JP2016183084A - Carbon material and method for producing the same, and electrode for fuel cell - Google Patents

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晃司 野村
日名子 英範
Hidenori Hinako
英範 日名子
健生 市原
Takeo Ichihara
健生 市原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a carbon material that allows a carbon material having high electrochemical properties to be produced continuously in quantity, and a carbon material obtained by the production method, and an electrode for fuel cell prepared with the carbon material.SOLUTION: A method for producing carbon material has a reaction step in which, in a combustion gas at 600°C-1900°C obtained by the combustion of a mixed gas comprising fuel and oxygen, a raw material comprising carbon atoms, nitrogen atoms, and transition metal atoms is subjected to thermal decomposition reaction or combustion reaction, a carbon material comprising the nitrogen atoms and the transition metal atoms is obtained.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、炭素材料及びその製造方法、並びに、燃料電池用電極に関する。   The present invention relates to a carbon material, a method for producing the same, and an electrode for a fuel cell.

固体高分子形燃料電池は、発電効率が高い、出力密度が高い、急速な起動停止が可能である、小型軽量化が可能であるといった利点を持ち、携帯用電源、移動用電源、小型定置用発電機等への適用が期待されている。固体高分子形燃料電池では、その正極で起こる酸素還元反応を促進するために、一般に白金又は白金合金が触媒として用いられるが、白金の資源量は極めて少なく、また高価であるために実用化への大きな障壁となっている。そこで、白金等の貴金属を必要としない燃料電池用電極触媒として、窒素を含有することによって酸素還元活性を発現した炭素触媒(例えば、特許文献3参照。)、及び、遷移金属を含有することによって酸素還元活性を発現した炭素触媒が注目を集めている(例えば、特許文献1〜2参照。)。   The polymer electrolyte fuel cell has advantages such as high power generation efficiency, high output density, rapid start / stop, small size and light weight. Portable power source, mobile power source, small stationary device Application to generators is expected. In a polymer electrolyte fuel cell, platinum or a platinum alloy is generally used as a catalyst in order to promote the oxygen reduction reaction occurring at the positive electrode. However, since the amount of platinum resources is extremely small and expensive, it is put to practical use. It has become a big barrier. Therefore, as an electrode catalyst for a fuel cell that does not require a noble metal such as platinum, a carbon catalyst that expresses oxygen reduction activity by containing nitrogen (see, for example, Patent Document 3) and a transition metal are contained. Carbon catalysts that have expressed oxygen reduction activity have attracted attention (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特開2011−256093号JP2011-256093A 特開2014−201463号JP 2014-201443 A 特開2014−118494号JP 2014-118494 A

高い酸素還元活性を発現する炭素材料の製造方法においては、不活性ガス雰囲気下における処理、もしくは酸素残存下であっても炭素触媒をほとんど燃焼させない程度の微量の酸素量のガス雰囲気下における処理が必要とされる。そのため、特許文献1及び2では、バッチ式で少量の炭素材料を製造する方法が開示されている。しかしながら、このような従来技術では、工業的に多量の炭素触媒を製造することは困難である。   In the method for producing a carbon material exhibiting high oxygen reduction activity, treatment under an inert gas atmosphere or treatment under a gas atmosphere with a small amount of oxygen that hardly burns the carbon catalyst even when oxygen remains is performed. Needed. Therefore, Patent Documents 1 and 2 disclose a method for producing a small amount of a carbon material in a batch method. However, it is difficult to industrially produce a large amount of carbon catalyst with such conventional techniques.

また、特許文献3では、酸素含有雰囲気下で、アセチレンガスとピリジンガスを反応させることにより、カーボンブラックを製造し、該カーボンブラックを燃料用電池触媒として用いることが記載されているが、得られるカーボンブラックには遷移金属が含まれておらず、触媒性能が低いという問題がある。   Patent Document 3 describes that carbon black is produced by reacting acetylene gas and pyridine gas in an oxygen-containing atmosphere, and the carbon black is used as a fuel cell catalyst. Carbon black contains no transition metal and has a problem of low catalyst performance.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高い電気化学特性を有する炭素材料を、連続的に多量に製造することが可能な炭素材料の製造方法、及び該製造方法により得られた炭素材料、並びに、該炭素材料を用いた燃料電池用電極を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and is obtained by a method for producing a carbon material capable of continuously producing a large amount of a carbon material having high electrochemical characteristics, and the production method. It is an object of the present invention to provide a carbon material and a fuel cell electrode using the carbon material.

本発明者は、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、所定の反応工程を有することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by having a predetermined reaction step, and have completed the present invention.

即ち、本発明は以下のとおりである。
〔1〕
燃料及び酸素を含む混合ガスを燃焼させた、600℃〜1900℃の燃焼ガス中で、炭素原子と、窒素原子と、遷移金属原子と、を含む原料を、熱分解反応又は燃焼反応させることにより、前記窒素原子及び前記遷移金属原子を含む炭素材料を得る反応工程を有する、炭素材料の製造方法。
〔2〕
前記炭素材料中において、前記炭素原子に対する前記窒素原子の原子比N/Cが、0.001以上である、前項〔1〕に記載の炭素材料の製造方法。
〔3〕
前記遷移金属原子が、Fe、Co、及びNiからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、前項〔1〕又は〔2〕に記載の炭素材料の製造方法。
〔4〕
前記原料中において、前記遷移金属原子が、錯体を形成した状態である、前項〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。
〔5〕
前記炭素材料中において、前記炭素原子に対する前記遷移金属原子の原子比M/Cが、0.0001以上である、前項〔1〕〜〔4〕のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。
〔6〕
前記原料が、第1〜3級アミン類、アミド類、イミン類、イミド類、ニトリル類、アジド類、アジリジン類、アゾ類、ジアゾ類、イソシアナート類、イソシアニド類、エナミン類、オキシム類、カルバメート類、ニトロ類、ニトロソ類、ヒドラジン類、及びラクタム類からなる群より選択される少なくとも一種を含む、前項〔1〕〜〔5〕のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。
〔7〕
前記反応工程前または、前記反応工程中において、
前記燃焼ガスと、不燃性のガス又は液体と、を混合して前記燃焼ガスの温度を600℃〜1900℃に調整する温度調整工程を含む、前項〔1〕〜〔6〕のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。
〔8〕
前記不燃性のガスが、水蒸気であり、
前記液体が、水である、前項〔7〕に記載の炭素材料の製造方法。
〔9〕
前記原料が、アセチレンを含む、前項〔1〕〜〔8〕のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。
〔10〕
前記原料が、前記窒素原子を含む化合物と、該化合物を溶解させる溶媒と、を含む、前項〔1〕〜〔9〕のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。
〔11〕
前記溶媒が、窒素原子を含む、前項〔10〕に記載の炭素材料の製造方法。
〔12〕
前記原料が、不溶成分と溶媒を含むスラリー状である、前項〔1〕〜〔11〕のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。
〔13〕
前項〔1〕〜〔12〕のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法により得られた、炭素材料。
〔14〕
DBP吸収量が、50mL/100g以上である、前項〔13〕に記載の炭素材料。
〔15〕
前項〔13〕又は〔14〕に記載の炭素材料を含む、燃料電池用電極。
That is, the present invention is as follows.
[1]
By subjecting a raw material containing carbon atoms, nitrogen atoms, and transition metal atoms to a pyrolysis reaction or a combustion reaction in a combustion gas of 600 ° C. to 1900 ° C. in which a mixed gas containing fuel and oxygen is burned. The manufacturing method of a carbon material which has the reaction process of obtaining the carbon material containing the said nitrogen atom and the said transition metal atom.
[2]
In the said carbon material, the atomic ratio N / C of the said nitrogen atom with respect to the said carbon atom is a manufacturing method of the carbon material of the preceding clause [1] which is 0.001 or more.
[3]
The method for producing a carbon material according to [1] or [2], wherein the transition metal atom includes at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni.
[4]
The method for producing a carbon material according to any one of [1] to [3], wherein the transition metal atom is in a state of forming a complex in the raw material.
[5]
The method for producing a carbon material according to any one of [1] to [4], wherein an atomic ratio M / C of the transition metal atom to the carbon atom is 0.0001 or more in the carbon material. .
[6]
The raw materials are primary to tertiary amines, amides, imines, imides, nitriles, azides, aziridines, azos, diazos, isocyanates, isocyanides, enamines, oximes, carbamates. The method for producing a carbon material according to any one of [1] to [5] above, comprising at least one selected from the group consisting of nitros, nitros, hydrazines, and lactams.
[7]
Before or during the reaction step,
Any one of the preceding items [1] to [6], including a temperature adjustment step of adjusting the temperature of the combustion gas to 600 ° C. to 1900 ° C. by mixing the combustion gas and a non-combustible gas or liquid. The manufacturing method of the carbon material as described in 2.
[8]
The nonflammable gas is water vapor;
The method for producing a carbon material according to [7], wherein the liquid is water.
[9]
The method for producing a carbon material according to any one of [1] to [8], wherein the raw material contains acetylene.
[10]
The method for producing a carbon material according to any one of [1] to [9], wherein the raw material includes a compound containing the nitrogen atom and a solvent for dissolving the compound.
[11]
The method for producing a carbon material according to [10], wherein the solvent contains a nitrogen atom.
[12]
The method for producing a carbon material according to any one of [1] to [11], wherein the raw material is a slurry containing an insoluble component and a solvent.
[13]
A carbon material obtained by the method for producing a carbon material according to any one of [1] to [12].
[14]
The carbon material according to [13], wherein the DBP absorption amount is 50 mL / 100 g or more.
[15]
A fuel cell electrode comprising the carbon material according to [13] or [14].

本発明によれば、高い電気化学特性を有する炭素材料を、連続的に多量に製造することが可能な炭素材料の製造方法、及び該製造方法により得られた炭素材料、並びに、該炭素材料を用いた燃料電池用電極を提供することができる。   According to the present invention, a carbon material production method capable of continuously producing a large amount of a carbon material having high electrochemical characteristics, a carbon material obtained by the production method, and the carbon material The used fuel cell electrode can be provided.

本実施形態の反応工程に用い得る装置Aの態様を示す概略図である。It is the schematic which shows the aspect of the apparatus A which can be used for the reaction process of this embodiment. 本実施形態の反応工程に用い得る装置Bの態様を示す概略図である。It is the schematic which shows the aspect of the apparatus B which can be used for the reaction process of this embodiment. 本実施形態の反応工程に用い得る装置Cの態様を示す概略図である。It is the schematic which shows the aspect of the apparatus C which can be used for the reaction process of this embodiment.

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態(以下、単に「本
実施形態」という。)について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail with reference to the drawings as necessary. However, the present invention is not limited to this. Various modifications are possible without departing from the scope of the invention.

〔炭素材料の製造方法〕
本実施形態の炭素材料の製造方法は、燃料及び酸素を含む混合ガスを燃焼させた、600℃〜1900℃の燃焼ガス中で、炭素原子と、窒素原子と、遷移金属原子と、を含む原料を、熱分解反応又は燃焼反応させることにより、前記窒素原子及び前記遷移金属原子を含む炭素材料を得る反応工程を有する。
[Method for producing carbon material]
The method for producing a carbon material according to the present embodiment includes a raw material containing carbon atoms, nitrogen atoms, and transition metal atoms in a combustion gas of 600 ° C. to 1900 ° C. obtained by burning a mixed gas containing fuel and oxygen. Is subjected to a thermal decomposition reaction or a combustion reaction to obtain a carbon material containing the nitrogen atom and the transition metal atom.

上記工程を有することにより、高い酸素還元活性を有する炭素材料を、連続的に多量に製造することが可能となる。また、これにより得られる炭素材料は、窒素原子及び遷移金属原子を含むため、電極反応において高い酸素還元活性を示し得る。   By having the said process, it becomes possible to manufacture a carbon material which has high oxygen reduction activity continuously in large quantities. Moreover, since the carbon material obtained by this contains a nitrogen atom and a transition metal atom, it can show high oxygen reduction activity in an electrode reaction.

〔原料調製工程〕
本実施形態の炭素材料の製造方法は、反応工程の前に、炭素原子と、窒素原子と、遷移金属原子と、を含む原料を調整する原料調製工程を有していてもよい。
[Raw material preparation process]
The method for producing a carbon material of the present embodiment may have a raw material preparation step of adjusting a raw material containing a carbon atom, a nitrogen atom, and a transition metal atom before the reaction step.

〔原料〕
原料は、炭素原子と、窒素原子と、遷移金属原子と、を含む。より具体的には、原料としては、炭素原子を含む化合物、窒素原子を含む化合物、及び遷移金属原子を含む化合物の混合物;炭素原子及び窒素原子を含む化合物、並びに遷移金属原子を含む化合物の混合物;炭素原子及び遷移金属原子を含む化合物、並びに窒素原子を含む化合物の混合物;炭素原子を含む化合物、並びに窒素原子及び遷移金属原子を含む化合物の混合物;炭素原子、窒素原子、及び遷移金属原子を含む化合物が挙げられる。また、原料は、必要に応じて溶媒を含んでもよい。
〔material〕
The raw material includes a carbon atom, a nitrogen atom, and a transition metal atom. More specifically, the raw materials include a compound containing a carbon atom, a compound containing a nitrogen atom, and a compound containing a transition metal atom; a mixture containing a carbon atom and a nitrogen atom, and a compound containing a transition metal atom. A mixture of a compound containing a carbon atom and a transition metal atom, and a compound containing a nitrogen atom; a mixture of a compound containing a carbon atom and a compound containing a nitrogen atom and a transition metal atom; a carbon atom, a nitrogen atom, and a transition metal atom. Including compounds. Moreover, the raw material may contain a solvent as needed.

なお、本願明細書において、「炭素含有化合物」とは、分子内に炭素元素を含有し、窒素原子及び遷移金属元素を含有しない化合物であり、具体的には、炭素原子を含む化合物をいうものとする。   In the present specification, the “carbon-containing compound” is a compound that contains a carbon element in its molecule and does not contain a nitrogen atom and a transition metal element, and specifically refers to a compound containing a carbon atom. And

また、「窒素含有化合物」とは、分子内に窒素元素を含有し、遷移金属元素を含有しない化合物であり、具体的には、窒素原子を含む化合物、並びに、炭素原子及び窒素原子を含む化合物を含む化合物を総称するものとする。   The “nitrogen-containing compound” is a compound that contains a nitrogen element in the molecule and does not contain a transition metal element. Specifically, a compound containing a nitrogen atom, and a compound containing a carbon atom and a nitrogen atom The compound containing is generically named.

さらに、「遷移金属含有化合物」とは、遷移金属原子を含む化合物、炭素原子及び遷移金属原子を含む化合物、窒素原子及び遷移金属原子を含む化合物、並びに、炭素原子、窒素原子、及び遷移金属原子を含む化合物を総称するものとする。   Furthermore, the “transition metal-containing compound” means a compound containing a transition metal atom, a compound containing a carbon atom and a transition metal atom, a compound containing a nitrogen atom and a transition metal atom, and a carbon atom, a nitrogen atom, and a transition metal atom. The compound containing is generically named.

