71
元素分析(計算値):C,81.80;H,4.58;N,13.63
Molecular formula: C 42 H 28 N 6, molecular weight: 616.71
Elemental analysis (calculated values): C, 81.80; H, 4.58; N, 13.63

(ZIF−8、Fe(OAc)2添加((4−Py)2Ph2−Por)混合物の調製)
上述の(4−Py)2Ph2−Por 1.00g、ZIF−8 9.00g(BASF社製、Basolite Z1200)、Fe(OAc)2 0.32g(Aldrich社製、酢酸鉄(II)、純度99.995%以上(残存金属量基準))を、ワーリング社製、75mL SUS製標準容器に添加し、窒素置換した後、ワーリング社製カッティングミル(X−TREME MX1200XTM、75mL SUS製標準容器)を回転開始後、5秒間で、1300rpmから10000rpmまで無段階変速にて回転後、10000rpmで40秒間回転させて、ZIF−8、Fe(OAc)2添加(4−Py)2Ph2−Por混合物(前駆体)(6A)を得た。前駆体(6A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
(ZIF-8, Fe (OAc) 2 addition (Preparation of (4-Py) 2 Ph 2 -Por) mixture)
(4-Py) 2 Ph 2 -Por 1.00 g, ZIF-8 9.00 g (manufactured by BASF, Basolite Z1200), Fe (OAc) 2 0.32 g (manufactured by Aldrich, iron (II) acetate), Purity 99.995% (residual metal amount standard)) is added to a standard container made of Warling, 75 mL SUS, purged with nitrogen, and then a cutting mill manufactured by Waring (X-TREME MX1200XTM, standard container made of 75 mL SUS). Rotate at 1300 rpm to 10,000 rpm in 5 seconds after starting rotation, and then rotate at 10000 rpm for 40 seconds to add ZIF-8, Fe (OAc) 2 (4-Py) 2 Ph 2 -Por mixture (Precursor) (6A) was obtained. The specific volume of the precursor (6A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

(連続焼成・粉砕・酸洗浄処理、1回目焼成、流通炉)
ZIF−8、Fe(OAc)2添加(4−Py)2Ph2−Por混合物(6A)2.2113gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から800℃まで毎分5℃昇温し、800℃で10時間保持し、さらに800℃から1000℃まで毎分5℃で昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(6B)を得た。得られた炭素前駆体(6B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(6C)を0.7476g得た。
(Continuous firing, pulverization, acid cleaning treatment, first firing, distribution furnace)
ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (4-Py) 2 Ph 2 -Por mixture (6A) 2.2113 g was measured in a quartz boat and inserted into a tubular furnace, 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) Was installed at the center of the quartz tube, the nitrogen flow rate was 200 mL per minute, and the mixture was allowed to flow at room temperature for 30 minutes. Thereafter, the flow rate of nitrogen is lowered to 20 mL / min, the temperature is raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C./min, held at 800 ° C. for 10 hours, and further raised from 800 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min. And held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon precursor (6B). The obtained carbon precursor (6B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain 0.7476 g of acid-washed carbon precursor (6C).

(焼成・粉砕処理、2回目焼成、真空ガス置換/回転炉)
炭素前駆体(6C)0.5847gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その際に石英管を2.0rpmで回転させた。その後、3時間かけて室温まで冷却し、未酸洗浄の炭素材料(6D)を得た。炭素材料(6D)をメノウ乳鉢で粉砕し、未酸洗浄の炭素材料(6E)を0.5284g得た。得られた未酸洗浄の炭素材料(6E)を実施例6の含窒素カーボンアロイとした。
(Firing / Crushing process, Second firing, Vacuum gas replacement / Rotating furnace)
We measure 0.5847g of carbon precursor (6C) in a quartz boat and place it in the center of a 4.0cmφ (inside diameter 3.6cmφ) quartz tube inserted in a vacuum gas replacement furnace, and set the nitrogen flow rate to 200mL per minute. It was circulated at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. At that time, the quartz tube was rotated at 2.0 rpm. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon material (6D) of non-acid washing | cleaning. The carbon material (6D) was pulverized in an agate mortar to obtain 0.5284 g of non-acid cleaned carbon material (6E). The obtained non-acid cleaned carbon material (6E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Example 6.

(実施例7)
<ZIF−8、FeCl2・4H2O添加(H2AzPc)混合物の炭素材料合成(7E)>
(H2AzPcの調製)
Synthetic Communication.2004,34,3373−3380.に記載の方法を参考にして、3,4−ジシアノピリジンと、1,8−ヂアザビシクロ[5.4.0]ウンデー7−エン(DBU)をオクタノールに溶解し、185℃で2時間反応し、H2AzPcを調製した。
(Example 7)
<Carbon Material Synthesis of ZIF-8, FeCl 2 .4H 2 O Addition (H 2 AzPc) Mixture (7E)>
(Preparation of H 2 AzPc)
Synthetic Communication. 2004, 34, 3373-3380. 3,4-dicyanopyridine and 1,8-diazabicyclo [5.4.0] unday7-ene (DBU) were dissolved in octanol and reacted at 185 ° C. for 2 hours. H 2 AzPc was prepared.

Figure 2016102037
Figure 2016102037

分子式:C281412、分子量:518.49
元素分析(計算値):C,64.86;H,2.72;N,32.42
Molecular formula: C 28 H 14 N 12 , molecular weight: 518.49
Elemental analysis (calculated values): C, 64.86; H, 2.72; N, 32.42

(ZIF−8、FeCl2・4H2O添加(H2AzPc)混合物の調製)
上述のH2AzPc 1.00g、ZIF−8 9.00g(BASF社製、Basolite Z1200)、FeCl2・4H2O 0.37g(和光純薬工業社製、純度99.9%)を、ワーリング社製、75mL SUS製標準容器に添加し、窒素置換した後、ワーリング社製カッティングミル(X−TREME MX1200XTM、75mL SUS製標準容器)を回転開始後、5秒間で、1300rpmから10000rpmまで無段階変速にて回転後、10000rpmで40秒間回転させて、ZIF−8、FeCl2・4H2O添加H2AzPc混合物(前駆体)(7A)を得た。前駆体(7A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
(Preparation of ZIF-8, FeCl 2 .4H 2 O added (H 2 AzPc) mixture)
Waring the above-mentioned H 2 AzPc 1.00 g, ZIF-8 9.00 g (BASF, Basolite Z1200), FeCl 2 .4H 2 O 0.37 g (Wako Pure Chemical Industries, purity 99.9%) After adding nitrogen to a 75 mL SUS standard container and substituting with nitrogen, a rotating mill (X-TREME MX1200XTM, 75 mL SUS standard container) was continuously rotated from 1300 rpm to 10000 rpm in 5 seconds after starting rotation. After rotating at 10000 rpm for 40 seconds, a ZIF-8, FeCl 2 .4H 2 O-added H 2 AzPc mixture (precursor) (7A) was obtained. The specific volume of the precursor (7A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

(連続焼成・粉砕・酸洗浄処理、1回目焼成、流通炉)
ZIF−8、FeCl2・4H2O添加H2AzPc混合物(7A)1.8074gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から800℃まで毎分5℃昇温し、800℃で10時間保持し、さらに800℃から1000℃まで毎分5℃で昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(7B)を得た。得られた炭素前駆体(7B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(7C)を0.84702g得た。
(Continuous firing, pulverization, acid cleaning treatment, first firing, distribution furnace)
Weighed 1.8074 g of ZIF-8, FeCl 2 .4H 2 O added H 2 AzPc mixture (7A) into a quartz boat and placed it in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tube furnace. It was installed and the nitrogen flow rate was 200 mL / min, and it was circulated at room temperature for 30 min. Thereafter, the flow rate of nitrogen is lowered to 20 mL / min, the temperature is raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C./min, held at 800 ° C. for 10 hours, and further raised from 800 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min. And held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon precursor (7B). The obtained carbon precursor (7B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then left overnight to obtain 0.84702 g of acid-washed carbon precursor (7C).

(焼成・粉砕処理、2回目焼成、真空ガス置換/回転炉)
炭素前駆体(7C)0.2835gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その際に石英管を2.0rpmで回転させた。その後、3時間かけて室温まで冷却し、未酸洗浄の炭素材料(7D)を得た。炭素材料(7D)をメノウ乳鉢で粉砕し、未酸洗浄の炭素材料(7E)を0.1710g得た。得られた未酸洗浄の炭素材料(7E)を実施例7の含窒素カーボンアロイとした。
(Firing / Crushing process, Second firing, Vacuum gas replacement / Rotating furnace)
We measure 0.2835g of carbon precursor (7C) in a quartz boat and install it in the center of a 4.0cmφ (inside diameter 3.6cmφ) quartz tube inserted in a vacuum gas replacement furnace, and set the nitrogen flow rate to 200mL per minute. It was circulated at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. At that time, the quartz tube was rotated at 2.0 rpm. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon material (7D) of non-acid washing. The carbon material (7D) was pulverized in an agate mortar to obtain 0.1710 g of a non-acid cleaned carbon material (7E). The obtained non-acid cleaned carbon material (7E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Example 7.

(実施例8)
<ZIF−8、Fe(acac)2添加(Ph4−Por)混合物の炭素材料合成(8E)>
(ZIF−8、Fe(acac)2添加(Ph4−Por)混合物の調製)
Ph4−Por 1.00g(Aldrich社製)、ZIF−8 9.00g(BASF社製、Basolite Z1200)、Fe(acac)2 0.47g(Aldrich社製、純度99.95%以上(残存金属量基準))を、ワーリング社製、75mL SUS製標準容器に添加し、窒素置換した後、ワーリング社製カッティングミル(X−TREME MX1200XTM、75mL SUS製標準容器)を回転開始後、5秒間で、1300rpmから10000rpmまで無段階変速にて回転後、10000rpmで40秒間回転させて、ZIF−8、Fe(acac)2添加Ph4−Por混合物(前駆体)(8A)を得た。前駆体(8A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
(Example 8)
<Carbon Material Synthesis of ZIF-8, Fe (acac) 2 Addition (Ph 4 -Por) Mixture (8E)>
(Preparation of ZIF-8, Fe (acac) 2 added (Ph 4 -Por) mixture)
Ph 4 -Por 1.00 g (Aldrich), ZIF-8 9.00 g (BASF, Basolite Z1200), Fe (acac) 2 0.47 g (Aldrich, purity 99.95% or more (residual metal) Is added to a standard container made of Warling Co., Ltd., 75 mL SUS and purged with nitrogen. Then, a cutting mill manufactured by Waring Co., Ltd. (X-TREME MX1200XTM, standard container made of 75 mL SUS) is started for 5 seconds. After rotating at a stepless speed from 1300 rpm to 10000 rpm, it was rotated at 10,000 rpm for 40 seconds to obtain a ZIF-8, Fe (acac) 2 -added Ph 4 -Por mixture (precursor) (8A). The specific volume of the precursor (8A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

Figure 2016102037
Figure 2016102037

分子式:C1014Fe14、分子量:254.061
元素分析(計算値):C,47.27;H,5.55;Fe,21.98;O,25.19
Molecular formula: C 10 H 14 Fe 1 O 4 , molecular weight: 254.061
Elemental analysis (calculated values): C, 47.27; H, 5.55; Fe, 21.98; O, 25.19

(連続焼成 流通炉・粉砕処理)
上述のZIF−8、Fe(acac)2添加Ph4−Por混合物(8A)1.7982gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から700℃まで毎分5℃昇温し、700℃で10時間保持し、さらに700℃から1000℃まで毎分5℃で昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(8B)を得た。得られた炭素前駆体(8B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(8C)を0.9823g得た。
(Continuous firing distribution furnace, pulverization)
1.7982 g of the ZIF-8, Fe (acac) 2 -added Ph 4 -Por mixture (8A) described above was measured in a quartz boat and inserted into a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace. It was installed in the center, the nitrogen flow rate was 200 mL per minute, and it was circulated at room temperature for 30 minutes. Thereafter, the flow rate of nitrogen is lowered to 20 mL per minute, the temperature is raised from 30 ° C. to 700 ° C. at 5 ° C. per minute, held at 700 ° C. for 10 hours, and further raised from 700 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C. per minute. And held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon precursor (8B). The obtained carbon precursor (8B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and then left overnight to obtain 0.9823 g of acid-washed carbon precursor (8C).

(焼成・粉砕・水洗浄処理、2回目焼成、真空ガス置換/回転炉)
炭素前駆体(8C)0.3019gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その際に石英管を2.0rpmで回転させた。その後、3時間かけて室温まで冷却し、未酸洗浄の炭素材料(8D)を得た。炭素材料(8D)をメノウ乳鉢で粉砕し、水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、未酸洗浄の炭素材料(8E)を0.1714g得た。得られた未酸洗浄の炭素材料(8E)を実施例8の含窒素カーボンアロイとした。
(Firing, grinding, water washing treatment, second firing, vacuum gas replacement / rotary furnace)
We measure 0.3019 g of carbon precursor (8C) in a quartz boat and place it in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted in a vacuum gas replacement furnace, and the nitrogen flow rate is 200 mL per minute. It was circulated at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. At that time, the quartz tube was rotated at 2.0 rpm. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon material (8D) of non-acid washing | cleaning. The carbon material (8D) was pulverized with an agate mortar, washed with water, filtered and air-dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain 0.1714 g of an unacid-washed carbon material (8E). The obtained non-acid cleaned carbon material (8E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Example 8.

(比較例1)
<ZIF−8、Fe(OAc)2添加(2−Py)3−TAz混合物の未酸洗浄の炭素材料合成(C1-E)>
(ZIF−8、Fe(OAc)2添加(2−Py)3−TAz混合物の調製)
(2−Py)3−TAz(東京化成工業社製)0.10g、ZIF−8(BASF社製、Basolite Z1200)0.90g、Fe(OAc)2(Aldrich社製、酢酸鉄(II)、純度99.99%以上(残存金属量基準))32mg、SUS304鋼球20個をジルコニア製45ml容器(フリッチュ製)に入れ、真空脱気し、窒素置換後、オバーポットで密閉した。遊星型ボールミル クラッシクラインP−7(フリッチュ製)を用いて、400rpmで3時間粉砕し、金属メッシュでSUS304鋼球を除き、ZIF−8、Fe(OAc)2添加(2−Py)3−TAz混合物(前駆体)(C1-A)を得た。前駆体(C1−A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
(Comparative Example 1)
<ZIF-8, Fe (OAc) 2 Addition (2-Py) 3 -TAz Mixture of Non-Acid Washed Carbon Material Synthesis (C1-E)>
(Preparation of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (2-Py) 3 -TAz mixture)
(2-Py) 3 -TAz (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 0.10 g, ZIF-8 (manufactured by BASF, Basolite Z1200) 0.90 g, Fe (OAc) 2 (manufactured by Aldrich, iron (II) acetate), Purity 99.99% or more (residual metal amount standard) 32 mg, 20 SUS304 steel balls were put into a 45 ml container (manufactured by Fritsch) made of zirconia, vacuum deaerated, purged with nitrogen, and sealed with an overpot. Using planetary ball mill Classic Line P-7 (manufactured by Fritsch), pulverize at 400 rpm for 3 hours, remove SUS304 steel balls with metal mesh, and add ZIF-8, Fe (OAc) 2 (2-Py) 3 -TAz A mixture (precursor) (C1-A) was obtained. The specific volume of the precursor (C1-A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