原料の調整方法としては、特に制限されず、各成分(炭素含有化合物、窒素含有化合物、遷移金属含有化合物、及び溶媒など)を混合する方法が挙げられる。各成分は、同時に添加しても、任意の順序で順次添加してもよい。また、混合方法としては、特に限定されないが、例えば、混合液を振とうする方法、混合液を攪拌する方法、混合液に超音波をかける方法が挙げられる。   The raw material adjustment method is not particularly limited, and examples thereof include a method of mixing each component (carbon-containing compound, nitrogen-containing compound, transition metal-containing compound, solvent, and the like). Each component may be added simultaneously or sequentially in any order. The mixing method is not particularly limited, and examples thereof include a method of shaking the mixed solution, a method of stirring the mixed solution, and a method of applying ultrasonic waves to the mixed solution.

原料の性状としては、特に制限されないが、均一な液体、不溶成分と溶媒を含むスラリー、又は粉体が挙げられる。このなかでも、均一な液体が好ましい。また、不溶性の成分を使用することが不可避である場合には、スラリーであることが好ましい。溶解度の低い原料を溶媒に溶かして噴霧する場合との比較においては、原料がスラリー状であることにより、生産効率がより向上する傾向にある。なお、スラリーに含まれる不溶成分としては、特に限定されないが、例えば、窒素含有化合物、窒素含有化合物と遷移金属含有化合物の混合物(例えば錯体)、又は、遷移金属含有化合物が挙げられる。   Although it does not restrict | limit especially as a property of a raw material, The slurry containing a uniform liquid, an insoluble component, and a solvent, or powder is mentioned. Among these, a uniform liquid is preferable. Moreover, when it is inevitable to use an insoluble component, it is preferably a slurry. In comparison with the case where a raw material with low solubility is dissolved in a solvent and sprayed, the raw material is in a slurry state, and thus production efficiency tends to be further improved. The insoluble component contained in the slurry is not particularly limited, and examples thereof include a nitrogen-containing compound, a mixture (for example, a complex) of a nitrogen-containing compound and a transition metal-containing compound, or a transition metal-containing compound.

特に、窒素含有化合物が固体である場合には、原料は、窒素含有化合物を溶媒に溶解させた溶液の状態、又は、窒素含有化合物を粉状に粉砕して液体と混合したスラリーの状態として用いることができる。また、窒素含有化合物が液体の場合であって、遷移金属含有化合物が溶解して窒素含有化合物と錯体を形成し難い場合には溶媒を用いてもよい。これらの場合の混合方法としても、特に限定されず、上記同様の方法を用いることができる。   In particular, when the nitrogen-containing compound is solid, the raw material is used as a solution in which the nitrogen-containing compound is dissolved in a solvent, or as a slurry in which the nitrogen-containing compound is pulverized and mixed with a liquid. be able to. Further, when the nitrogen-containing compound is liquid and the transition metal-containing compound is dissolved and it is difficult to form a complex with the nitrogen-containing compound, a solvent may be used. The mixing method in these cases is not particularly limited, and the same method as described above can be used.

原料がスラリーである場合において、スラリーに含まれる不溶成分の平均粒子径は、好ましくは10μm以下であり、より好ましくは5μm以下であり、さらに好ましくは1μm以下であり、最も好ましくは0.1μm以下である。スラリーに含まれる不溶成分の平均粒子径が、上記範囲内であることにより、反応工程における反応効率がより向上する傾向にある。   When the raw material is a slurry, the average particle size of insoluble components contained in the slurry is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, further preferably 1 μm or less, and most preferably 0.1 μm or less. It is. When the average particle diameter of the insoluble component contained in the slurry is within the above range, the reaction efficiency in the reaction process tends to be further improved.

また、原料がスラリーである場合において、スラリーに含まれる不溶成分の含有量は、スラリー(原料)の総量に対して、好ましくは1〜50質量%であり、より好ましくは5〜40質量%であり、さらに好ましくは10〜30質量%である。スラリーに含まれる不溶成分の含有量が上記範囲内であることにより、生産効率がより向上する傾向にある。また、スラリー濃度が上記範囲内であることにより、粘度上昇や凝集物生成などを抑制でき、そのため、噴霧ノズルの詰まりを抑制できるため、生産効率がより向上する傾向にある。   When the raw material is a slurry, the content of insoluble components contained in the slurry is preferably 1 to 50% by mass, more preferably 5 to 40% by mass, based on the total amount of the slurry (raw material). Yes, more preferably 10 to 30% by mass. When the content of the insoluble component contained in the slurry is within the above range, the production efficiency tends to be further improved. Further, when the slurry concentration is within the above range, an increase in viscosity, formation of aggregates, and the like can be suppressed. Therefore, clogging of the spray nozzle can be suppressed, and thus production efficiency tends to be further improved.

また、混合温度は、窒素含有化合物の融点以上であることが好ましい。また、混合温度は、窒素含有化合物が溶解した状態の溶媒の沸点以下、又は窒素含有化合物の分解温度以下であることが好ましい。混合温度が上記範囲内であることにより、生産効率がより向上する傾向にある。   Moreover, it is preferable that mixing temperature is more than melting | fusing point of a nitrogen-containing compound. The mixing temperature is preferably not higher than the boiling point of the solvent in which the nitrogen-containing compound is dissolved or not higher than the decomposition temperature of the nitrogen-containing compound. When the mixing temperature is within the above range, production efficiency tends to be further improved.

さらに、混合時間は、好ましくは1分間〜200時間であり、より好ましくは10分〜100時間であり、さらに好ましくは30分〜50時間である。混合時間が上記範囲内であることにより、生産効率がより向上する傾向にある。   Furthermore, the mixing time is preferably 1 minute to 200 hours, more preferably 10 minutes to 100 hours, and even more preferably 30 minutes to 50 hours. When the mixing time is within the above range, production efficiency tends to be further improved.

原料中において、遷移金属原子は、錯体を形成した状態であることが好ましい。この場合、遷移金属原子の配位子としては、特に限定されないが、例えば、炭素含有化合物、窒素含有化合物が挙げられ、このなかでも、窒素含有化合物が好ましい。遷移金属原子が錯体を形成していることにより、炭素材料中において遷移金属がより均一に分布する傾向にある。   In the raw material, the transition metal atom is preferably in a state of forming a complex. In this case, the ligand of the transition metal atom is not particularly limited, and examples thereof include a carbon-containing compound and a nitrogen-containing compound, and among these, a nitrogen-containing compound is preferable. When the transition metal atom forms a complex, the transition metal tends to be more uniformly distributed in the carbon material.

〔炭素含有化合物〕
炭素含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、アセチレン、エチレン、及びブタジエンが挙げられる。このなかでも、アセチレンが好ましい。このような炭素含有化合物を含むことにより、得られる炭素材料のDBP吸収量がより向上する傾向にある。
[Carbon-containing compounds]
Although it does not specifically limit as a carbon containing compound, For example, acetylene, ethylene, and a butadiene are mentioned. Among these, acetylene is preferable. By including such a carbon-containing compound, the DBP absorption amount of the obtained carbon material tends to be further improved.

〔窒素含有化合物〕
原料中において、窒素含有化合物は、遷移金属含有化合物と錯体を形成してもよい。このようにして得られた錯体は溶媒に対し可溶であることが好ましい。これにより、炭素材料中において遷移金属がより均一に分布する傾向にある。
[Nitrogen-containing compounds]
In the raw material, the nitrogen-containing compound may form a complex with the transition metal-containing compound. The complex thus obtained is preferably soluble in the solvent. Thereby, there exists a tendency for a transition metal to distribute more uniformly in a carbon material.

窒素含有化合物中の窒素元素の含有量は、窒素含有化合物の総量に対して、好ましくは1.0質量%〜80質量%であり、より好ましくは10質量%〜70質量%であり、さらに好ましくは20質量%〜60質量%であり、よりさらに好ましくは40質量%〜55質量%である。窒素含有化合物中の窒素元素の含有量が上記範囲であることにより、得られる炭素材料の酸素還元活性がより向上する傾向にある。   The content of nitrogen element in the nitrogen-containing compound is preferably 1.0% by mass to 80% by mass, more preferably 10% by mass to 70% by mass, and still more preferably based on the total amount of the nitrogen-containing compound. Is 20% by mass to 60% by mass, and more preferably 40% by mass to 55% by mass. When the content of the nitrogen element in the nitrogen-containing compound is in the above range, the oxygen reduction activity of the obtained carbon material tends to be further improved.

窒素含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、第1〜3級アミン類、アミド類、イミン類、イミド類、ニトリル類、アジド類、アジリジン類、アゾ類、ジアゾ類、イソシアナート類、イソシアニド類、エナミン類、オキシム類、カルバメート類、ニトロ類、ニトロソ類、ヒドラジン類、ラクタム類からなる群より選択される少なくとも一種などが挙げられる。   The nitrogen-containing compound is not particularly limited, and examples thereof include primary to tertiary amines, amides, imines, imides, nitriles, azides, aziridines, azos, diazos, isocyanates, isocyanides. , Enamines, oximes, carbamates, nitros, nitrosos, hydrazines, and at least one selected from the group consisting of lactams.

また、別の観点からは、窒素含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、環構造を有しない窒素含有化合物、複素環構造を有しない窒素含有化合物、複素単環構造を有する窒素含有化合物、縮合複素環構造を有する窒素含有化合物、及びその他の化合物が挙げられる。   From another viewpoint, the nitrogen-containing compound is not particularly limited. For example, a nitrogen-containing compound having no ring structure, a nitrogen-containing compound having no heterocyclic structure, a nitrogen-containing compound having a heterocyclic monocyclic structure, Examples thereof include nitrogen-containing compounds having a condensed heterocyclic structure, and other compounds.

環構造を有しない窒素含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、アクリロニトリル、エチレンジアミン、テトラシアノエチレン、ジアミノマレオニトリル、マレノニトリル、アジポニトリル、シアノアセチレン、ヒドラジン、ヒドラジド、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、尿素が挙げられる。   The nitrogen-containing compound having no ring structure is not particularly limited. For example, acrylonitrile, ethylenediamine, tetracyanoethylene, diaminomaleonitrile, maleonitrile, adiponitrile, cyanoacetylene, hydrazine, hydrazide, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, Urea is mentioned.

複素環構造を有しない窒素含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、アニリン、テトラシアノベンゼン、フタロニトリル、N−メチル2ピロリドン、サレンが挙げられる。   The nitrogen-containing compound having no heterocyclic structure is not particularly limited, and examples thereof include aniline, tetracyanobenzene, phthalonitrile, N-methyl-2-pyrrolidone, and salen.

複素単環構造を有する窒素含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、ピロール類及びその誘導体、ピラゾールやイミダゾール等のジアゾール類及びその誘導体、トリアゾール類及びその誘導体のような5員環化合物;並びに、ピリジン類及びその誘導体、ピリダジンやピリミジンやピラジン等のジアジン類及びその誘導体、トリアジン類及び、メラミンやシアヌル酸等のトリアジン類誘導体、ピペラジン、モルホリン、シアヌル酸のような6員環化合物;又はキチン、キトサン等のポリマーが挙げられる。   The nitrogen-containing compound having a heterocyclic monocyclic structure is not particularly limited, but examples thereof include 5-membered ring compounds such as pyrroles and derivatives thereof, diazoles and derivatives thereof such as pyrazole and imidazole, triazoles and derivatives thereof; and Pyridines and derivatives thereof, diazines such as pyridazine, pyrimidine and pyrazine and derivatives thereof, triazines and triazine derivatives such as melamine and cyanuric acid, six-membered ring compounds such as piperazine, morpholine and cyanuric acid; or chitin And polymers such as chitosan.

縮合複素環構造を有する窒素含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、キノリン類、インドール類、フェナントロリン類、プリン類等が挙げられる。より具体的には、フェナントロリン、ベンゾイミダゾ−ル、キノキサリン、アズルミン酸、ポリアミドイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾ−ル、ポリイミド、DNA、RNAが挙げられる。   The nitrogen-containing compound having a condensed heterocyclic structure is not particularly limited, and examples thereof include quinolines, indoles, phenanthrolines, and purines. More specifically, phenanthroline, benzimidazole, quinoxaline, azulmic acid, polyamideimide resin, polybenzimidazole, polyimide, DNA, and RNA can be mentioned.

その他の化合物としては、特に限定されないが、例えば、メラミン樹脂、ポリアニリン、ポリピロール、ポリビニルピロール、ポリビニルピリジン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−ポリメタクリル酸共重合体、ポリアミド、ポリアミノ酸、絹、毛、ポリウレタン、ポリアミドアミン、ポリカルボジイミド、ポリビスマレイミド及びポリアミノビスマレイミドが挙げられる。   Other compounds are not particularly limited, for example, melamine resin, polyaniline, polypyrrole, polyvinylpyrrole, polyvinylpyridine, polyacrylonitrile, polyacrylonitrile-polymethacrylic acid copolymer, polyamide, polyamino acid, silk, hair, polyurethane, Polyamideamine, polycarbodiimide, polybismaleimide and polyaminobismaleimide are mentioned.

なお、窒素含有化合物は、1種単独で用いても、2種類以上を併用してもよい。   In addition, a nitrogen containing compound may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.

窒素含有化合物と遷移金属含有化合物の混合物又は形成した錯体が、均一で粘度が低い場合には噴霧又は加熱して蒸気として、高温の燃焼ガスに供給することができる。また、窒素含有化合物と遷移金属の混合物又は錯体が固体もしくは沸点が高い場合は、後述する溶媒を使用することが好ましい。   When the mixture of nitrogen-containing compound and transition metal-containing compound or the complex formed is uniform and has a low viscosity, it can be sprayed or heated and supplied as steam to the high-temperature combustion gas. Moreover, when the mixture or complex of a nitrogen-containing compound and a transition metal is solid or has a high boiling point, it is preferable to use a solvent described later.

〔溶媒〕
原料は、必要に応じて、溶媒を含んでもよい。特に、原料が、窒素含有化合物と、該窒素含有化合物を溶解させる溶解させる溶媒と、を含むことが好ましい。これにより、生産効率がより向上する傾向にある。
〔solvent〕
The raw material may contain a solvent, if necessary. In particular, the raw material preferably contains a nitrogen-containing compound and a solvent for dissolving the nitrogen-containing compound. Thereby, there exists a tendency for production efficiency to improve more.