Figure 2016102037
Figure 2016102037

分子式:C18126、分子量:312.33
元素分析(計算値):C, 69.22, H, 3.87, N, 26.91
Molecular formula: C 18 H 12 N 6 , molecular weight: 312.33
Elemental analysis (calculated value): C, 69.22, H, 3.87, N, 26.91

(焼成・粉砕・酸洗浄処理、1回目焼成、流通炉)
ZIF−8、Fe(OAc)2添加(2−Py)3−TAz混合物(C1-A)0.5823gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。30℃から900℃まで毎分5℃昇温し、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(C1-B)を得た。得られた炭素前駆体(C1-B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(C1-C)を0.1870g得た。
(Baking / Crushing / Acid cleaning treatment, 1st baking, Distribution furnace)
ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (2-Py) 3 -TAz mixture (C1-A) 0.5823 g was weighed into a quartz boat and inserted into a tubular furnace, 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) Was installed at the center of the quartz tube, the nitrogen flow rate was 200 mL per minute, and the mixture was allowed to flow at room temperature for 30 minutes. The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute, and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon precursor (C1-B). The obtained carbon precursor (C1-B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain 0.1870 g of an acid cleaned carbon precursor (C1-C).

(焼成・粉砕・水洗浄処理、2回目焼成、真空ガス置換炉)
炭素前駆体(C1-C)0.0990gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換回転炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C1-D)を得た。炭素材料(C1-D)をメノウ乳鉢で粉砕し、水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、未酸洗浄の炭素材料(C1-E)0.0568gを得た。得られた未酸洗浄の炭素材料(C1-E)を比較例1の含窒素カーボンアロイとした。
(Firing, grinding, water washing treatment, second firing, vacuum gas replacement furnace)
We measure 0.0990 g of carbon precursor (C1-C) in a quartz boat and install it in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a vacuum gas displacement rotary furnace. The minute volume was 200 mL, and the mixture was allowed to flow at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon material (C1-D). The carbon material (C1-D) was pulverized in an agate mortar, washed with water, filtered and air-dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and then left overnight to obtain 0.0568 g of a non-acid cleaned carbon material (C1-E). The obtained non-acid cleaned carbon material (C1-E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Comparative Example 1.

(比較例2)
<ZIF−8、Fe(OAc)2添加(2−Py)3−TAz混合物の酸洗浄済み炭素材料合成(C2-E)>
上述の炭素材料(C1-D)0.0540gをメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C2-E)0.0435gを得た。得られた酸洗浄済み炭素材料(C2-E)を比較例2の含窒素カーボンアロイとした。
(Comparative Example 2)
<Synthesis of ZIF-8, Fe (OAc) 2 -added (2-Py) 3 -TAz Mixture with Acid-washed Carbon Material (C2-E)>
0.0540 g of the carbon material (C1-D) described above was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain 0.0435 g of an acid cleaned carbon material (C2-E). The obtained acid-washed carbon material (C2-E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Comparative Example 2.

(比較例3)
<加熱乾燥済みZIF−8の調製(C3-E)>
ZIF−8(BASF社製、Basolite Z1200)2.0gを粉砕せずに、石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、脱気窒素置換を3回した後、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。30℃から100℃まで毎分5℃昇温し、100℃で24時間乾燥し、その後、12時間かけて室温まで冷却し、加熱乾燥済みZIF−8を1.98g得た。得られた加熱乾燥済みZIF−8を比較例3の加熱乾燥済みZIF−8(C3-E)とした。加熱乾燥済みZIF−8(C3-E)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
(Comparative Example 3)
<Preparation of heat-dried ZIF-8 (C3-E)>
ZIF-8 (BASF Corp., Basolite Z1200) 2.0 g was measured in a quartz boat without crushing, and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace. After degassing nitrogen substitution three times, the nitrogen flow rate was 200 mL / min and the mixture was allowed to flow at room temperature for 30 minutes. The temperature was raised from 30 ° C. to 100 ° C. at 5 ° C. per minute, dried at 100 ° C. for 24 hours, and then cooled to room temperature over 12 hours to obtain 1.98 g of heat-dried ZIF-8. The obtained heat-dried ZIF-8 was used as heat-dried ZIF-8 (C3-E) of Comparative Example 3. The specific volume of heat-dried ZIF-8 (C3-E) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

(比較例4)
<ZIF−8の未酸洗浄の炭素材料合成(C4-E)>
(ZIF−8粉砕品の調製)
ZIF−8(BASF社製、Basolite Z1200)1.00gと、SUS304鋼球20個をジルコニア製45ml容器(フリッチュ製)に入れ、真空脱気し、窒素置換後、オバーポットで密閉した。遊星型ボールミル クラッシクラインP−7(フリッチュ製)を用いて、400rpmで3時間粉砕し、金属メッシュでSUS304鋼球を除き、ZIF−8粉砕品(C4-A)を得た。ZIF−8粉砕品(C4-A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
(Comparative Example 4)
<Synthesis of ZIF-8 non-acid-cleaned carbon material (C4-E)>
(Preparation of ZIF-8 ground product)
1.00 g of ZIF-8 (Basolite Z1200, manufactured by BASF) and 20 SUS304 steel balls were placed in a 45 ml container (manufactured by Fritsch) made of zirconia, vacuum degassed, purged with nitrogen, and sealed with an overpot. Using a planetary ball mill Classic Line P-7 (manufactured by Fritsch), the mixture was pulverized at 400 rpm for 3 hours, and SUS304 steel balls were removed with a metal mesh to obtain a ZIF-8 pulverized product (C4-A). The specific volume of the ZIF-8 ground product (C4-A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

(焼成・粉砕・酸洗浄処理、1回目焼成、流通炉)
ZIF−8粉砕品(C4-A)0.5126gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。30℃から900℃まで毎分5℃昇温し、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、ZIF−8の予備炭化物(C4-B)を得た。得られた予備炭化物(C4-B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた予備炭化物材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み予備炭化物(C4-C)を0.2026g得た。
(Baking / Crushing / Acid cleaning treatment, 1st baking, Distribution furnace)
Weigh 0.5126 g of ZIF-8 pulverized product (C4-A) into a quartz boat and place it in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace. It was made 200 mL and it was made to distribute | circulate at room temperature for 30 minutes. The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute, and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the preliminary carbide (C4-B) of ZIF-8. The obtained preliminary carbide (C4-B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained preliminary carbide material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then left overnight to obtain 0.2026 g of acid-cleaned preliminary carbide (C4-C).