用い得る溶媒としては、特に限定されないが、例えば、水、アルコール類(メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等)、ケトン類(アセトン)、エーテル類(ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等)、有機酸類(ギ酸、酢酸等)、塩素系炭化水素類(ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエチレン、トリクロロエチレン、四塩化炭素等)、グリコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール等)、ニトリル類(アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、アミド類(N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、ラクタム類(N−メチル−2−ピロリドン等)、ジメチルスルホキシド、脂肪族炭化水素類(n−ペンタン、n−ヘキサン、シクロヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン等)、芳香族炭化水素類(ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等)、アンモニア、第1級アミン(メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、イソプロピルアミン、ブチルアミン、アミルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、セチルアミン、シクロプロピルアミン、シクロプロピルアミン、シクロブチルアミン、シクロペンチルアミン、シクロヘキシルアミン、アニリン、カテコールアミン、フェネチルアミン、アマンタジン、トルイジン、ベンジルアミン、ナフチルアミン、アリルアミン等)、第2級アミン(ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン等)、第3級アミン(トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、ジシクロヘキシルメチルアミン、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド、N−メチルピロリジン、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]ノネン−5(DBN)、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン−7(DBU)、N,N−ジイソプロピルエチルアミン、トリエタノールアミン等)、第4級アミン(テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラメチルアンモニウムクロリド、テトラメチルアンモニウムブロミド、テトラエチルアンモニウムクロリド、テトラエチルアンモニウムブロミド等)、環状アミン(ピリジン、4−ジメチルアミノピリジン、ピリミジン、ピペリジン、モルホリン、ピペラジン、キヌクリジン、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン等)、多価アミン(トリメチレンジアミン、エチレンジアミン、ジエチルエチレンジアミン、テトラメチレンジアミン、ペンタメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、1,7−ジアミノヘプタン、1,8−ジアミノオクタン、1,9−ジアミノノナン、1,10−ジアミノデカン、フェニレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンエキサミン、テトラメチルエチレンジアミン、ジエチレントリアミン、1,2,3−トリアミノプロパン、トリアミノベンゼン、トリアミノフェノール、メラミン、スペルミジン、1,8−ビス(ジメチルアミノ)ナフタレン、スペルミン等)等が挙げられる。溶媒は、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。   Solvents that can be used are not particularly limited. For example, water, alcohols (methanol, ethanol, propanol, butanol, etc.), ketones (acetone), ethers (diethyl ether, tetrahydrofuran, etc.), organic acids (formic acid, acetic acid, etc.) ), Chlorinated hydrocarbons (dichloromethane, chloroform, dichloroethylene, trichloroethylene, carbon tetrachloride, etc.), glycols (ethylene glycol, propylene glycol, etc.), nitriles (acetonitrile, propionitrile, benzonitrile, etc.), amides (N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), lactams (N-methyl-2-pyrrolidone, etc.), dimethyl sulfoxide, aliphatic hydrocarbons (n-pentane, n-hexane, cyclohexane, n-heptane, n - ), Aromatic hydrocarbons (benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, etc.), ammonia, primary amines (methylamine, ethylamine, propylamine, isopropylamine, butylamine, amylamine, hexylamine, heptylamine, octylamine) , Nonylamine, decylamine, undecylamine, dodecylamine, tridecylamine, tetradecylamine, pentadecylamine, cetylamine, cyclopropylamine, cyclopropylamine, cyclobutylamine, cyclopentylamine, cyclohexylamine, aniline, catecholamine, phenethylamine, amantadine , Toluidine, benzylamine, naphthylamine, allylamine, etc., secondary amine (dimethylamine, diethylamine, dipropyl) Amine, dibutylamine, etc.), tertiary amine (trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine, dicyclohexylmethylamine, tetramethylammonium hydroxide, N-methylpyrrolidine, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] Nonene-5 (DBN), 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undecene-7 (DBU), N, N-diisopropylethylamine, triethanolamine, etc.), quaternary amine (tetraethylammonium hydroxide, tetra Methylammonium chloride, tetramethylammonium bromide, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, etc.), cyclic amine (pyridine, 4-dimethylaminopyridine, pyrimidine, piperidine, morpholine, Piperazine, quinuclidine, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane, etc.), polyvalent amine (trimethylenediamine, ethylenediamine, diethylethylenediamine, tetramethylenediamine, pentamethylenediamine, hexamethylenediamine, 1,7-diamino Heptane, 1,8-diaminooctane, 1,9-diaminononane, 1,10-diaminodecane, phenylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, pentaethyleneexamine, tetramethylethylenediamine, diethylenetriamine, 1,2 , 3-triaminopropane, triaminobenzene, triaminophenol, melamine, spermidine, 1,8-bis (dimethylamino) naphthalene, spermine, etc.).A solvent may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.

このなかでも、溶媒としては、メタノール、エタノール、アセトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、及び水からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。このような溶媒を用いることにより、窒素含有化合物の溶解性がより向上し、反応工程における高温の燃焼ガスへの噴霧がより向上する傾向にある。具体的には、原料の溶解度が高い溶媒を使用することにより、同じ原料供給量であっても粘度を下げることができるため、噴霧時の詰まりの軽減や、噴霧時の液滴微小化が達成可能となり、生産効率と炭素材料の微粒化による触媒性能がより向上する傾向にある。   Among these, the solvent preferably contains at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, acetone, tetrahydrofuran, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, and water. By using such a solvent, the solubility of the nitrogen-containing compound is further improved, and the spraying to the high-temperature combustion gas in the reaction process tends to be further improved. Specifically, by using a solvent with high raw material solubility, the viscosity can be lowered even with the same raw material supply amount, thus reducing clogging during spraying and droplet miniaturization during spraying. As a result, production efficiency and catalyst performance due to atomization of carbon materials tend to be further improved.

また、溶媒としては、窒素原子を含む溶媒も好ましい。窒素原子を含む溶媒としては、特に限定されないが、例えば、ニトリル類、アミド類、ラクタム類、ジメチルスルホキシド、アンモニア、第1級アミン、第2級アミン、第3級アミン、第4級アミン、環状アミン、及び多価アミンが挙げられる。このような溶媒を用いることにより、炭素材料の原子比(N/C)を調整することができる。具体的には、このような溶媒を使用することにより窒素原子を含有しない溶媒を使用する場合に比べ炭素材料の原子比(N/C)がより向上する傾向にある。   Moreover, as a solvent, the solvent containing a nitrogen atom is also preferable. Although it does not specifically limit as a solvent containing a nitrogen atom, For example, nitriles, amides, lactams, dimethyl sulfoxide, ammonia, a primary amine, a secondary amine, a tertiary amine, a quaternary amine, cyclic Examples include amines and polyvalent amines. By using such a solvent, the atomic ratio (N / C) of the carbon material can be adjusted. Specifically, the use of such a solvent tends to improve the atomic ratio (N / C) of the carbon material as compared with the case of using a solvent that does not contain a nitrogen atom.

溶媒の沸点は、好ましくは300℃以下であり、より好ましくは200℃以下であり、さらに好ましくは150℃以下である。溶媒の沸点が上記範囲内であることにより、窒素含有化合物の溶解性、反応工程における高温の燃焼ガスへの噴霧がより向上する傾向にある。具体的には、原料の溶解度が高い溶媒を使用することにより、同じ原料供給量であっても粘度を下げることができるため、噴霧時の詰まりの軽減や、噴霧時の液滴微小化が達成可能となり、生産効率と炭素材料の微粒化による触媒性能がより向上する傾向にある。   The boiling point of the solvent is preferably 300 ° C. or lower, more preferably 200 ° C. or lower, and further preferably 150 ° C. or lower. When the boiling point of the solvent is within the above range, the solubility of the nitrogen-containing compound and the spraying to the high-temperature combustion gas in the reaction process tend to be further improved. Specifically, by using a solvent with high raw material solubility, the viscosity can be lowered even with the same raw material supply amount, thus reducing clogging during spraying and droplet miniaturization during spraying. As a result, production efficiency and catalyst performance due to atomization of carbon materials tend to be further improved.

〔遷移金属含有化合物〕
遷移金属含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、遷移金属の錯体、無機酸塩、有機酸塩、及びその他の遷移金属含有化合物が挙げられる。より具体的には、遷移金属の亜硝酸塩、硝酸塩、硫酸塩、亜硫酸塩、酢酸塩、アンモニウム塩、塩酸塩、臭酸塩等の無機酸塩;シュウ酸塩、炭酸塩等の有機酸塩;水酸化物、酸化物、及びアルコキシド等のその他の遷移金属含有化合物が挙げられる。
[Transition metal-containing compound]
The transition metal-containing compound is not particularly limited, and examples thereof include transition metal complexes, inorganic acid salts, organic acid salts, and other transition metal-containing compounds. More specifically, transition metal nitrites, nitrates, sulfates, sulfites, acetates, ammonium salts, hydrochlorides, odorates and other inorganic acid salts; oxalates, carbonates and other organic acid salts; Other transition metal-containing compounds such as hydroxides, oxides, and alkoxides can be mentioned.

遷移金属含有化合物に含まれる遷移金属元素としては、特に限定されないが、例えば、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Tc(テクネチウム)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Re(レニウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Au(金)及びランタノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも一種があげられる。このなかでも、Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Au、La及びCeからなる群より選ばれる少なくとも一種が好ましく、Fe、Co、Ni及びPtからなる群より選ばれる少なくとも一種がより好ましく、Fe、Co及びNiからなる群より選ばれる少なくとも一種がさらに好ましく、Feが最も好ましい。このような遷移金属を用いることにより、得られる炭素材料の酸素還元活性がより向上する傾向にある。   Although it does not specifically limit as a transition metal element contained in a transition metal containing compound, For example, Ti (titanium), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), Cu (copper), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Tc (technetium), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Pd (palladium), Examples include at least one selected from the group consisting of Ag (silver), Ta (tantalum), W (tungsten), Re (rhenium), Ir (iridium), Pt (platinum), Au (gold), and lanthanoid elements. Among these, at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Au, La and Ce is preferable, and at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni and Pt is more preferable. Further, at least one selected from the group consisting of Co and Ni is more preferable, and Fe is most preferable. By using such a transition metal, the oxygen reduction activity of the obtained carbon material tends to be further improved.

これらの遷移金属は、1種を単独で又は2種以上を併用してもよい。2種以上の遷移金属を組み合わせて用いる場合、そのうち1種の遷移金属はFe、Co及びNiからなる群より選ばれることが好ましい。2種以上の遷移金属を組み合わせて用いる場合、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au及びランタノイド元素の含有量は、Fe、Co及びNiの合計1質量部に対して、好ましくは1.0以下であり、より好ましくは0.50以下であり、さらに好ましくは0.10以下である。このような遷移金属を組み合わせて用いることにより、得られる炭素材料の酸素還元活性がより向上する傾向にある。   These transition metals may be used alone or in combination of two or more. When two or more transition metals are used in combination, one of the transition metals is preferably selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. When two or more transition metals are used in combination, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Ta, W, Re, Ir, Pt, The content of Au and lanthanoid elements is preferably 1.0 or less, more preferably 0.50 or less, and even more preferably 0.10 or less with respect to 1 part by mass of Fe, Co and Ni in total. is there. By using such a transition metal in combination, the oxygen reduction activity of the obtained carbon material tends to be further improved.

遷移金属が鉄である場合、遷移金属含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、鉄錯体、鉄の無機酸塩、鉄の有機酸塩及びその他の鉄化合物が挙げられる。より具体的には、塩化鉄(II)、塩化鉄(III)、クエン酸第二鉄、リン化第二鉄、酒石酸第二鉄、フマル酸第一鉄、ヘキサシアノ鉄(II)酸アンモニウム、シュウ酸アンモニウム鉄(III)三水和物、硫酸鉄(III)アンモニウム、硫酸アンモニウム鉄(III)、エチレンジアミン四酢酸鉄、クエン酸鉄アンモニウム、硝酸第二鉄、酢酸鉄(II)、フマル酸鉄(II)、グルコン酸鉄(II)、シュウ酸鉄、水酸化鉄(III)、鉄(III)アセチルアセトネート、鉄(II)メトキシド、鉄(III)エトキシド、鉄(III)イソプロポキシド、ビス(シクロペンタジエニル)鉄、ビス(メチルシクロペンタジエニル)鉄、ビス(エチルシクロペンタジエニル)鉄、ビス(イソプロピルシクロペンタジエニル)鉄及びビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)鉄を例示できる。これらの中で、電極反応における酸素還元活性がより良好な炭素材料を得る観点から、鉄錯体及び鉄の無機酸塩が好ましく、より好ましくは塩化鉄(II)及び硝酸鉄である。このような遷移金属含有化合物は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   When the transition metal is iron, the transition metal-containing compound is not particularly limited, and examples thereof include iron complexes, iron inorganic acid salts, iron organic acid salts, and other iron compounds. More specifically, iron (II) chloride, iron (III) chloride, ferric citrate, ferric phosphide, ferric tartrate, ferrous fumarate, ammonium hexacyanoferrate (II), shu Ammonium iron (III) trihydrate, iron (III) ammonium sulfate, iron (III) ammonium sulfate, iron ethylenediaminetetraacetate, ammonium iron citrate, ferric nitrate, iron (II) acetate, iron fumarate (II ), Iron (II) gluconate, iron oxalate, iron hydroxide (III), iron (III) acetylacetonate, iron (II) methoxide, iron (III) ethoxide, iron (III) isopropoxide, bis ( Cyclopentadienyl) iron, bis (methylcyclopentadienyl) iron, bis (ethylcyclopentadienyl) iron, bis (isopropylcyclopentadienyl) iron and Scan (tetramethylcyclopentadienyl) iron can be exemplified. Among these, from the viewpoint of obtaining a carbon material having better oxygen reduction activity in the electrode reaction, iron complexes and iron inorganic acid salts are preferable, and iron chloride (II) and iron nitrate are more preferable. Such transition metal-containing compounds are used singly or in combination of two or more.

遷移金属がコバルトである場合、遷移金属含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、コバルト錯体、コバルトの無機酸塩、コバルトの有機酸塩及びその他のコバルト化合物が挙げられる。より具体的には、塩化コバルト(II)、臭化コバルト、炭酸コバルト(II)、ギ酸コバルト(II)、ヘキサフルオロアセチルアセトナトコバルト(II)、酸化コバルト(II)、ヒドロキシ酢酸コバルト(II)、乳酸コバルト(II)、硝酸コバルト、シュウ酸コバルト(II)、2,4−ペンタンジオン酸コバルト(II)、硫酸コバルト、アミド硫酸コバルト、水酸化コバルト、臭化ヘキサアンミンコバルト(II)、塩化ヘキサアンミンコバルト(II)、酢酸コバルト(II)四水和物、アセチルアセトン酸コバルト(II)、硫酸コバルトアンモニウム、コバルト(II)トリフルオロアセチルアセトナート、ビス(シクロペンタジエニル)コバルト、ビス(イソプロピルシクロペンタジエニル)コバルト、ビス(ペンタメチルシクロペンタジエニル)コバルト、ビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)コバルト、ホウ酸コバルト、ヒドロキシ酢酸コバルト、ナフテン酸コバルト、ビス(エチルシクロペンタジエニル)コバルト、硫酸コバルト(II)アンモニウム、ビス(1,5−シクロオクタジエン)コバルト及びビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)コバルトを例示できる。これらの中で、電極反応における酸素還元活性がより良好な炭素材料を得る観点から、コバルト錯体及びコバルトの無機酸塩が好ましく、より好ましくは、塩化コバルト(II)及び硝酸コバルトである。このような遷移金属含有化合物は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   When the transition metal is cobalt, the transition metal-containing compound is not particularly limited, and examples thereof include cobalt complexes, cobalt inorganic acid salts, cobalt organic acid salts, and other cobalt compounds. More specifically, cobalt (II) chloride, cobalt bromide, cobalt carbonate (II), cobalt formate (II), hexafluoroacetylacetonato cobalt (II), cobalt oxide (II), cobalt cobalt acetate (II) , Cobalt (II) lactate, cobalt nitrate, cobalt oxalate (II), cobalt (II) 2,4-pentandionate, cobalt sulfate, cobalt amidosulfate, cobalt hydroxide, hexaamminecobalt bromide (II), chloride Hexaamminecobalt (II), cobalt (II) acetate tetrahydrate, cobalt (II) acetylacetonate, cobalt ammonium sulfate, cobalt (II) trifluoroacetylacetonate, bis (cyclopentadienyl) cobalt, bis (isopropyl) Cyclopentadienyl) cobalt, bis (pen Methylcyclopentadienyl) cobalt, bis (tetramethylcyclopentadienyl) cobalt, cobalt borate, cobalt hydroxyacetate, cobalt naphthenate, bis (ethylcyclopentadienyl) cobalt, cobalt (II) ammonium sulfate, bis ( Examples include 1,5-cyclooctadiene) cobalt and bis (tetramethylcyclopentadienyl) cobalt. Among these, from the viewpoint of obtaining a carbon material having better oxygen reduction activity in the electrode reaction, a cobalt complex and an inorganic acid salt of cobalt are preferable, and cobalt (II) chloride and cobalt nitrate are more preferable. Such transition metal-containing compounds are used singly or in combination of two or more.

遷移金属がニッケルである場合、遷移金属含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、ニッケル錯体、ニッケルの無機酸塩、ニッケルの有機酸塩及びその他のニッケル化合物が挙げられる。より具体的には、塩化ニッケル(II)、臭化ニッケル、炭酸ニッケル(II)、ギ酸ニッケル(II)、ヘキサフルオロアセチルアセトナトニッケル(II)、酸化ニッケル(II)、ヒドロキシ酢酸ニッケル(II)、乳酸ニッケル(II)、ナフテン酸ニッケル(II)、硝酸ニッケル、シュウ酸ニッケル(II)、2,4−ペンタンジオン酸ニッケル(II)、硫酸ニッケル、アミド硫酸ニッケル、水酸化ニッケル、臭化ヘキサアンミンニッケル(II)、塩化ヘキサアンミンニッケル(II)、酢酸ニッケル(II)四水和物、アセチルアセトン酸ニッケル(II)、硫酸ニッケルアンモニウム、ニッケル(II)トリフルオロアセチルアセトナート、ビス(シクロペンタジエニル)ニッケル、ビス(イソプロピルシクロペンタジエニル)ニッケル、ビス(ペンタメチルシクロペンタジエニル)ニッケル、ビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)ニッケル、ホウ酸ニッケル、ヒドロキシ酢酸ニッケル、ナフテン酸ニッケル、ビス(エチルシクロペンタジエニル)ニッケル、硫酸ニッケル(II)アンモニウム、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル及びビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)ニッケルを例示できる。これらの中で、電極反応における酸素還元活性がより良好な炭素材料を得る観点から、ニッケル錯体及びニッケルの無機酸塩が好ましく、より好ましくは、塩化ニッケル(II)及び硝酸ニッケルである。このような遷移金属含有化合物は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   When the transition metal is nickel, the transition metal-containing compound is not particularly limited, and examples thereof include nickel complexes, nickel inorganic acid salts, nickel organic acid salts, and other nickel compounds. More specifically, nickel chloride (II), nickel bromide, nickel carbonate (II), nickel formate (II), hexafluoroacetylacetonato nickel (II), nickel oxide (II), nickel hydroxyacetate (II) , Nickel lactate (II), nickel naphthenate (II), nickel nitrate, nickel oxalate (II), 2,4-pentanedioic acid nickel (II), nickel sulfate, amido nickel sulfate, nickel hydroxide, hexabromide Ammine nickel (II), hexaammine nickel chloride (II), nickel acetate (II) tetrahydrate, nickel (II) acetylacetonate, nickel ammonium sulfate, nickel (II) trifluoroacetylacetonate, bis (cyclopentadidi) Enyl) nickel, bis (isopropylcyclopentadi) Nyl) nickel, bis (pentamethylcyclopentadienyl) nickel, bis (tetramethylcyclopentadienyl) nickel, nickel borate, nickel hydroxyacetate, nickel naphthenate, bis (ethylcyclopentadienyl) nickel, nickel sulfate (II) Ammonium, bis (1,5-cyclooctadiene) nickel and bis (tetramethylcyclopentadienyl) nickel can be exemplified. Among these, from the viewpoint of obtaining a carbon material with better oxygen reduction activity in the electrode reaction, a nickel complex and an inorganic acid salt of nickel are preferable, and nickel (II) chloride and nickel nitrate are more preferable. Such transition metal-containing compounds are used singly or in combination of two or more.

遷移金属が白金である場合、遷移金属含有化合物としては、特に限定されないが、例えば、白金錯体、ハロゲン原子を有する白金化合物及びその他の白金化合物が挙げられる。より具体的には、白金(II)アセチルアセトナート、ヘキサブロモ白金酸(IV)アンモニウム、ヘキサクロロ白金(IV)酸アンモニウム、テトラクロロ白金(II)酸アンモニウム、ビス(アセチルアセトナート)白金(II)、ビス(エチレンジアミン)白金(II)クロリド、クロロ白金酸六水和物、クロロ白金酸六水和物、ジクロロジアンミン白金(II)、テトラクロロジアンミン白金(IV)、1,1−シクロブタンジカルボキシラトジアンミン白金(II)、ジアンミンジクロロ白金(II)、亜硝酸ジアンミン白金(II)、ジクロロビス(ベンゾニトリル)白金(II)、ヘキサクロロ白金酸(IV)二水素、ヘキサブロモ白金酸(IV)二水素、ヘキサヒドロオクソ白金酸(IV)、ジフェニル(1,5−シクロオクタジエン)白金(II)、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸、臭化白金(II)、塩化白金(II)、ヘキサフルオロアセチルアセトン酸白金(II)、塩化テトラアンミン白金(II)、炭酸水素テトラアンミン白金(II)、テトラアンミン白金(II)水酸化物、硝酸テトラアミン白金(II)、テトラアミン白金(II)テトラクロロ白金(II)酸及びヘキサヒドロキソ白金硝酸水溶液を例示できる。このような遷移金属含有化合物は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   When the transition metal is platinum, the transition metal-containing compound is not particularly limited, and examples thereof include a platinum complex, a platinum compound having a halogen atom, and other platinum compounds. More specifically, platinum (II) acetylacetonate, ammonium hexabromoplatinate (IV), ammonium hexachloroplatinate (IV), ammonium tetrachloroplatinate (II), bis (acetylacetonate) platinum (II), Bis (ethylenediamine) platinum (II) chloride, chloroplatinic acid hexahydrate, chloroplatinic acid hexahydrate, dichlorodiammineplatinum (II), tetrachlorodiammineplatinum (IV), 1,1-cyclobutanedicarboxylatodiammine Platinum (II), diamminedichloroplatinum (II), diammineplatinum (II) nitrite, dichlorobis (benzonitrile) platinum (II), hexachloroplatinic acid (IV) dihydrogen, hexabromoplatinic acid (IV) dihydrogen, hexahydro Oxoplatinic acid (IV), diphenyl (1,5-cyclothio Tadiene) platinum (II), hexahydroxoplatinum (IV) acid, platinum (II) bromide, platinum (II) chloride, platinum (II) hexafluoroacetylacetonate, tetraammineplatinum chloride (II), tetraammineplatinum hydrogen carbonate (II) ), Tetraammineplatinum (II) hydroxide, tetraamineplatinum nitrate (II), tetraamineplatinum (II) tetrachloroplatinum (II) acid and hexahydroxoplatinum nitrate aqueous solution. Such transition metal-containing compounds are used singly or in combination of two or more.

〔反応工程〕
反応工程は、燃料及び酸素を含む混合ガスを燃焼させた、600℃〜1900℃の燃焼ガス中で、炭素原子と、窒素原子と、遷移金属原子と、を含む原料を、熱分解反応又は燃焼反応させることにより、前記窒素原子及び前記遷移金属原子を含む炭素材料を得る工程である。
[Reaction process]
In the reaction step, a raw material containing carbon atoms, nitrogen atoms, and transition metal atoms in a combustion gas of 600 ° C. to 1900 ° C. obtained by burning a mixed gas containing fuel and oxygen is subjected to thermal decomposition reaction or combustion. In this step, a carbon material containing the nitrogen atom and the transition metal atom is obtained by the reaction.

燃焼ガス中で原料を反応させる方法としては、特に限定されないが、例えば、高温の燃焼ガスに原料を噴霧する方法が挙げられる。   The method of reacting the raw material in the combustion gas is not particularly limited, and examples thereof include a method of spraying the raw material on a high-temperature combustion gas.

〔燃焼ガス〕
反応工程における燃焼ガスは、燃料及び酸素を含む混合ガスを燃焼させた、600℃〜1900℃の高温のガスである。この燃焼ガスは、燃料、酸素、その他のガスを含んでいてもよい。
[Combustion gas]
The combustion gas in the reaction step is a high-temperature gas of 600 ° C. to 1900 ° C. obtained by burning a mixed gas containing fuel and oxygen. This combustion gas may contain fuel, oxygen, and other gases.

燃料としては、特に限定されないが、例えば、天然ガス、石炭ガス、石油ガス、一酸化炭素、重油等の石油系液体燃料、クレオソート油等の石炭系液化燃料が挙げられる。また、その他のガスとしては、特に限定されないが、例えば、不活性ガス、不燃ガスが挙げられる。   Although it does not specifically limit as a fuel, For example, coal-type liquefied fuels, such as petroleum liquid fuels, such as natural gas, coal gas, petroleum gas, carbon monoxide, and heavy oil, and creosote oil are mentioned. Moreover, it does not specifically limit as other gas, For example, an inert gas and a nonflammable gas are mentioned.

燃焼ガスの温度は、600℃〜1900℃であり、好ましくは700〜1700℃であり、より好ましくは800〜1500℃であり、さらに好ましくは900〜1200℃である。   The temperature of the combustion gas is 600 to 1900 ° C, preferably 700 to 1700 ° C, more preferably 800 to 1500 ° C, and further preferably 900 to 1200 ° C.

燃焼ガスの燃焼方法としては、特に限定されないが、例えば、燃料と酸素とを含む混合ガスをバーナーなどで着火する方法が挙げられる。   The combustion gas combustion method is not particularly limited, and examples thereof include a method of igniting a mixed gas containing fuel and oxygen with a burner or the like.

反応工程において、用い得る装置としては、特に限定されないが、例えば、600〜1900℃の高温の燃焼ガスを発生させる燃焼域と、燃焼ガスに対して原料を噴霧する混合域と、原料を熱分解反応又は燃焼反応させる反応域と、生成物を冷却する冷却域とを備える装置が挙げられる。以下、図1〜3を用いて、本実施形態の反応工程に用い得る装置についてより詳細に説明する。   Although it does not specifically limit as an apparatus which can be used in a reaction process, For example, the combustion zone which generates a high temperature combustion gas of 600-1900 degreeC, the mixing zone which sprays a raw material with respect to combustion gas, and thermal decomposition of a raw material Examples include an apparatus including a reaction zone for reaction or combustion reaction and a cooling zone for cooling the product. Hereinafter, the apparatus which can be used for the reaction process of this embodiment is demonstrated in detail using FIGS.

図1に、本実施形態の反応工程に用い得る装置Aの態様を示す。装置Aは、燃焼ガスを生じさせる燃焼部1と、該燃焼部1で生じた燃焼ガスと原料とを混合し反応を行う混合反応部2と、該混合反応部2で得られた炭素材料を冷却するための冷却部3と、を備える。   In FIG. 1, the aspect of the apparatus A which can be used for the reaction process of this embodiment is shown. The apparatus A includes a combustion unit 1 that generates combustion gas, a mixing reaction unit 2 that performs a reaction by mixing the combustion gas generated in the combustion unit 1 and a raw material, and a carbon material obtained by the mixing reaction unit 2. A cooling unit 3 for cooling.

燃焼部1は、該燃焼部1中のガスを燃焼させるための燃料バーナー4と、燃焼用酸素(例えば空気)を燃焼部1に導入するためのAir導入口5と、燃料を燃焼部1に導入するための燃料供給ノズル(不図示)と、を有する。燃料バーナー4とAir導入口5は、異なる方向を向くように配することができる。また、燃焼部1は、下流側の出口(混合反応部2への接続口)が緩やかに縮径する形状を有する。燃焼部1の胴部の寸法は、特に限定されないが、最大内径0.4m、長さ2mとすることができる。この燃焼部1では、上記燃焼用酸素と燃料とが混合され、燃料バーナー4により燃焼させられることにより高温の燃焼ガスが生成する。なお、この際、不燃ガス又は液体を混合することにより、燃料ガスの温度を調整することができる。   The combustion unit 1 includes a fuel burner 4 for combusting the gas in the combustion unit 1, an air inlet 5 for introducing combustion oxygen (for example, air) into the combustion unit 1, and fuel to the combustion unit 1. A fuel supply nozzle (not shown) for introduction. The fuel burner 4 and the air inlet 5 can be arranged to face different directions. Moreover, the combustion part 1 has a shape in which the downstream outlet (connection port to the mixing reaction part 2) is gradually reduced in diameter. Although the dimension of the trunk | drum of the combustion part 1 is not specifically limited, A maximum internal diameter of 0.4 m and length 2m can be used. In the combustion section 1, the combustion oxygen and the fuel are mixed and burned by the fuel burner 4, thereby generating high-temperature combustion gas. At this time, the temperature of the fuel gas can be adjusted by mixing incombustible gas or liquid.