(焼成・粉砕処理・水洗浄処理、2回目焼成、真空ガス置換炉)
上述の酸洗浄済み予備炭化物(C4-C)0.1863gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C4-D)を得た。炭素材料(C4-D)をメノウ乳鉢で粉砕し、水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、未酸洗浄の炭素材料(C4-E)0.1195g得た。得られた未酸洗浄の炭素材料(C4-E)を比較例4の含窒素カーボンアロイとした。
(Firing, grinding, water washing, second firing, vacuum gas replacement furnace)
Weigh 0.1863 g of the above-mentioned acid-cleaned preliminary carbide (C4-C) in a quartz boat and place it in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a vacuum gas replacement furnace. The flow rate was 200 mL per minute and the mixture was allowed to flow at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon material (C4-D). The carbon material (C4-D) was pulverized in an agate mortar, washed with water, filtered and air-dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain 0.1195 g of non-acid cleaned carbon material (C4-E). The obtained non-acid cleaned carbon material (C4-E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Comparative Example 4.

(比較例5)
<ZIF−8、Fe(OAc)2添加(2−Py)TAz(NH22混合物の炭素材料合成(C5−E)>
((2−Py)TAz(NH22の調製)
J.Org.Chem.,2003,68,1158.を参考にして、(2−Py)TAz(NH22を調製した。2−ピリジルカルゴキシアルデヒド(東京化成工業社製)107.1mgと、ヨウ素 500mgを、28%アンモニア水 9mLとTHF 1mLの混合溶媒に添加し、室温で1時間撹拌した。これにジシアノジアミド(東京化成工業社製)100mgとKOH 120mgの混合物を添加して、18時間加熱還流した。生成した沈殿をろ過し、Et2O(20%エタノール)で洗浄乾燥し(2−Py)TAz(NH22を80mg得た。
(Comparative Example 5)
<Carbon material synthesis of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (2-Py) TAz (NH 2 ) 2 mixture>(C5-E)>
(Preparation of (2-Py) TAz (NH 2 ) 2 )
J. et al. Org. Chem. , 2003, 68, 1158. (2-Py) TAz (NH 2 ) 2 was prepared with reference to FIG. 107.1 mg of 2-pyridylcarboxaldehyde (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 500 mg of iodine were added to a mixed solvent of 9 mL of 28% aqueous ammonia and 1 mL of THF, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour. To this was added a mixture of 100 mg of dicyanodiamide (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 120 mg of KOH, and the mixture was heated to reflux for 18 hours. The produced precipitate was filtered, washed with Et 2 O (20% ethanol) and dried to obtain 80 mg of (2-Py) TAz (NH 2 ) 2 .

Figure 2016102037
Figure 2016102037

Figure 2016102037
(2−Py)TAz(NH2
Figure 2016102037
(2-Py) TAz (NH 2 )

分子式:C886、分子量:188.19
元素分析(計算値):C, 51.06, H, 4.28, N, 44.66
Molecular formula: C 8 H 8 N 6 , molecular weight: 188.19
Elemental analysis (calculated values): C, 51.06, H, 4.28, N, 44.66

(ZIF−8、Fe(OAc)2添加(2−Py)TAz(NH22混合物の調製)
(2−Py)TAz(NH22 0.10g、ZIF−8(BASF社製、Basolite Z1200)0.90g、Fe(OAc)2(Aldrich社製、酢酸鉄(II)、純度99.99%以上(残存金属量基準))32mg、SUS304鋼球20個をジルコニア製45ml容器(フリッチュ製)に入れ、真空脱気し、窒素置換後、オバーポットで密閉した。遊星型ボールミル クラッシクラインP−7(フリッチュ製)を用いて、400rpmで3時間粉砕し、金属メッシュでSUS304鋼球を除き、ZIF−8、Fe(OAc)2添加(2−Py)TAz(NH22混合物(前駆体)(C5−A)を得た。前駆体(C5−A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
(Preparation of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (2-Py) TAz (NH 2 ) 2 mixture)
(2-Py) TAz (NH 2 ) 2 0.10 g, ZIF-8 (manufactured by BASF, Basolite Z1200) 0.90 g, Fe (OAc) 2 (manufactured by Aldrich, iron (II) acetate, purity 99.99) % Or more (residual metal amount standard) 32 mg, 20 SUS304 steel balls were put into a 45 ml container (made by Fritsch) made of zirconia, vacuum degassed, purged with nitrogen, and sealed with an overpot. Using a planetary ball mill Classic Line P-7 (manufactured by Fritsch), pulverization was performed at 400 rpm for 3 hours, SUS304 steel balls were removed with a metal mesh, and ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (2-Py) TAz (NH 2 ) 2 mixture (precursor) (C5-A) was obtained. The specific volume of the precursor (C5-A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

(焼成・粉砕・酸洗浄処理、1回目焼成、流通炉)
ZIF−8、Fe(OAc)2添加(2−Py)TAz(NH22混合物(C5−A)2.5315gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。30℃から900℃まで毎分5℃昇温し、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(C6-B)を得た。得られた炭素前駆体(C5-B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(C5-C)を0.4994g得た。
(Baking / Crushing / Acid cleaning treatment, 1st baking, Distribution furnace)
2.5315 g of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (2-Py) TAz (NH 2 ) 2 mixture (C5-A) was weighed into a quartz boat and inserted into a tubular furnace, 4.0 cmφ (inner diameter 3 .6 cmφ) at the center of the quartz tube, the nitrogen flow rate was 200 mL per minute, and the mixture was allowed to flow at room temperature for 30 minutes. The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute, and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon precursor (C6-B). The obtained carbon precursor (C5-B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain 0.4994 g of acid-washed carbon precursor (C5-C).

(焼成・粉砕・酸洗浄処理、2回目焼成、真空ガス置換炉)
炭素前駆体(C5-C)0.3096gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換回転炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C5-D)を得た。炭素材料(C5-D)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C5-E)0.2084gを得た。得られた酸洗浄済み炭素材料(C5-E)を比較例5の炭素材料とした。
(Firing, grinding, acid cleaning treatment, second firing, vacuum gas replacement furnace)
We measure 0.3096g of carbon precursor (C5-C) in a quartz boat and place it in the center of a 4.0cmφ (inside diameter 3.6cmφ) quartz tube inserted into a vacuum gas-replacement rotary furnace. The minute volume was 200 mL, and the mixture was allowed to flow at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon material (C5-D). The carbon material (C5-D) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain 0.2084 g of an acid cleaned carbon material (C5-E). The obtained acid cleaned carbon material (C5-E) was used as the carbon material of Comparative Example 5.