混合反応部2は、原料を混合反応部2に導入するための原料供給ノズル6を有する。また、混合反応部2は、下流側の出口(冷却部3への接続口)が緩やかに拡径する形状を有する。混合反応部2の胴部の寸法は、特に限定されないが、直径(炉内径)0.15m、長さ1mとすることができる。原料が液体又はスラリーの場合は、原料供給ノズル6から原料を混合反応部2に噴霧することにより、原料を混合反応部2に導入することができる。この際、高温の燃焼ガスは混合反応部2の中央を通過するため、これに対して直角方向から原料を噴霧することが好ましい。混合反応部2では、原料の熱分解反応又は燃焼反応が行われる。   The mixing reaction unit 2 has a raw material supply nozzle 6 for introducing the raw material into the mixing reaction unit 2. Moreover, the mixing reaction part 2 has a shape in which the downstream outlet (connection port to the cooling part 3) gradually increases in diameter. Although the dimension of the trunk | drum of the mixing reaction part 2 is not specifically limited, A diameter (furnace internal diameter) 0.15m and length 1m can be used. When the raw material is liquid or slurry, the raw material can be introduced into the mixing reaction unit 2 by spraying the raw material from the raw material supply nozzle 6 onto the mixing reaction unit 2. At this time, since the high-temperature combustion gas passes through the center of the mixing reaction section 2, it is preferable to spray the raw material from a direction perpendicular thereto. In the mixing reaction part 2, a thermal decomposition reaction or a combustion reaction of the raw material is performed.

冷却部3は、冷却水(又はその他冷媒)を冷却部3に導入するための冷却水供給ノズル7を有する。冷却部3の胴部の寸法は、特に限定されないが、直径(炉内径)0.4m、長さ2.5mとすることができる。冷却部3内部は、耐熱レンガ製であることが好ましい。また、直径寸法の異なる混合反応部2と冷却部3の接続部は、45度の傾斜で円錐形でなめらかに接続されることができる。冷却部3では、混合反応部2で得られた炭素材料を冷媒により冷却する。冷却された遷移金属を含有した炭素材料は、捕集バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収することが可能である。   The cooling unit 3 includes a cooling water supply nozzle 7 for introducing cooling water (or other refrigerant) into the cooling unit 3. Although the dimension of the trunk | drum of the cooling part 3 is not specifically limited, A diameter (furnace internal diameter) 0.4m and length 2.5m can be used. The inside of the cooling unit 3 is preferably made of heat-resistant bricks. Further, the connection part of the mixing reaction part 2 and the cooling part 3 having different diameters can be smoothly connected in a conical shape with an inclination of 45 degrees. In the cooling unit 3, the carbon material obtained in the mixing reaction unit 2 is cooled by a refrigerant. The cooled carbon material containing the transition metal can be separated and recovered by separating it from gas with a collection bag filter.

図2に、本実施形態の反応工程に用い得る装置Bの態様を示す。装置Bは、燃焼ガスを生じさせる燃焼部8と、該燃焼部8で生じた燃焼ガスと原料とを混合する混合部9と、該混合部9で混合した燃焼ガスと原料とを反応させる反応部10と、該反応部10で得られた炭素材料を冷却するための冷却部11と、を備える。   In FIG. 2, the aspect of the apparatus B which can be used for the reaction process of this embodiment is shown. The apparatus B includes a combustion unit 8 that generates combustion gas, a mixing unit 9 that mixes the combustion gas generated in the combustion unit 8 and the raw material, and a reaction that reacts the combustion gas mixed in the mixing unit 9 and the raw material. And a cooling unit 11 for cooling the carbon material obtained in the reaction unit 10.

燃焼部8は、該燃焼部8中のガスを燃焼させるための燃料バーナー12と、燃焼用酸素(例えば空気)を燃焼部8に導入するためのAir導入口13と、燃料を燃焼部8に導入するための燃料供給ノズル(不図示)と、を有する。燃料バーナー12とAir導入口13は、同軸方向を向くように配することができる。また、燃焼部8は、下流側の出口(混合部9への接続口)が緩やかに縮径する形状を有する。燃焼部8の胴部の寸法は、特に限定されないが、最大内径0.6m、長さ1.3mとすることができる。この燃焼部8では、上記燃焼用酸素と燃料とが混合され、燃料バーナー12により燃焼させられることにより高温の燃焼ガスが生成する。なお、この際、不燃ガス又は液体を混合することにより、燃料ガスの温度を調整することができる。   The combustion unit 8 includes a fuel burner 12 for burning the gas in the combustion unit 8, an air inlet 13 for introducing combustion oxygen (for example, air) into the combustion unit 8, and fuel to the combustion unit 8. A fuel supply nozzle (not shown) for introduction. The fuel burner 12 and the air inlet 13 can be arranged so as to face the coaxial direction. Moreover, the combustion part 8 has a shape in which the downstream outlet (connection port to the mixing part 9) is gradually reduced in diameter. Although the dimension of the trunk | drum of the combustion part 8 is not specifically limited, The maximum internal diameter can be 0.6 m and length can be 1.3 m. In the combustion section 8, the combustion oxygen and fuel are mixed and burned by the fuel burner 12, thereby generating high-temperature combustion gas. At this time, the temperature of the fuel gas can be adjusted by mixing incombustible gas or liquid.

混合部9は、原料を混合部9に導入するための原料供給ノズル14を有する。混合部9の胴部の寸法は、特に限定されないが、直径0.2m、長さ0.2mとすることができる。原料が液体又はスラリーの場合は、原料供給ノズル14から原料を混合部9に噴霧することにより、原料を混合部9に導入することができる。この際、高温の燃焼ガスは混合部9の中央を通過するため、これに対して直角方向から原料を噴霧することが好ましい。   The mixing unit 9 has a raw material supply nozzle 14 for introducing the raw material into the mixing unit 9. Although the dimension of the trunk | drum of the mixing part 9 is not specifically limited, Diameter 0.2m and length 0.2m can be used. When the raw material is liquid or slurry, the raw material can be introduced into the mixing unit 9 by spraying the raw material from the raw material supply nozzle 14 onto the mixing unit 9. At this time, since the high-temperature combustion gas passes through the center of the mixing section 9, it is preferable to spray the raw material from a direction perpendicular thereto.

反応部10では、原料の熱分解反応又は燃焼反応が行われる。反応部10の胴部の寸法は、特に限定されないが、直径0.15m、長さ0.4mとすることができる。   In the reaction unit 10, a raw material thermal decomposition reaction or a combustion reaction is performed. Although the dimension of the trunk | drum of the reaction part 10 is not specifically limited, A diameter can be 0.15 m and length can be 0.4 m.

冷却部11は、冷却水(又はその他冷媒)を冷却部11に導入するための冷却水供給ノズル15を有する。冷却部11の胴部の寸法は、特に限定されないが、最大直径1m、長さ2.5mとすることができる。冷却部11内部は、耐熱レンガ製であることが好ましい。また、直径寸法の異なる反応部10と冷却部11の接続部は、45度の傾斜で円錐形でなめらかに接続されることができる。この冷却部11では、反応部10で得られた炭素材料を冷媒により冷却する。   The cooling unit 11 includes a cooling water supply nozzle 15 for introducing cooling water (or other refrigerant) into the cooling unit 11. Although the dimension of the trunk | drum of the cooling part 11 is not specifically limited, The maximum diameter can be 1 m and length can be 2.5 m. The inside of the cooling unit 11 is preferably made of heat-resistant bricks. Further, the connecting portion between the reaction portion 10 and the cooling portion 11 having different diameter dimensions can be smoothly connected in a conical shape with an inclination of 45 degrees. In this cooling part 11, the carbon material obtained in the reaction part 10 is cooled by a refrigerant.

図3に、本実施形態の反応工程に用い得る装置Cの態様を示す。装置Cは、燃焼ガスを生じさせる燃焼部16と、燃焼ガスの温度調整を行う温度調整部17と、該燃焼部16で生じた燃焼ガスと原料とを混合して反応させる混合反応部18と、該混合反応部18で得られた炭素材料を冷却するための冷却部19と、を備える。   In FIG. 3, the aspect of the apparatus C which can be used for the reaction process of this embodiment is shown. The apparatus C includes a combustion unit 16 that generates combustion gas, a temperature adjustment unit 17 that adjusts the temperature of the combustion gas, a mixing reaction unit 18 that mixes and reacts the combustion gas generated in the combustion unit 16 and a raw material. And a cooling unit 19 for cooling the carbon material obtained in the mixed reaction unit 18.

燃焼部16は、該燃焼部16中のガスを燃焼させるための燃料バーナー20と、燃焼用酸素(例えば空気)を燃焼部16に導入するためのAir導入口21と、燃料を燃焼部16に導入するための燃料供給ノズル(不図示)と、を有する。また、燃焼部16は、下流側の出口(混合反応部18への接続口)が緩やかに縮径する形状を有する。燃焼部16の導体の寸法は、最大内径0.6m、長さ2mとすることができる。この燃焼部では、上記燃焼用酸素と燃料とが混合され、燃料バーナー4により燃焼させられることにより高温の燃焼ガスが生成する。   The combustion unit 16 includes a fuel burner 20 for combusting the gas in the combustion unit 16, an air introduction port 21 for introducing combustion oxygen (for example, air) into the combustion unit 16, and fuel to the combustion unit 16. A fuel supply nozzle (not shown) for introduction. Moreover, the combustion part 16 has a shape in which the downstream outlet (connection port to the mixing reaction part 18) is gradually reduced in diameter. The size of the conductor of the burning part 16 can be a maximum inner diameter of 0.6 m and a length of 2 m. In the combustion section, the combustion oxygen and the fuel are mixed and burned by the fuel burner 4 to generate high-temperature combustion gas.

温度調節部17は、冷却材を温度調節部17に導入するための冷却材供給ノズル22を有する。温度調節部17の胴部の寸法は、特に限定されないが、直径0.6m、長さ1mとすることができる。冷却材としては、特に限定されないが、例えば、窒素、アルゴン、二酸化炭素、ヘリウム、二酸化炭素などの不活性ガス、水蒸気、水などが挙げられる。このなかでも冷却効果の観点から水蒸気又は水が好ましい。この温度調節部17では、燃焼ガスの温度は600〜1900℃に調整される。   The temperature adjustment unit 17 includes a coolant supply nozzle 22 for introducing the coolant into the temperature adjustment unit 17. Although the dimension of the trunk | drum of the temperature control part 17 is not specifically limited, A diameter can be 0.6 m and length can be 1 m. Although it does not specifically limit as a coolant, For example, nitrogen, argon, carbon dioxide, helium, inert gas, such as a carbon dioxide, water vapor | steam, water etc. are mentioned. Among these, water vapor or water is preferable from the viewpoint of the cooling effect. In this temperature control part 17, the temperature of combustion gas is adjusted to 600-1900 degreeC.

混合反応部18は、原料を混合反応部18に導入するための原料供給ノズル23を有する。また、混合反応部18は、下流側の出口(冷却部19への接続口)が緩やかに拡径する形状を有する。混合反応部18の胴部の寸法は、特に限定されないが、直径0.15m、長さ1mとすることができる。原料が液体又はスラリーの場合は、原料供給ノズル23から原料を混合反応部18に噴霧することにより、原料を混合反応部18に導入することができる。この際、高温の燃焼ガスは混合反応部18の中央を通過するため、これに対して直角方向から原料を噴霧することが好ましい。混合反応部18では、原料の熱分解反応又は燃焼反応が行われる。   The mixing reaction unit 18 has a material supply nozzle 23 for introducing the material into the mixing reaction unit 18. Moreover, the mixing reaction part 18 has a shape in which the downstream outlet (connection port to the cooling part 19) gradually increases in diameter. Although the dimension of the trunk | drum of the mixing reaction part 18 is not specifically limited, A diameter can be 0.15 m and length can be 1 m. When the raw material is liquid or slurry, the raw material can be introduced into the mixing reaction unit 18 by spraying the raw material from the raw material supply nozzle 23 onto the mixing reaction unit 18. At this time, since the high-temperature combustion gas passes through the center of the mixing reaction section 18, it is preferable to spray the raw material from a direction perpendicular thereto. In the mixing reaction unit 18, a thermal decomposition reaction or a combustion reaction of the raw material is performed.

冷却部19は、冷却水(又はその他冷媒)を冷却部19に導入するための冷却水供給ノズル24を有する。冷却部19の胴部の寸法は、特に限定されないが、直径0.6m、長さ2.5mとすることができる。冷却部19内部は、耐熱レンガ製であることが好ましい。また、直径寸法の異なる混合反応部18と冷却部19の接続部は、45度の傾斜で円錐形でなめらかに接続されることができる。この冷却部19では、混合反応部18で得られた炭素材料を冷媒により冷却する。   The cooling unit 19 includes a cooling water supply nozzle 24 for introducing cooling water (or other refrigerant) into the cooling unit 19. Although the dimension of the trunk | drum of the cooling part 19 is not specifically limited, Diameter 0.6m and length 2.5m can be used. The inside of the cooling unit 19 is preferably made of heat-resistant bricks. Further, the connecting portion of the mixing reaction portion 18 and the cooling portion 19 having different diameters can be smoothly connected in a conical shape with an inclination of 45 degrees. In the cooling unit 19, the carbon material obtained in the mixing reaction unit 18 is cooled by a refrigerant.

〔温度調整工程〕
本実施形態の炭素材料の製造方法は、反応工程前又は反応工程中において、燃焼ガスと、不活性ガス、不燃性のガス、又は液体と、を混合して燃焼ガスの温度を600℃〜1900℃に調整する温度調整工程を有してもよい。
[Temperature adjustment process]
In the method for producing a carbon material of the present embodiment, before or during the reaction step, the combustion gas is mixed with an inert gas, a non-flammable gas, or a liquid, and the temperature of the combustion gas is set to 600 ° C. to 1900. You may have the temperature adjustment process adjusted to (degreeC).

不活性ガスとしては、上記のものが挙げられる。また、不燃性のガスとしては、特に限定されないが、例えば、水蒸気が挙げられる。また、液体としては、特に限定されないが、例えば、水が挙げられる。   Examples of the inert gas include those described above. Moreover, it is although it does not specifically limit as a nonflammable gas, For example, water vapor | steam is mentioned. Moreover, it does not specifically limit as a liquid, For example, water is mentioned.

〔冷却工程〕
本実施形態の炭素材料の製造方法は、反応工程により得られた炭素材料を冷却する冷却工程をさらに有していてもよい。冷却方法としては、特に限定されないが、例えば、炭素材料に対して水を噴霧する方法などが挙げられる。また、冷却工程において、炭素材料を水、二酸化炭素、酸素などで賦活することができ、これにより、必要な触媒性能が得られる傾向にある。
[Cooling process]
The manufacturing method of the carbon material of this embodiment may further have a cooling process which cools the carbon material obtained by the reaction process. Although it does not specifically limit as a cooling method, For example, the method of spraying water with respect to a carbon material etc. are mentioned. Further, in the cooling step, the carbon material can be activated with water, carbon dioxide, oxygen, and the like, thereby tending to obtain necessary catalyst performance.

〔熱処理工程〕
本実施形態の炭素材料の製造方法は、反応工程により得られた炭素材料を熱処理する熱処理工程を有していてもよい。これにより、さらに性能の高い炭素材料を得ることができる。なお、熱処理工程は、冷却工程で水、二酸化炭素、酸素などで炭素材料が十分賦活され、必要な触媒性能が得られた場合には省略することもできる。反応工程において炭素材料の炭化が不足の場合においては、熱処理工程で熱処理を行うことが好ましい。
[Heat treatment process]
The manufacturing method of the carbon material of this embodiment may have the heat processing process which heat-processes the carbon material obtained by the reaction process. Thereby, a carbon material with higher performance can be obtained. Note that the heat treatment step can be omitted when the carbon material is sufficiently activated by water, carbon dioxide, oxygen, or the like in the cooling step and the necessary catalytic performance is obtained. When carbonization of the carbon material is insufficient in the reaction step, it is preferable to perform heat treatment in the heat treatment step.

熱処理方法は、炭素材料を気相中で加熱する処理であればよく、熱処理の到達温度(最高温度)や温度パターン、熱処理の際の炭素材料複合体周囲の雰囲気は、熱処理毎に変更することができる。   The heat treatment method may be any process in which the carbon material is heated in the gas phase, and the temperature (maximum temperature) and temperature pattern of the heat treatment and the atmosphere around the carbon material composite during the heat treatment are changed for each heat treatment. Can do.

熱処理の回数は、得られる炭素材料の性質及びプロセス上の観点から、好ましくは1〜10回であり、より好ましくは1〜5回であり、さらに好ましくは1〜3回である。   The number of heat treatments is preferably 1 to 10 times, more preferably 1 to 5 times, and further preferably 1 to 3 times, from the viewpoint of the properties of the obtained carbon material and the process.

熱処理に用いられる装置としては、特に限定されないが、例えば、ボックス炉、回転炉、トンネル炉、管状炉、流動焼成炉が挙げられる。熱処理の温度は、炭素材料複合体中の窒素元素の含有割合を高く保ちつつ炭化を進行させる観点から、熱処理の段階が進む毎に到達温度を高くすることが好ましい。   Although it does not specifically limit as an apparatus used for heat processing, For example, a box furnace, a rotary furnace, a tunnel furnace, a tubular furnace, a fluidized-fired furnace is mentioned. The temperature of the heat treatment is preferably increased every time the heat treatment step proceeds, from the viewpoint of proceeding carbonization while maintaining a high content ratio of the nitrogen element in the carbon material composite.

熱処理の際の炭素材料の周囲雰囲気におけるガスとしては、不活性ガス及び賦活ガスを適宜選択することができ、1種又は2種以上を用いることができる。不活性ガスとしては、特に限定されないが、例えば、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。また、賦活ガスとしては、特に限定されないが、例えば、空気、水素ガス、水蒸気、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、メタンガス、酸素ガス、一酸化窒素ガス、アンモニアガスとそれらを上記不活性ガスで希釈したものが挙げられる。賦活ガスとしては、水蒸気もしくは得られる炭素材料の窒素含有率の高さという観点から、純アンモニアガス、又は純アンモニアを不活性ガスで希釈したアンモニア含有ガスが好ましい。   As the gas in the ambient atmosphere of the carbon material at the time of the heat treatment, an inert gas and an activation gas can be appropriately selected, and one kind or two or more kinds can be used. Although it does not specifically limit as an inert gas, For example, nitrogen gas and a noble gas (For example, argon gas, helium gas, and neon gas) are mentioned. Further, the activation gas is not particularly limited, but for example, air, hydrogen gas, water vapor, carbon monoxide gas, carbon dioxide gas, methane gas, oxygen gas, nitrogen monoxide gas, ammonia gas and the above inert gas. The diluted one is mentioned. The activation gas is preferably pure ammonia gas or ammonia-containing gas obtained by diluting pure ammonia with an inert gas from the viewpoint of high nitrogen content of water vapor or the resulting carbon material.

また、熱処理の際の気相の圧力は、常圧、加圧及び減圧(例えば、10kPa以下、好ましくは真空中)のいずれであってもよい。炭素材料周囲のガスは静止していても流通していてもよいが、炭素材料の収率の観点から、流通していることが好ましい。不活性ガス雰囲気下では、得られる炭素材料の比表面積は比較的小さくなるものの、炭素材料のガス化反応が起こり難く、高収率で炭化が進行する。一方、炭素材料複合体に、好ましくは不活性ガス雰囲気下で一度熱処理を施して、ある程度炭化させた後に、アンモニア含有ガス雰囲気下で熱処理を施すと、高い窒素含有率を維持したまま比表面積の大きな炭素材料を得やすくなる。したがって、まず、不活性ガス雰囲気下で炭素材料複合体の熱処理を行い、次にアンモニア含有ガス雰囲気下で熱処理を行うことが好ましい。   Further, the pressure of the gas phase during the heat treatment may be any of normal pressure, pressurization, and reduced pressure (for example, 10 kPa or less, preferably in a vacuum). The gas around the carbon material may be stationary or in circulation, but is preferably in circulation from the viewpoint of the yield of the carbon material. Under an inert gas atmosphere, although the specific surface area of the obtained carbon material is relatively small, the gasification reaction of the carbon material hardly occurs and carbonization proceeds at a high yield. On the other hand, when the carbon material composite is preferably heat-treated once in an inert gas atmosphere and carbonized to some extent, and then heat-treated in an ammonia-containing gas atmosphere, the specific surface area is maintained while maintaining a high nitrogen content. It becomes easy to obtain a large carbon material. Therefore, it is preferable to first perform the heat treatment of the carbon material composite in an inert gas atmosphere and then perform the heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere.

熱処理温度は、不活性ガス中においては、好ましくは400℃〜1500℃であり、より好ましくは500℃〜1200℃であり、さらに好ましくは600℃〜1000℃である。また、賦活ガス中においては、熱処理温度は、好ましくは400℃〜1500℃であり、より好ましくは600℃〜1400℃であ、さらに好ましくは700℃〜1200℃、最も好ましくは800℃〜1000℃である。熱処理温度が400℃以上であることにより、最終的に得られる炭素材料の収率がより向上する傾向にある。また、熱処理温度が1500℃以下であることにより、原料炭素材料中の窒素含有量をより高く維持できる傾向にある。熱処理の温度は、炭素材料中の窒素元素の含有割合を高く保ちつつ炭化を進行させる観点から、熱処理の段階が進む毎に到達温度を高くすることが好ましい。   In the inert gas, the heat treatment temperature is preferably 400 ° C to 1500 ° C, more preferably 500 ° C to 1200 ° C, and further preferably 600 ° C to 1000 ° C. In the activation gas, the heat treatment temperature is preferably 400 ° C to 1500 ° C, more preferably 600 ° C to 1400 ° C, further preferably 700 ° C to 1200 ° C, and most preferably 800 ° C to 1000 ° C. It is. When the heat treatment temperature is 400 ° C. or higher, the yield of the finally obtained carbon material tends to be further improved. Moreover, when the heat treatment temperature is 1500 ° C. or lower, the nitrogen content in the raw material carbon material tends to be maintained higher. The temperature of the heat treatment is preferably increased every time the heat treatment step proceeds from the viewpoint of proceeding carbonization while keeping the content ratio of the nitrogen element in the carbon material high.

熱処理時間としては、好ましくは5.0分間〜50時間であり、より好ましくは15分間〜20時間であり、さらに好ましくは30分間〜10時間である。熱処理時間が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより向上するか、もしくは炭素材料の生産性が向上する。   The heat treatment time is preferably 5.0 minutes to 50 hours, more preferably 15 minutes to 20 hours, and further preferably 30 minutes to 10 hours. When the heat treatment time is within the above range, the oxygen reduction activity is further improved or the productivity of the carbon material is improved.

熱処理の際の圧力は、好ましくは0.010〜5.0MPaであり、より好ましくは0.050〜1.0MPaであり、さらに好ましくは0.080〜0.30MPaであり、特に好ましくは、0.090〜0.15MPaである。圧力が5.0MPa以下であることにより、炭素材料がsp3軌道によって構成され導電性の低いダイヤモンド構造となるのをより有効に抑制できる傾向にある。また、圧力が0.010MPa以上であることにより、設備の気密性の維持が容易になる傾向にある。   The pressure during the heat treatment is preferably 0.010 to 5.0 MPa, more preferably 0.050 to 1.0 MPa, still more preferably 0.080 to 0.30 MPa, and particularly preferably 0. 0.090 to 0.15 MPa. When the pressure is 5.0 MPa or less, the carbon material tends to be more effectively suppressed from being composed of sp3 orbitals and having a low conductivity diamond structure. Moreover, it exists in the tendency for the maintenance of the airtightness of an installation to become easy because a pressure is 0.010 Mpa or more.

〔酸処理工程〕
本実施形態の炭素材料の製造方法は、熱処理工程前又は熱処理工程後において、酸を用いて炭素材料から遷移金属の一部を除去する酸処理工程を有していてもよい。特に、熱処理によって遷移金属粒子が生成する場合には、熱処理工程における結晶化度増大の抑制の観点から、遷移金属粒子を除去することが好ましい。遷移金属粒子のできやすさは遷移金属の種類、濃度、分散性、又は熱処理温度等によって変化する。用い得る酸としては、特に限定されないが、例えば、塩酸、硝酸や硫酸等が挙げられる。
[Acid treatment process]
The carbon material manufacturing method of the present embodiment may include an acid treatment step of removing a part of the transition metal from the carbon material using an acid before or after the heat treatment step. In particular, when transition metal particles are generated by heat treatment, it is preferable to remove the transition metal particles from the viewpoint of suppressing increase in crystallinity in the heat treatment step. The ease with which transition metal particles can be produced varies depending on the type, concentration, dispersibility, or heat treatment temperature of the transition metal. The acid that can be used is not particularly limited, and examples thereof include hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid.

〔炭素材料〕
本実施形態に係る炭素材料は、上記製造方法により製造されたものである。炭素材料の炭素原子(C)に対する窒素原子(N)の原子比(N/C)は、好ましくは0.001以上であり、より好ましくは0.005〜0.3であり、さらに好ましくは0.01〜0.2であり、さらにより好ましくは0.02〜0.15である。原子比(N/C)が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより向上する傾向にある。なお、原子比(N/C)は、炭素含有化合物、窒素含有化合物、遷移金属含有化合物の使用量を調整することにより調整することができる。
[Carbon material]
The carbon material according to the present embodiment is manufactured by the above manufacturing method. The atomic ratio (N / C) of the nitrogen atom (N) to the carbon atom (C) of the carbon material is preferably 0.001 or more, more preferably 0.005 to 0.3, and still more preferably 0. 0.01 to 0.2, and even more preferably 0.02 to 0.15. When the atomic ratio (N / C) is within the above range, the oxygen reduction activity tends to be further improved. In addition, atomic ratio (N / C) can be adjusted by adjusting the usage-amount of a carbon containing compound, a nitrogen containing compound, and a transition metal containing compound.

また、本実施形態において、炭素原子(C)に対する遷移金属原子(M)の原子比(M/C)は、好ましくは0.0001以上であり、より好ましくは0.0001〜0.05であり、さらに好ましくは0.001〜0.04であり、さらにより好ましくは0.005〜0.03である。原子比(M/C)が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより向上し、さらに過酸化水素収率が低減する傾向にある。なお、原子比(M/C)は、炭素含有化合物、窒素含有化合物、遷移金属含有化合物の使用量、および原料の処理条件を調整することにより調整することができる。   In the present embodiment, the atomic ratio (M / C) of the transition metal atom (M) to the carbon atom (C) is preferably 0.0001 or more, more preferably 0.0001 to 0.05. More preferably, it is 0.001-0.04, More preferably, it is 0.005-0.03. When the atomic ratio (M / C) is within the above range, the oxygen reduction activity tends to be further improved and the hydrogen peroxide yield tends to be reduced. In addition, atomic ratio (M / C) can be adjusted by adjusting the usage-amount of a carbon containing compound, a nitrogen containing compound, a transition metal containing compound, and the processing conditions of a raw material.

本実施形態に係る炭素材料は、窒素原子及び遷移金属原子を含むことによって酸素還元活性を発現する。一方で、原子比(N/C)及び原子比(M/C)が上記上限を有することにより、かえって酸素還元活性が低下することを抑制できる傾向にある。   The carbon material which concerns on this embodiment expresses oxygen reduction activity by including a nitrogen atom and a transition metal atom. On the other hand, when the atomic ratio (N / C) and the atomic ratio (M / C) have the above upper limit, the oxygen reduction activity tends to be suppressed.

原子比(N/C)及び原子比(M/C)は、電子線マイクロアナライザによって求めることができる。「電子線マイクロアナライザ」とは、試料に電子線を照射したときに発生する特性X線を波長分散型X線分光器で分離し、試料中に含まれる元素の同定及び定量を行う装置である。原子比の具体的な測定方法としては、実施例に記載の方法を用いることができる。   The atomic ratio (N / C) and the atomic ratio (M / C) can be obtained by an electron beam microanalyzer. An “electron beam microanalyzer” is an apparatus that separates characteristic X-rays generated when an electron beam is irradiated onto a sample with a wavelength dispersive X-ray spectrometer, and identifies and quantifies elements contained in the sample. . As a specific method for measuring the atomic ratio, the methods described in Examples can be used.

BET法により求められる炭素材料の比表面積は、好ましくは400m2/g以上であり、より好ましくは500m2/g以上であり、さらに好ましくは600m2/g以上である。また、BET比表面積の上限は特に制限されないが、3000m2/g以下であることが好ましい。BET比表面積が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより高くなる。なお、炭素材料の比表面積は、JIS Z8830「気体吸着による粉体(固体)の比表面積測定方法」に従って測定することができる。 The specific surface area of the carbon material determined by the BET method is preferably 400 m 2 / g or more, more preferably 500 m 2 / g or more, and further preferably 600 m 2 / g or more. The upper limit of the BET specific surface area is not particularly limited, but is preferably 3000 m 2 / g or less. When the BET specific surface area is within the above range, the oxygen reduction activity becomes higher. The specific surface area of the carbon material can be measured according to JIS Z8830 “Method for measuring specific surface area of powder (solid) by gas adsorption”.

炭素材料のDBP吸収量は、好ましくは50mL/100g以上であり、より好ましくは100mL/100g以上であり、さらに好ましくは150mL/100g以上であり、最も好ましくは200mL/100g以上である。炭素材料のDBP吸収量が上記範囲内であることにより、触媒性能がより向上する傾向にある。DBP吸収量はJISK6217−4に規定される方法に従って測定することができる。   The DBP absorption amount of the carbon material is preferably 50 mL / 100 g or more, more preferably 100 mL / 100 g or more, further preferably 150 mL / 100 g or more, and most preferably 200 mL / 100 g or more. When the DBP absorption amount of the carbon material is within the above range, the catalyst performance tends to be further improved. The DBP absorption can be measured according to the method defined in JISK6217-4.