(比較例6)
<ZIF−8添加(ClFe−(MeOPh)4−Por)混合物の炭素材料合成(C6−E)>
(ZIF−8添加(ClFe−(MeOPh)4−Por)混合物の調製)
ZIF−8 1.00g(BASF社製、Basolite Z1200)と、ClFe−(MeOPh)4−Por 0.15g(アルドリッチ社製)と、SUS304鋼球20個をジルコニア製45ml容器(フリッチュ製)に入れ、真空脱気し、窒素置換後、オバーポットで密閉した。遊星型ボールミル クラッシクラインP−7(フリッチュ製)を用いて、400rpmで3時間粉砕し、金属メッシュでSUS304鋼球を除き、ZIF−8添加ClFe−(MeOPh)4−Por混合物(前駆体)(C6-A)を得た。前駆体(C1−A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
(Comparative Example 6)
<Carbon Material Synthesis of ZIF-8-added (ClFe- (MeOPh) 4 -Por) Mixture (C6-E)>
(Addition of ZIF-8 (Preparation of ClFe- (MeOPh) 4 -Por) mixture)
ZIF-8 1.00 g (BASF, Basolite Z1200), ClFe- (MeOPh) 4 -Por 0.15 g (Aldrich) and 20 SUS304 steel balls are put into a 45 ml container (made by Fritsch) made of zirconia. After vacuum degassing and replacement with nitrogen, it was sealed with an overpot. Using a planetary ball mill Classic Line P-7 (manufactured by Fritsch), pulverization was performed at 400 rpm for 3 hours, SUS304 steel balls were removed with a metal mesh, and ZIF-8-added ClFe- (MeOPh) 4 -Por mixture (precursor) ( C6-A) was obtained. The specific volume of the precursor (C1-A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

Figure 2016102037
Figure 2016102037

分子式:C4836Cl1Fe144、分子量:824.12
元素分析(計算値):C,69.95;H,4.40;N,4.30;Fe,6.78;N,6.80;O,7.77
Molecular formula: C 48 H 36 Cl 1 Fe 1 N 4 O 4 , molecular weight: 824.12
Elemental analysis (calculated values): C, 69.95; H, 4.40; N, 4.30; Fe, 6.78; N, 6.80; O, 7.77

(焼成・粉砕・酸洗浄処理、1回目焼成、流通炉)
ZIF−8添加ClFe−(MeOPh)4−Por混合物(C6-A)0.7152gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。30℃から900℃まで毎分5℃昇温し、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(C6−B)を得た。得られた炭素前駆体(C6-B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(C6-C)を0.2611g得た。
(Baking / Crushing / Acid cleaning treatment, 1st baking, Distribution furnace)
Measure 0.7152 g of the ZIF-8-added ClFe- (MeOPh) 4 -Por mixture (C6-A) in a quartz boat and place it in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted in a tubular furnace. It was installed and the nitrogen flow rate was 200 mL / min, and it was circulated at room temperature for 30 min. The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute, and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon precursor (C6-B). The obtained carbon precursor (C6-B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until no coloration occurred. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and left overnight to obtain 0.2611 g of an acid cleaned carbon precursor (C6-C).

(焼成・粉砕・酸洗浄処理 2回目焼成 真空ガス置換炉)
炭素前駆体(C6−B)をメノウ乳鉢で粉砕し、0.1013gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換回転炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C6-D)を得た。炭素材料(C6-D)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C6-E)0.0821gを得た。得られた酸洗浄済み炭素材料(C6-E)を比較例6の炭素材料とした。
(Baking / Crushing / Acid cleaning treatment 2nd baking Vacuum gas replacement furnace)
The carbon precursor (C6-B) was pulverized in an agate mortar, and 0.1013 g was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a vacuum gas displacement rotary furnace. It was installed and the nitrogen flow rate was 200 mL per minute and allowed to flow at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon material (C6-D). The carbon material (C6-D) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and left overnight to obtain 0.0821 g of acid-cleaned carbon material (C6-E). The obtained acid cleaned carbon material (C6-E) was used as the carbon material of Comparative Example 6.

(比較例7)
<Fe(OAc)2添加(Ph4−Por)混合物の炭素材料合成(C7−E)>
(Ball Mill粉砕済みFe(OAc)2添加(Ph4−Por)混合物の調製)
Ph4−Por 1.00g(Aldrich社製)と、Fe(OAc)2 32mg(Aldrich社製、酢酸鉄(II)、純度99.995%以上(残存金属量基準))と、SUS304鋼球20個をジルコニア製45ml容器(フリッチュ製)に入れ、真空脱気し、窒素置換後、オバーポットで密閉した。遊星型ボールミル クラッシクラインP−7(フリッチュ製)を用いて、400rpmで3時間粉砕し、金属メッシュでSUS304鋼球を除き、Ball Mill粉砕済みFe(OAc)2添加Ph4−Por混合物(前駆体)(C7-A)を得た。前駆体(C7−A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
Ball Mill粉砕済みFe(OAc)2添加Ph4−Por混合物(C7-A)を比較例6と同様に焼成したが、極微量の炭素材料のみしか得られず、BET法による比表面積測定およびカーボンアロイ塗付電極の作製・酸素還元反応(ORR)活性測定もできなかった。
(Comparative Example 7)
<Carbon Material Synthesis of Fe (OAc) 2 Addition (Ph 4 -Por) Mixture (C7-E)>
(Preparation of Ball Mill ground Fe (OAc) 2 addition (Ph 4 -Por) mixture)
Ph 4 -Por 1.00 g (manufactured by Aldrich), 32 mg of Fe (OAc) 2 (manufactured by Aldrich, iron (II) acetate, purity 99.995% or more (based on the amount of residual metal)), SUS304 steel ball 20 The pieces were placed in a zirconia 45 ml container (manufactured by Fritsch), vacuum degassed, purged with nitrogen, and sealed with an overpot. Using a planetary ball mill Classic Line P-7 (manufactured by Fritsch), pulverized at 400 rpm for 3 hours, SUS304 steel balls were removed with a metal mesh, Ball Mill pulverized Fe (OAc) 2 added Ph 4 -Por mixture (precursor) ) (C7-A) was obtained. The specific volume of the precursor (C7-A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.
Ball Mill crushed Fe (OAc) 2 added Ph 4 -Por mixture (C7-A) was calcined in the same manner as in Comparative Example 6, but only a very small amount of carbon material was obtained. Specific surface area measurement and carbon by BET method were obtained. Preparation of alloy-coated electrodes and measurement of oxygen reduction reaction (ORR) activity could not be performed.

(比較例8)
<ZIF−8、Fe(OAc)2添加(Ph4−Por)混合物の炭素材料合成(C8−E)>
(ZIF−8、Fe(OAc)2添加(Ph4−Por)混合物の調製)
Ph4−Por 0.10g(Aldrich社製)と、ZIF−8 0.90g(BASF社製、Basolite Z1200)と、Fe(OAc)2 32mg(Aldrich社製、酢酸鉄(II)、純度99.995%以上(残存金属量基準))と、SUS304鋼球20個をジルコニア製45ml容器(フリッチュ製)に入れ、真空脱気し、窒素置換後、オバーポットで密閉した。遊星型ボールミル クラッシクラインP−7(フリッチュ製)を用いて、400rpmで3時間粉砕し、金属メッシュでSUS304鋼球を除き、Fe(OAc)2添加Ph4−Por混合物(前駆体)(C8-A)を得た。前駆体(C8−A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
(Comparative Example 8)
<Synthesis of carbon material (C8-E) of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (Ph 4 -Por) mixture>
(Preparation of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added (Ph 4 -Por) mixture)
Ph 4 -Por 0.10 g (manufactured by Aldrich), ZIF-8 0.90 g (manufactured by BASF, Basolite Z1200), and 32 mg of Fe (OAc) 2 (manufactured by Aldrich, iron (II) acetate, purity 99. 995% or more (residual metal amount standard)) and 20 SUS304 steel balls were put into a 45 ml container (made by Fritsch) made of zirconia, vacuum degassed, purged with nitrogen, and sealed with an overpot. Using a planetary ball mill Classic Line P-7 (manufactured by Fritsch), pulverization was carried out at 400 rpm for 3 hours, SUS304 steel balls were removed with a metal mesh, and Fe (OAc) 2 added Ph 4 -Por mixture (precursor) (C8- A) was obtained. The specific volume of the precursor (C8-A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.