(平均粒子径)
炭素材料の平均粒子径は、好ましくは1nm以上100μm以下であり、より好ましくは5nm以上10μm以下であり、さらに好ましくは10nm以上1μm以下である。炭素材料を電極として用いる場合、電極としての性能を効率的に発揮するためには、その平均粒子径(体積基準のメディアン径:50%D)を適切に調整することが好ましい。炭素材料の平均粒子径が100μm以下であることにより、電極の比活性がより向上する傾向にある。また、炭素材料の平均粒子径が1nm以上であることにより、粒子同士が密に凝集し物質輸送が阻害されることが抑制される傾向にある。物質輸送が阻害されるとは、例えば、固体高分子形燃料電池の正極触媒として用いる場合、酸素分子が活性点に供給され難くなることなどが挙げられる。平均粒子径は、レーザー回折・散乱法、動的光散乱法、画像イメージング法、重力沈降法等の公知の方法により測定することができる。
(Average particle size)
The average particle diameter of the carbon material is preferably 1 nm to 100 μm, more preferably 5 nm to 10 μm, and still more preferably 10 nm to 1 μm. When a carbon material is used as an electrode, it is preferable to appropriately adjust the average particle diameter (volume-based median diameter: 50% D) in order to efficiently exhibit the performance as an electrode. When the average particle diameter of the carbon material is 100 μm or less, the specific activity of the electrode tends to be further improved. In addition, when the average particle diameter of the carbon material is 1 nm or more, the particles tend to aggregate closely and inhibit the substance transport from being inhibited. The substance transport is inhibited when, for example, it is difficult to supply oxygen molecules to the active site when used as a positive electrode catalyst of a polymer electrolyte fuel cell. The average particle diameter can be measured by a known method such as a laser diffraction / scattering method, a dynamic light scattering method, an image imaging method, or a gravity sedimentation method.

また、炭素材料は、CuKα線をX線源として得られるX線回折図において、回折角(2θ)が23.5〜26.5°である範囲にピークを有することが好ましい。回折角(2θ)は、より好ましくは24.0〜26.5°の範囲であり、さらに好ましくは24.5〜26.4°の範囲である。上記ピークの半値幅は、より好ましくは0.0010°以上であり、更に好ましくは0.010°以上であり、特に好ましくは0.040°以上である。上記ピークの半値幅が0.0010°以上であることにより、酸素還元活性がより向上する傾向にある。また、上記ピークの半値幅は、好ましくは15°以下であり、より好ましくは14°以下であり、さらに好ましくは12°以下である。上記ピークの半値幅が15°以下であることにより、酸素還元活性がより向上する傾向にある。   Further, the carbon material preferably has a peak in a range where the diffraction angle (2θ) is 23.5 to 26.5 ° in an X-ray diffraction diagram obtained using CuKα rays as an X-ray source. The diffraction angle (2θ) is more preferably in the range of 24.0 to 26.5 °, and further preferably in the range of 24.5 to 26.4 °. The full width at half maximum of the peak is more preferably 0.0010 ° or more, further preferably 0.010 ° or more, and particularly preferably 0.040 ° or more. When the half width of the peak is 0.0010 ° or more, the oxygen reduction activity tends to be further improved. The half width of the peak is preferably 15 ° or less, more preferably 14 ° or less, and further preferably 12 ° or less. When the half width of the peak is 15 ° or less, the oxygen reduction activity tends to be further improved.

上記製法を経て得られる最終的な炭素材料中の遷移金属の含有量は、炭素材料100質量%に対して、0.0010質量%以上20質量%以下であることが好ましく、0.010質量%以上10質量%以下であることがより好ましく、0.050質量%以上5.0質量%以下であることが更に好ましく、0.10質量%以上3.0質量%以下であることが最も好ましい。遷移金属の含有量が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより向上する傾向にある。   The content of the transition metal in the final carbon material obtained through the above production method is preferably 0.0010% by mass to 20% by mass with respect to 100% by mass of the carbon material, and is 0.010% by mass. It is more preferably 10% by mass or less, further preferably 0.050% by mass or more and 5.0% by mass or less, and most preferably 0.10% by mass or more and 3.0% by mass or less. When the content of the transition metal is within the above range, the oxygen reduction activity tends to be further improved.

〔用途〕
本実施形態の炭素材料は、固体高分子型に代表される燃料電池用電極、金属−空気電池用電極等の各種電極の材料として用いることができる。
[Use]
The carbon material of the present embodiment can be used as a material for various electrodes such as a fuel cell electrode typified by a solid polymer type and a metal-air battery electrode.

本実施形態の炭素材料を用いた、すなわちこれを含む電極を作製する方法は特に限定されず、従来の炭素材料と同様の一般的な方法で作製することができる。例えば、炭素材料とプロトン伝導性物質とを溶媒中で混合してペースト状とし、これをプロトン伝導性膜に直接塗布した後に、その塗布層を乾燥させることにより電極を作製することができる。   A method for producing an electrode using the carbon material of the present embodiment, that is, an electrode including the carbon material is not particularly limited, and the electrode can be produced by a general method similar to a conventional carbon material. For example, the electrode can be produced by mixing a carbon material and a proton conductive material in a solvent to form a paste, applying the paste directly to the proton conductive membrane, and then drying the applied layer.

プロトン伝導性物質としてはプロトンを伝達できる材料であれば特に制限なく用いることができ、ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)、アシプレックス(商品名、旭化成社製)などのスルホン酸基を有する含フッ素系イオン交換樹脂が挙げられる。また、プロトン伝導性膜としては、プロトン伝導性物質と同様の材料からなる膜を用いることができる。電極を作製する方法として、プロトン伝導性膜に直接ペーストを塗布する方法だけでなく、テトラフルオロエチレンシート等のシート上にペーストを塗布して電極を作製した後に、プロトン伝導性膜にその電極を転写する方法も採用できる。   Any proton-conducting material can be used as long as it can transmit protons. Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass), Aciplex (trade name, Asahi Kasei) And fluorine-containing ion exchange resins having a sulfonic acid group. As the proton conductive membrane, a membrane made of the same material as the proton conductive substance can be used. As a method for producing an electrode, not only a method of directly applying a paste to a proton conductive membrane, but also an electrode is produced by applying a paste on a sheet such as a tetrafluoroethylene sheet, and then the electrode is applied to the proton conductive membrane. A transfer method can also be adopted.

以下、実施例等を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、これらは例示的なものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。したがって、当業者は以下に示す実施例に様々な変更を加えて本発明を実施することができる。   Hereinafter, although an example etc. are given and the present invention is explained still in detail, these are illustrations and the present invention is not limited to these. Accordingly, those skilled in the art can implement the present invention by making various modifications to the examples described below.

まず、本実施例で行った測定方法について説明する。   First, the measurement method performed in this example will be described.

(電子線マイクロアナライザ測定)
実施例及び比較例で得られた炭素材料を手動の錠剤成型器で押し固め、3mmφのペレットとして電子線マイクロアナライザ(日本電子製、「JXA−8200」を使用)測定を行った。加速電圧は15kV、照射電流は20nA、プローブ径は50μmに設定し、C,N,O,Feについて測定を行い、装置付属の「ZAF Metal」プログラムによって補正を行った。これによってC,N及びFe(以下、「M」ともいう。)の原子比N/C,M/Cを得た。
(Electron microanalyzer measurement)
The carbon materials obtained in the examples and comparative examples were pressed and compacted with a manual tablet molding machine, and the electron beam microanalyzer (manufactured by JEOL Ltd., “JXA-8200” was used) was measured as a 3 mmφ pellet. The acceleration voltage was set to 15 kV, the irradiation current was set to 20 nA, the probe diameter was set to 50 μm, C, N, O, and Fe were measured and corrected by the “ZAF Metal” program attached to the apparatus. As a result, atomic ratios N / C and M / C of C, N and Fe (hereinafter also referred to as “M”) were obtained.

(電気化学測定)
炭素材料とプロトン伝導性物質とを溶媒中で混合してペースト状とし、これをプロトン伝導性膜に直接塗布した後に、その塗布層を乾燥させることにより電極を作製した。プロトン伝導性物質としては、5重量%ナフィオン(製品名、デュポン社製)を用いた。また、プロトン伝導性膜としては、ナフィオン(製品名、デュポン社製)を用いた。
(Electrochemical measurement)
A carbon material and a proton conductive material were mixed in a solvent to form a paste, which was directly applied to the proton conductive membrane, and then the applied layer was dried to produce an electrode. As the proton conductive substance, 5 wt% Nafion (product name, manufactured by DuPont) was used. As the proton conductive membrane, Nafion (product name, manufactured by DuPont) was used.

上記のようにして作製した電極を用いた回転電極法によるリニアスイープボルタンメトリーの測定方法(日厚計測製の回転リングディスク電極装置「RRDE−1」を使用。)を以下に示す。回転電極はガラス状炭素からなるディスクとプラチナからなるリングを有する。ディスクには実施例及び比較例に示すように酸素還元触媒を塗布する。回転電極を作用極とし、可逆水素電極(RHE)を参照極として、炭素電極を対極とした。0.5M硫酸を電解液とし、その電解液に酸素を30分間バブリングした後、回転速度1500rpmでディスク電位を1.1Vから0Vまで5mV/sで掃引して電気化学測定を行った。リング電位は1.2Vとした。また、酸素還元開始電位E0は−10μA/cm2の電流を与える電位と定義して、求めた。 A measurement method of linear sweep voltammetry by the rotating electrode method using the electrode produced as described above (using a rotating ring disk electrode device “RRDE-1” manufactured by Nissan Gakko) is shown below. The rotating electrode has a disk made of glassy carbon and a ring made of platinum. An oxygen reduction catalyst is applied to the disk as shown in the examples and comparative examples. The rotating electrode was the working electrode, the reversible hydrogen electrode (RHE) was the reference electrode, and the carbon electrode was the counter electrode. 0.5M sulfuric acid was used as the electrolyte, and oxygen was bubbled through the electrolyte for 30 minutes, and then the electrochemical measurement was performed by sweeping the disk potential from 1.1 V to 0 V at 5 mV / s at a rotational speed of 1500 rpm. The ring potential was 1.2V. The oxygen reduction start potential E 0 was determined as a potential that gives a current of −10 μA / cm 2 .

ディスクに流れた電流(iD)は酸素還元触媒上での酸素還元反応によるものであり、酸素から水への4電子還元反応と酸素から過酸化水素への2電子還元反応を合計したものである。一方、リングに流れた電流(iR)はディスクで発生した過酸化水素の一部がリングに捕捉され、酸素に酸化されることによって生じたものである。ここで、過酸化水素発生率を下記式により求めた。0.6Vの過酸化水素発生率を表2に示す。
過酸化水素発生率=200×(|iR|/N)/(|iD|+|iR|/N)
iD:ディスクに流れた電流
N :捕捉率(本装置ではN=0.372)
iR:リングに流れた電流
The current (iD) flowing through the disk is due to the oxygen reduction reaction on the oxygen reduction catalyst, and is the sum of the 4-electron reduction reaction from oxygen to water and the 2-electron reduction reaction from oxygen to hydrogen peroxide. . On the other hand, the current (iR) flowing through the ring is generated when a part of the hydrogen peroxide generated in the disk is captured by the ring and oxidized to oxygen. Here, the hydrogen peroxide generation rate was determined by the following formula. Table 2 shows the hydrogen peroxide generation rate of 0.6V.
Hydrogen peroxide generation rate = 200 × (| iR | / N) / (| iD | + | iR | / N)
iD: current flowing through the disk N: capture rate (N = 0.372 in this apparatus)
iR: current flowing in the ring

(DBP吸収量)
DBP吸収量は、JISK6217−4に規定の方法に従って測定した。装置としては吸収量測定器S−500(製品名、株式会社あさひ総研社製)を用いた。
(DBP absorption)
The DBP absorption was measured according to the method specified in JISK6217-4. As an apparatus, an absorption measuring device S-500 (product name, manufactured by Asahi Soken Co., Ltd.) was used.

(BET表面積)
BET表面積は、JISK6217−2に規定の方法に従って測定した。装置としては、日本ベル製、「Belsorp mini−II」を用いた。
(BET surface area)
The BET surface area was measured according to the method specified in JISK6217-2. As a device, “Belsorb mini-II” manufactured by Nippon Bell was used.

実施例および比較例で用いた、装置A、装置B、及び装置Cは、上述した図1〜3に示したである。   The devices A, B, and C used in the examples and comparative examples are shown in FIGS.