(焼成・粉砕・酸洗浄処理、1回目焼成、流通炉)
ZIF−8、Fe(OAc)2添加Ph4−Por混合物(C8-A)2.2548gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、30分間室温で流通させた。30℃から900℃まで毎分5℃昇温し、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素前駆体(C8-B)を得た。得られた炭素前駆体(C8-B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素前駆体(C8-C)を0.8373g得た。
(Baking / Crushing / Acid cleaning treatment, 1st baking, Distribution furnace)
2.2548 g of ZIF-8, Fe (OAc) 2 added Ph 4 -Por mixture (C8-A) was weighed into a quartz boat and inserted into a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace. It was installed in the center, the nitrogen flow rate was 200 mL per minute, and it was circulated at room temperature for 30 minutes. The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute, and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon precursor (C8-B). The obtained carbon precursor (C8-B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then left overnight to obtain 0.8373 g of acid-washed carbon precursor (C8-C).

(焼成・粉砕・酸洗浄処理、2回目焼成、真空ガス置換炉)
炭素前駆体(C8-C)0.1882gを石英ボートに測り取り、真空ガス置換炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素流量を毎分200mLとし、1分間室温で流通させた。次に、真空ポンプで管内が1.9×101Paとなるまで排気し、窒素置換を3度繰返した。その後、窒素の流量を毎分20mLに下げて、30℃から1000℃まで毎分5℃昇温し、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、未酸洗浄の炭素材料(C8-D)を得た。炭素材料(C8-D)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、未酸洗浄の炭素材料(C8-E)を0.1381g得た。得られた酸洗浄の炭素材料(C8-E)を比較例8の含窒素カーボンアロイとした。
(Firing, grinding, acid cleaning treatment, second firing, vacuum gas replacement furnace)
We measure 0.1882g of carbon precursor (C8-C) in a quartz boat and install it in the center of a 4.0cmφ (inside diameter 3.6cmφ) quartz tube inserted in a vacuum gas replacement furnace, and the nitrogen flow rate is changed every minute. It was made 200 mL and it was distribute | circulated at room temperature for 1 minute. Next, the inside of a pipe | tube was exhausted with the vacuum pump until it became 1.9 * 10 < 1 > Pa, and nitrogen substitution was repeated 3 times. Thereafter, the flow rate of nitrogen was lowered to 20 mL / min, the temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained the carbon material (C8-D) of non-acid washing | cleaning. The carbon material (C8-D) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then left overnight to obtain 0.1381 g of non-acid washed carbon material (C8-E). The obtained acid-washed carbon material (C8-E) was used as the nitrogen-containing carbon alloy of Comparative Example 8.

(比較例9)
<Fe(OAc)2添加(Ph4−Por)混合物の炭素材料合成(C7−E)>
(CuttingMill粉砕済みFe(OAc)2添加(Ph4−Por)混合物の調製)
Ph4−Por 10.0g(Aldrich社製)、Fe(OAc)2 0.32g(Aldrich社製、酢酸鉄(II)、純度99.995%以上(残存金属量基準))、を、ワーリング社製、75mL SUS製標準容器に添加し、窒素置換した後、ワーリング社製カッティングミル(X−TREME MX1200XTM、75mL SUS製標準容器)を回転開始後、5秒間で、1300rpmから10000rpmまで無段階変速にて回転後、10000rpmで40秒間回転させて、CuttingMill粉砕済みFe(OAc)2添加Ph4−Por混合物(前駆体)(C9−A)を得た。前駆体(C9−A)の比容積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果を、下記表1に記載した。
CuttingMill粉砕済みFe(OAc)2添加Ph4−Por混合物(C9-A)を比較例6と同様に焼成したが、極微量の炭素材料のみしか得られず、BET法による比表面積測定およびカーボンアロイ塗付電極の作製・酸素還元反応(ORR)活性測定もできなかった。
(Comparative Example 9)
<Carbon Material Synthesis of Fe (OAc) 2 Addition (Ph 4 -Por) Mixture (C7-E)>
(Preparation of Cutting Mill ground Fe (OAc) 2 addition (Ph 4 -Por) mixture)
Ph 4 -Por 10.0 g (manufactured by Aldrich), 0.32 g of Fe (OAc) 2 (manufactured by Aldrich, iron (II) acetate, purity 99.995% or more (based on the amount of residual metal)), Waring After adding nitrogen to a 75 mL SUS standard container and substituting with nitrogen, a rotating mill (X-TREME MX1200XTM, 75 mL SUS standard container) manufactured by Waring Co., Ltd. started to rotate continuously from 1300 rpm to 10,000 rpm in 5 seconds. Then, it was rotated at 10,000 rpm for 40 seconds to obtain a Cutting Mill-pulverized Fe (OAc) 2 added Ph 4 -Por mixture (precursor) (C9-A). The specific volume of the precursor (C9-A) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 below.
Cutting Mill pulverized Fe (OAc) 2 added Ph 4 -Por mixture (C9-A) was calcined in the same manner as in Comparative Example 6, but only a very small amount of carbon material was obtained. Specific surface area measurement and carbon alloy by BET method were obtained. Preparation of a coated electrode and measurement of oxygen reduction reaction (ORR) activity could not be performed.

以下の表1において、「酸洗浄」は、焼成工程後の炭素材料を酸洗浄する工程の有無を示す。また、実施例2〜8、比較例1〜6、8におけるBET法による比表面積の算出、及びカーボンアロイ塗付電極の作製・酸素還元反応(ORR)活性測定は、実施例2〜8、比較例1〜6、8の炭素材料を実施例1の炭素材料に代えて用いた以外は、実施例1と同様にして測定した。   In Table 1 below, “acid cleaning” indicates the presence or absence of a step of acid cleaning the carbon material after the firing step. In addition, calculation of specific surface area by BET method in Examples 2 to 8 and Comparative Examples 1 to 6 and 8, and preparation of carbon alloy-coated electrode / oxygen reduction reaction (ORR) activity measurement were performed in Examples 2 to 8 and Comparative Examples. The measurement was performed in the same manner as in Example 1 except that the carbon materials of Examples 1 to 6 and 8 were used instead of the carbon material of Example 1.

Figure 2016102037
Figure 2016102037

表1より、実施例の含窒素カーボンアロイは、触媒性能を示すORR電圧が十分に高いことがわかった。
一方、比較例の含窒素カーボンアロイは、ORR電圧が低く、触媒として性能が劣るものであった。また、比較例7及び9は収率が劣るものであった。
From Table 1, it was found that the nitrogen-containing carbon alloy of the example had a sufficiently high ORR voltage indicating catalyst performance.
On the other hand, the nitrogen-containing carbon alloy of the comparative example had a low ORR voltage and poor performance as a catalyst. Further, Comparative Examples 7 and 9 were inferior in yield.

(燃料電池発電性能評価)
(1)触媒インクの調製
(1)−1 カソード用触媒インクの調製
各実施例の含窒素カーボンアロイ材料0.1gと、1.0gの5質量%ナフィオン(登録商標)溶液(溶媒:水と低級アルコールの混合物、WAKO 番号321−86703)、0.25mLの水(イオン交換水)、及び0.5mLの1−プロパノールを、超音波分散機で2.5時間分散し、カソード用非白金触媒インクを得た。
(Fuel cell power generation performance evaluation)
(1) Preparation of catalyst ink (1) -1 Preparation of catalyst ink for cathode 0.1 g of nitrogen-containing carbon alloy material of each example and 1.0 g of 5 mass% Nafion (registered trademark) solution (solvent: water and A mixture of lower alcohols, WAKO number 321-86703), 0.25 mL of water (ion-exchanged water), and 0.5 mL of 1-propanol were dispersed with an ultrasonic disperser for 2.5 hours, and the non-platinum catalyst for cathode Ink was obtained.

(1)−2 アノード用触媒インクの調製
50質量%白金が担持された白金担持カーボン(田中貴金属工業(株)社製、TEC10V50E)0.5gをガラス容器に秤取り、0.8mLの水を加えた後、セプタムシールでガラス容器を封管し、容器内を窒素置換した。上述した5質量%ナフィオン4.3mLと1−プロパノール1mLをガラス容器内に注入し、超音波を2.5時間照射することでアノード用触媒インクを得た。
(1) -2 Preparation of anode catalyst ink 0.5 g of platinum-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10V50E) carrying 50% by mass of platinum was weighed in a glass container, and 0.8 mL of water was added. After the addition, the glass container was sealed with a septum seal, and the inside of the container was purged with nitrogen. The catalyst ink for anode was obtained by inject | pouring 4.3 mL of 5 mass% Nafion mentioned above and 1 mL of 1-propanol in a glass container, and irradiating an ultrasonic wave for 2.5 hours.

(2)転写用触媒塗布膜の作製
(2)−1 カソード用触媒膜の調製
(1)−1で調製したカソード用触媒インクをテフロン(登録商標)シートベース上に、200μmクリアランスのアプリケータで塗布し、24時間かけてゆっくり乾燥させた。乾燥後、5cm×5cmサイズの正方形にカットした。この塗布膜の重量からベース重量を差し引いた塗布物重量は、47.6mg(1.9mg/cm2)であった。
(2) Preparation of transfer catalyst coating film (2) -1 Preparation of cathode catalyst film (1) Cathode catalyst ink prepared in (1) -1 was applied on a Teflon (registered trademark) sheet base with a 200 μm clearance applicator. It was applied and slowly dried over 24 hours. After drying, it was cut into a 5 cm × 5 cm size square. The coating weight obtained by subtracting the base weight from the weight of the coating film was 47.6 mg (1.9 mg / cm 2 ).

(2)−2 アノード用触媒膜の調製
(1)−2で調製したアノード用触媒インクをテフロン(登録商標)シートベース上に、300μmクリアランスのアプリケータで塗布し、24時間かけてゆっくり乾燥させた。乾燥後、5cm×5cmサイズの正方形にカットした。この塗布膜の重量からベース重量を差し引いた塗布物重量は、21.5mg(0.86mg/cm2)であった。
(2) -2 Preparation of anode catalyst membrane The anode catalyst ink prepared in (1) -2 was applied on a Teflon (registered trademark) sheet base with a 300 μm clearance applicator and slowly dried over 24 hours. It was. After drying, it was cut into a 5 cm × 5 cm size square. The weight of the coated product obtained by subtracting the base weight from the weight of the coated film was 21.5 mg (0.86 mg / cm 2 ).

(3)転写用プロトン伝導膜の調製
ナフィオン膜(NR211、デュポン社製)を8cm×8cmサイズの正方形にカットしたものを、1mol/LのCsCl水溶液に10時間浸漬し、イオン交換水で水洗した後、乾燥し、転写用プロトン伝導膜を得た。
(3) Preparation of transfer proton conducting membrane A Nafion membrane (NR211, manufactured by DuPont) cut into a square of 8 cm x 8 cm size was immersed in a 1 mol / L CsCl aqueous solution for 10 hours and washed with ion-exchanged water. Thereafter, it was dried to obtain a proton conductive membrane for transfer.

(4)電極複合膜の調製
10cm×10cmサイズの正方形にカットした2枚のポリイミド膜(ユーピレックス75:宇部興産社製)の間に、(2)−1で調製した触媒膜、(3)で調製したプロトン伝導膜、(2)−2で調製した触媒膜の順に重ね合わせた。この際、触媒膜がプロトン伝導膜の中央で、塗布面がプトロン伝導膜に接する向きとした。この重ね合わせたシートを210℃、15MPaで10分間プレスした。2枚のポリイミド膜から、熱圧着された膜を取り出し、カソード塗布膜とアノード塗布膜のベースであるテフロン(登録商標)シートを剥離することにより、プロトン伝導膜の両面に触媒層が転写された電極複合膜を得た。この電極複合膜を0.5mol/Lの硫酸水溶液に10時間浸漬した後、イオン交換水で水洗し、乾燥後、目的の電極複合膜を得た。
(4) Preparation of electrode composite membrane Between two polyimide membranes (UPILEX 75: manufactured by Ube Industries Co., Ltd.) cut into 10 cm x 10 cm squares, the catalyst membrane prepared in (2) -1; (3) The prepared proton conducting membrane and the catalyst membrane prepared in (2) -2 were superposed in this order. At this time, the catalyst membrane was at the center of the proton conducting membrane, and the coating surface was in contact with the ptrone conducting membrane. The laminated sheet was pressed at 210 ° C. and 15 MPa for 10 minutes. The thermocompression-bonded film was taken out from the two polyimide films, and the catalyst layer was transferred to both sides of the proton conducting film by peeling off the Teflon (registered trademark) sheet which is the base of the cathode coating film and the anode coating film. An electrode composite membrane was obtained. This electrode composite membrane was immersed in a 0.5 mol / L sulfuric acid aqueous solution for 10 hours, washed with ion-exchanged water, and dried to obtain the desired electrode composite membrane.

(5)評価用燃料電池の組立て
(4)で得た電極複合膜を、5cm×5cmサイズの正方形にカットした2枚のカーボンクロス(ガス拡散層ELAT BASF社製)で挟み、200μm厚みのガスケット(テプロン製)を使用して、JARI標準セル(エフシー開発(株)社製)に組み込み、触媒有効面積25cm2の燃料電池セルを得た。
(5) Assembly of fuel cell for evaluation The electrode composite membrane obtained in (4) is sandwiched between two carbon cloths (made by gas diffusion layer ELAT BASF) cut into a square of 5 cm × 5 cm size, and a gasket having a thickness of 200 μm (Made by Tepron) was incorporated into a JARI standard cell (manufactured by FC Development Co., Ltd.) to obtain a fuel cell having a catalyst effective area of 25 cm 2 .

(6)発電性能評価
この燃料電池セルを80℃に保ちながら、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気を供給した。水素及び空気の加湿は、水を貯めたバブラーに各ガスを通すことで行った。水素用バブラーの水温は80℃、空気用バブラーの水温は80℃とした。ここで、水素のガス流量は1000ml/分、空気のガス流量は2500ml/分とし、常圧下で測定した。燃料電池セルの電流値を0Aから7.5Aまで、30秒毎に変化させ、各電流での安定した電圧を計測することにより、電流−電圧曲線を得た。これより、燃料電池が機能していることが確認できた。
(6) Power generation performance evaluation While keeping the fuel cell at 80 ° C., humidified hydrogen was supplied to the anode and humidified air was supplied to the cathode. Hydrogen and air were humidified by passing each gas through a bubbler containing water. The water temperature of the hydrogen bubbler was 80 ° C, and the water temperature of the air bubbler was 80 ° C. Here, the hydrogen gas flow rate was 1000 ml / min, the air gas flow rate was 2500 ml / min, and measurement was performed under normal pressure. A current-voltage curve was obtained by changing the current value of the fuel cell from 0 A to 7.5 A every 30 seconds and measuring a stable voltage at each current. From this, it was confirmed that the fuel cell was functioning.

10 燃料電池
12 セパレータ
13 アノード電極触媒
14 固体高分子電解質
15 カソード電極触媒
16 セパレータ
20 電気二重層キャパシタ
21 第1の電極
22 第2の電極
23 セパレータ
24a 外装蓋、
24b 外装ケース
25 集電体
26 ガスケット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 12 Separator 13 Anode electrode catalyst 14 Solid polymer electrolyte 15 Cathode electrode catalyst 16 Separator 20 Electric double layer capacitor 21 1st electrode 22 2nd electrode 23 Separator 24a Exterior cover,
24b Outer case 25 Current collector 26 Gasket

Claims (19)

下記一般式(1)で表される含窒素有機化合物、前記含窒素有機化合物の互変異性体、前記含窒素有機化合物の塩及び前記含窒素有機化合物の水和物から選択される少なくとも一種と、
共有結合性有機骨格材料及び金属有機骨格材料から選択される少なくとも一種と、
無機金属塩及び有機金属錯体から選択される少なくとも一種とを含む前駆体を焼成する工程を含み、
前記前駆体の比容積は4cm3/g以上である含窒素カーボンアロイの製造方法;
Figure 2016102037
一般式(1)中、L1〜L4は、それぞれ独立に連結基、単結合または二重結合を表し、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表し、L1〜L4の少なくとも1つは複素芳香族基を有する連結基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。
At least one selected from a nitrogen-containing organic compound represented by the following general formula (1), a tautomer of the nitrogen-containing organic compound, a salt of the nitrogen-containing organic compound, and a hydrate of the nitrogen-containing organic compound ,
At least one selected from a covalent organic framework material and a metal organic framework material;
Calcining a precursor containing at least one selected from inorganic metal salts and organometallic complexes,
A method for producing a nitrogen-containing carbon alloy, wherein the specific volume of the precursor is 4 cm 3 / g or more;
Figure 2016102037
In the general formula (1), L 1 to L 4 each independently represent a linking group, a single bond or a double bond, Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure, and L 1 to L 4 At least one is a linking group having a heteroaromatic group, or at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring.
前記一般式(1)で表される含窒素有機化合物は、下記一般式(2)で表される請求項1に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法;
Figure 2016102037
一般式(2)中、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表し、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。
The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to claim 1, wherein the nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1) is represented by the following general formula (2);
Figure 2016102037
In General Formula (2), Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure, and at least one of Z 1 to Z 4 includes a heteroaromatic ring.
前記一般式(1)で表される含窒素有機化合物は、下記一般式(3)で表される請求項1に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法;
Figure 2016102037
一般式(3)中、R1〜R4は、それぞれ独立に水素原子または置換基を表し、Z1〜Z4は、それぞれ独立に環状構造を表し、R1〜R4の少なくとも1つは複素芳香族基であるか、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む。
The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to claim 1, wherein the nitrogen-containing organic compound represented by the general formula (1) is represented by the following general formula (3);
Figure 2016102037
In General Formula (3), R 1 to R 4 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, Z 1 to Z 4 each independently represent a cyclic structure, and at least one of R 1 to R 4 is or a heteroaromatic group, at least one of Z 1 to Z 4 comprises a heteroaromatic ring.
前記一般式(3)において、R1〜R4の少なくとも1つは複素芳香族基であり、かつ、Z1〜Z4の少なくとも1つは複素芳香族環を含む請求項3に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。 In the said General formula (3), at least 1 of R < 1 > -R < 4 > is a heteroaromatic group, and at least 1 of Z < 1 > -Z < 4 > contains a hetero aromatic ring. A method for producing a nitrogen carbon alloy. 前記含窒素有機化合物は、金属錯体を除くピリジルポルフィリン、および、金属錯体を除くピリジルポルフィリンの塩から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to claim 1, wherein the nitrogen-containing organic compound is at least one selected from pyridyl porphyrins excluding metal complexes and pyridyl porphyrin salts excluding metal complexes. 前記金属有機骨格材料は、ゼオライト型イミダゾール骨格材料である請求項1〜5のいずれか1項に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal organic framework material is a zeolite type imidazole framework material. 前記有機金属錯体は、金属アセタート錯体またはβ―ジケトン金属錯体である請求項1〜6のいずれか1項に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of claims 1 to 6, wherein the organometallic complex is a metal acetate complex or a β-diketone metal complex. 前記無機金属塩は、無機金属塩化物である請求項1〜7のいずれか1項に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of claims 1 to 7, wherein the inorganic metal salt is an inorganic metal chloride. 前記無機金属塩の金属種が、Feである請求項1〜8のいずれか1項に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of claims 1 to 8, wherein a metal species of the inorganic metal salt is Fe. 前記無機金属塩は、含水塩である請求項1〜9のいずれか1項に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of claims 1 to 9, wherein the inorganic metal salt is a hydrate salt. 前記焼成する工程は、前記前駆体を400℃以上で焼成する工程である請求項1〜10のいずれか1項に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of claims 1 to 10, wherein the firing step is a step of firing the precursor at 400 ° C or higher. 前記焼成する工程は、前記前駆体を700〜1050℃で焼成する工程である請求項1〜11のいずれか1項に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of claims 1 to 11, wherein the firing step is a step of firing the precursor at 700 to 1050 ° C. 前記焼成する工程は、前記前駆体を700〜1050℃で1秒〜100時間保持する工程を含む請求項1〜12のいずれか1項に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of claims 1 to 12, wherein the firing step includes a step of holding the precursor at 700 to 1050 ° C for 1 second to 100 hours. 前記焼成する工程の前に、前記前駆体を粉砕する工程をさらに含む請求項1〜13のいずれか1項に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of claims 1 to 13, further comprising a step of pulverizing the precursor before the step of firing. 前記焼成する工程の後に、焼成された含窒素カーボンアロイを粉砕する工程と、再焼成する工程とをさらに含む請求項1〜14のいずれか1項に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to any one of claims 1 to 14, further comprising a step of pulverizing the fired nitrogen-containing carbon alloy and a step of re-firing after the step of firing. 前記再焼成する工程は、900〜1500℃で焼成する工程である請求項15に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to claim 15, wherein the re-baking step is a step of baking at 900 to 1500 ° C. 前記再焼成する工程の前に、脱気及び窒素置換する工程をさらに含む請求項15又は16に記載の含窒素カーボンアロイの製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon alloy according to claim 15 or 16, further comprising a step of deaeration and nitrogen substitution before the re-baking step. 請求項1〜17のいずれか1項に記載の方法で製造された含窒素カーボンアロイ。   The nitrogen-containing carbon alloy manufactured by the method of any one of Claims 1-17. 請求項18に記載の含窒素カーボンアロイを用いた燃料電池触媒。   A fuel cell catalyst using the nitrogen-containing carbon alloy according to claim 18.
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