[実施例1]
ジアミノマレオニトリル0.4kg、塩化鉄(II)無水物0.91g、溶媒としてメタノール9.6kgを用意し、混合し原料Aを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン20m3/hr、空気263m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Aを10kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 1]
0.4 kg of diaminomaleonitrile, 0.91 g of iron (II) chloride anhydride, and 9.6 kg of methanol as a solvent were prepared and mixed to prepare a raw material A. Apparatus A was used to burn methane 20 m 3 / hr and air 263 m 3 / hr with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material A produced above was sprayed and reacted at 10 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the head of the combustion section to the most upstream part of the mixing section of 2 m, from the cooling section of 3 m from the furnace head Water was sprayed to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容した。炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス流通下で60分間かけて室温から975℃まで昇温し、975℃のまま1時間保持し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the recovered carbon material was placed on a quartz boat and accommodated in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm. The inside of the furnace was heated from room temperature to 975 ° C. over 60 minutes under an atmospheric pressure, 1 NL / min ammonia gas flow, and kept at 975 ° C. for 1 hour to obtain 0.2 g of a carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例2]
ジアミノマレオニトリル0.4kg、塩化コバルト(II)無水物0.88g、溶媒としてメタノール9.6kgを用意し、混合し原料Bを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン22m3/hr、空気287m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Bを10kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 2]
A raw material B was prepared by preparing 0.4 kg of diaminomaleonitrile, 0.88 g of cobalt (II) chloride anhydride, and 9.6 kg of methanol as a solvent and mixing them. Using the apparatus A, methane 22 m 3 / hr and air 287 m 3 / hr were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material B prepared above was sprayed and reacted at a rate of 10 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing part 2 m from the furnace head of the combustion part, from the cooling part 3 m from the furnace head Water was sprayed to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例3]
ジアミノマレオニトリル0.4kg、塩化ニッケル(II)0.89g、溶媒としてメタノール9.6kgを用意し、混合し原料Cを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン13m3/hr、空気167m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Cを10kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 3]
0.4 kg of diaminomaleonitrile, 0.89 g of nickel (II) chloride and 9.6 kg of methanol as a solvent were prepared and mixed to prepare a raw material C. Using the apparatus A, methane 13m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 167m 3 / hr. After the raw material C prepared above was sprayed and reacted at a rate of 10 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the head of the combustion section to the uppermost stream of the mixing section of 2 m, from the cooling section of 3 m from the head of the furnace. Water was sprayed to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例4]
ジアミノマレオニトリル6kg、塩化鉄(II)無水物13.6g、溶媒としてメタノール144kgを用意し、混合し原料A2を作製した。原料A2をスプレードライヤー(MDL−015MGC−S)で乾燥し平均粒子径3μmの粒子(原料A3)を3kg作製した。原料A3を2kgと水8kgを混合し、スラリー原料A4を作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン15m3/hr、空気206m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料A4を10kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 4]
6 kg of diaminomaleonitrile, 13.6 g of iron (II) chloride anhydride, and 144 kg of methanol as a solvent were prepared and mixed to prepare a raw material A2. The raw material A2 was dried by a spray dryer (MDL-015MGC-S) to produce 3 kg of particles (raw material A3) having an average particle diameter of 3 μm. 2 kg of raw material A3 and 8 kg of water were mixed to produce slurry raw material A4. Using the apparatus A, methane 15 m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 206m 3 / hr. After the raw material A4 prepared above was sprayed and reacted at a rate of 10 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the head of the combustion section to the most upstream part of the mixing section of 2 m, from the cooling section of 3 m from the furnace head Water was sprayed to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例5]
ピリジン1.9kg、塩化鉄(II)無水物4.3gを混合し250rpmで1時間撹拌して原料Dを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン11m3/hr、空気146m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Dを3.8kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 5]
1.9 kg of pyridine and 4.3 g of iron (II) chloride anhydride were mixed and stirred at 250 rpm for 1 hour to prepare a raw material D. Using the apparatus A, methane 11m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 146m 3 / hr. After the raw material D prepared above was sprayed and reacted at a rate of 3.8 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the head of the combustion section to the most upstream part of the mixing section of 2 m, it was cooled by 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the part to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例6]
ポリアクリロニトリル0.3kg、塩化鉄(II)無水物3.5g、N,N−ジメチルホルムアミド3kgを混合し80℃に加熱し250rpmで1時間撹拌して原料Eを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン9m3/hr、空気125m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Eを3.6kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 6]
Polyacrylonitrile 0.3 kg, iron (II) chloride anhydride 3.5 g, N, N-dimethylformamide 3 kg were mixed, heated to 80 ° C. and stirred at 250 rpm for 1 hour to prepare a raw material E. Using the apparatus A, methane 9m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 125m 3 / hr. The raw material E prepared above is sprayed at a rate of 3.6 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the furnace head of the combustion part to the most upstream part of the mixing part, and then cooled by 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the part to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例7]
アニリン2.1kg、塩化鉄(II)無水物4.8gを混合し250rpmで1時間撹拌して原料Fを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン13m3/hr、空気167m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Fを4.2kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 7]
The raw material F was produced by mixing 2.1 kg of aniline and 4.8 g of iron (II) chloride anhydride and stirring at 250 rpm for 1 hour. Using the apparatus A, methane 13m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 167m 3 / hr. The raw material F prepared above is sprayed at a rate of 4.2 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing part 2 m from the furnace head of the combustion part, and then cooled by 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the part to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例8]
アセトニトリル1.4kg、塩化鉄(II)無水物3.2gを混合し250rpmで1時間撹拌して原料Gを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン12m3/hr、空気160m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Gを2.8kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 8]
1.4 kg of acetonitrile and 3.2 g of iron (II) chloride anhydride were mixed and stirred at 250 rpm for 1 hour to prepare a raw material G. Using the apparatus A, methane 12 m 3 / hr and air 160 m 3 / hr were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material G prepared above was sprayed and reacted at a rate of 2.8 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the furnace head of the combustion section to the most upstream part of the mixing section 2 m, cooling was performed 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the part to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例9]
アクリロニトリル3.5kg、塩化鉄(II)無水物7.9gを混合し250rpmで1時間撹拌して原料Hを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン14m3/hr、空気183m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Hを3.5kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 9]
Acrylonitrile (3.5 kg) and iron (II) chloride anhydride (7.9 g) were mixed and stirred at 250 rpm for 1 hour to prepare a raw material H. Using the apparatus A, methane 14m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 183m 3 / hr. After the raw material H prepared above is sprayed and reacted at a rate of 3.5 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the head of the combustion section to the most upstream part of the mixing section of 2 m, cooling is performed 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the part to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例10]
メラミン0.6kg、塩化鉄(II)無水物1.4g、N,N−ジメチルホルムアミド5.4kgを混合し80℃に加熱し250rpmで1時間撹拌して原料Iを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン13m3/hr、空気170m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Iを6.0kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 10]
0.6 kg of melamine, 1.4 g of iron (II) chloride anhydride, and 5.4 kg of N, N-dimethylformamide were mixed, heated to 80 ° C., and stirred at 250 rpm for 1 hour to prepare a raw material I. Using the apparatus A, methane 13m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 170m 3 / hr. After the raw material I prepared above was sprayed and reacted at 6.0 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing part 2 m from the furnace head of the combustion part, it was cooled 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the part to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例11]
N−メチルピロリドン5kg、塩化鉄(II)無水物11.3gを混合し250rpmで1時間撹拌して原料Jを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン11m3/hr、空気151m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Jを5kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 11]
5 kg of N-methylpyrrolidone and 11.3 g of iron (II) chloride anhydride were mixed and stirred at 250 rpm for 1 hour to prepare a raw material J. Using the apparatus A, methane 11 m 3 / hr and air 151 m 3 / hr were combusted with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material J prepared above was sprayed and reacted at a rate of 5 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the head of the combustion section to the uppermost mixing section of 2 m, from the cooling section of 3 m from the furnace head. Water was sprayed to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例12]
装置Bを使用し、燃焼部の燃料バーナーで下記表1の組成の天然ガス9m3/hr、空気133m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例5で作製した原料Dを3.8kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1100℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 12]
Using the apparatus B, natural gas 9m 3 / hr and air 133m 3 / hr having the composition shown in Table 1 below were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material D prepared in Example 5 was sprayed and reacted at a rate of 3.8 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing unit 2 m from the furnace head of the combustion unit, 3 m from the furnace head The product was cooled by spraying water from the cooling part. The temperature of the reaction part was 1100 degreeC. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

Figure 2016183084
Figure 2016183084

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例13]
装置Bを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン12m3/hr、空気180m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例4で作製したスラリー原料A4を10kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 13]
By using the apparatus B, methane 12 m 3 / hr and air 180 m 3 / hr were combusted with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. The slurry raw material A4 prepared in Example 4 was sprayed at a rate of 10 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the furnace head of the combustion part to the most upstream part of the mixing part 2 m, and then reacted 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the cooling section to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例14]
ピリジン2.5kg、塩化鉄(II)無水物5.7gを混合し250rpmで1時間撹拌して原料Kを作製した。装置Bを使用し、燃焼部の燃料バーナーで表1の組成の天然ガス6m3/hr、空気86m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Kを2.5kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は600℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 14]
2.5 kg of pyridine and 5.7 g of iron (II) chloride anhydride were mixed and stirred at 250 rpm for 1 hour to prepare a raw material K. Using the apparatus B, natural gas 6m 3 / hr and air 86m 3 / hr having the composition shown in Table 1 were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material K prepared above was sprayed and reacted at a rate of 2.5 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing part 2 m from the furnace head of the combustion part, it was cooled 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the part to cool the product. The temperature of the reaction part was 600 degreeC. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表2に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 2.

[実施例15]
ピリジン4.9kg、塩化鉄(II)無水物11.1gを混合し250rpmで1時間撹拌して原料Lを作製した。装置Bを使用し、燃焼部の燃料バーナーで表1の組成の天然ガス15m3/hr、空気224m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から上記で作製した原料Lを4.9kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1200℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 15]
A raw material L was prepared by mixing 4.9 kg of pyridine and 11.1 g of iron (II) chloride anhydride and stirring at 250 rpm for 1 hour. Using the apparatus B, natural gas of 15 m 3 / hr and air of 224 m 3 / hr having the composition shown in Table 1 were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material L prepared above is sprayed and reacted at 4.9 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the head of the combustion section to the most upstream part of the mixing section of 2 m, cooling is performed 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the part to cool the product. The temperature of the reaction part was 1200 degreeC. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例16]
装置Bを使用し、燃焼部の燃料バーナーで表1の組成の天然ガス6m3/hr、空気86m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例6で作製した原料Eを5.7kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は900℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 16]
Using the apparatus B, natural gas 6m 3 / hr and air 86m 3 / hr having the composition shown in Table 1 were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material E produced in Example 6 was sprayed and reacted at 5.7 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing unit 2 m from the furnace head of the combustion unit, 3 m from the furnace head The product was cooled by spraying water from the cooling part. The temperature of the reaction part was 900 degreeC. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例17]
装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでC重油10kg/hr、空気150m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例5で作製した原料Dを3.8kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 17]
Using the apparatus A, 10 kg / hr C heavy oil and 150 m 3 / hr air were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material D prepared in Example 5 was sprayed and reacted at a rate of 3.8 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing unit 2 m from the furnace head of the combustion unit, 3 m from the furnace head The product was cooled by spraying water from the cooling part. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例18]
装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでC重油13kg/hr、空気189m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例6で作製した原料Eを5.7kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1100℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 18]
Using the apparatus A, 13 kg / hr C heavy oil and 189 m 3 / hr air were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material E produced in Example 6 was sprayed and reacted at 5.7 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing unit 2 m from the furnace head of the combustion unit, 3 m from the furnace head The product was cooled by spraying water from the cooling part. The temperature of the reaction part was 1100 degreeC. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例19]
装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでC重油13kg/hr、空気183m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例4で作製したスラリー原料A4を10kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 19]
Using the apparatus A, 13 kg / hr C heavy oil and 183 m 3 / hr air were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. The slurry raw material A4 prepared in Example 4 was sprayed at a rate of 10 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the furnace head of the combustion part to the most upstream part of the mixing part 2 m, and then reacted 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the cooling section to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例20]
装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでC重油11kg/hr、空気161m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例1で作製した原料Aを10kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 20]
Using apparatus A, 11 kg / hr C heavy oil and 161 m 3 / hr air were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material A produced in Example 1 was sprayed at a rate of 10 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing part 2 m from the furnace head of the combustion part, it was cooled by 3 m from the furnace head. Water was sprayed from the part to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例21]
装置Cを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン4m3/hr、空気60m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの温度調整部に窒素を4m3/hrで混合し、さらに1m後流の混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例5で作製した原料Dを3.8kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は900℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 21]
Using the device C, the methane 4m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 60 m 3 / hr. Nitrogen was mixed at 4 m 3 / hr from the furnace head of the combustion section to a temperature adjustment section of 2 m, and the raw material D produced in Example 5 from the direction perpendicular to the combustion gas flow at the most upstream mixing section of 1 m downstream Was sprayed at 3.8 kg / hr for reaction, and then water was sprayed from the cooling section of 3 m from the top of the furnace to cool the product. The temperature of the reaction part was 900 degreeC. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例22]
装置Cを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン5m3/hr、空気50m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの温度調整部に水を2.5kg/hrで混合し、さらに1m後流の混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例5で作製した原料Dを3.8kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は900℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 22]
Using the device C, the methane 5 m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 50 m 3 / hr. The raw material prepared in Example 5 from the direction perpendicular to the combustion gas flow into the uppermost stream part of the mixing part of 1 m downstream from the furnace head of the combustion part at a temperature adjustment part of 2 m mixed with water at 2.5 kg / hr. After D was sprayed and reacted at 3.8 kg / hr, water was sprayed from a cooling part of 3 m from the top of the furnace to cool the product. The temperature of the reaction part was 900 degreeC. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. Table 3 shows the results.

[実施例23]
装置Cを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン5m3/hr、空気51m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの温度調整部に水を2.6kg/hrで混合し、さらに1m後流の混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例5で作製した原料Dを3.8kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3.5mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は900℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 23]
Using the device C, the methane 5 m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 51m 3 / hr. The raw material prepared in Example 5 from the direction perpendicular to the combustion gas flow in the mixing part uppermost part of the 1m wake mixing part at a temperature adjustment part of 2m from the furnace head of the combustion part mixed at 2.6kg / hr. After D was sprayed and reacted at 3.8 kg / hr, water was sprayed from a cooling section of 3.5 m from the top of the furnace to cool the product. The temperature of the reaction part was 900 degreeC. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料について、熱処理は行わなかった。各測定の結果を表3に示す。   The recovered carbon material was not heat-treated. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例24]
装置Cを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン5m3/hr、空気56m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの温度調整部に二酸化炭素を2.8m3/hrで混合し、さらに1m後流の混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例5で作製した原料Dを3.8kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は900℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 24]
Using the device C, the methane 5 m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 56m 3 / hr. Carbon dioxide is mixed at 2.8 m 3 / hr from the furnace head of the combustion section to the temperature adjustment section of 2 m, and further produced in Example 5 from the direction perpendicular to the combustion gas flow at the most upstream mixing section of 1 m downstream. After the raw material D was sprayed and reacted at 3.8 kg / hr, water was sprayed from a 3 m cooling section from the top of the furnace to cool the product. The temperature of the reaction part was 900 degreeC. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例25]
装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン10m3/hr、空気105m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例5で作製した原料Dを3.8kg/hrで噴霧するとともにアセチレン1.5kg/hrを混合して反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 25]
Using the apparatus A, methane 10 m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 105m 3 / hr. The raw material D produced in Example 5 was sprayed at 3.8 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing unit 2 m from the furnace head of the combustion unit, and 1.5 kg / hr of acetylene was mixed. After the reaction, water was sprayed from a cooling part 3 m from the top of the furnace to cool the product. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例26]
装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン4m3/hr、空気48m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例5で作製した原料Dを1.2kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は800℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 26]
Using the apparatus A, methane 4 m 3 / hr and air 48 m 3 / hr were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After the raw material D produced in Example 5 was sprayed and reacted at 1.2 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the furnace head of the combustion section to the most upstream part of the mixing section 2 m, 3 m from the furnace head. The product was cooled by spraying water from the cooling part. The temperature of the reaction part was 800 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、熱処理工程後の炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material after the heat treatment step. The results of each measurement are shown in Table 3.

[実施例27]
ピリジン1.9kg、塩化鉄(II)無水物1.2gを混合し250rpmで1時間撹拌して原料Jを作製した。装置Aを使用し、燃焼部の燃料バーナーでメタン59m3/hr、空気785m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向から実施例5で作製した原料Dを6.8kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1500℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Example 27]
1.9 kg of pyridine and 1.2 g of iron (II) chloride anhydride were mixed and stirred at 250 rpm for 1 hour to prepare a raw material J. Using the apparatus A, methane 59m 3 / hr at a fuel burner in the combustion section, caused a high-temperature gas by combustion of air 785m 3 / hr. The raw material D prepared in Example 5 was sprayed and reacted at 6.8 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow to the most upstream part of the mixing part 2 m from the furnace head of the combustion part, and then 3 m from the furnace head. The product was cooled by spraying water from the cooling part. The temperature of the reaction part was 1500 degreeC. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料について、熱処理は行わなかった。各測定の結果を表3に示す。   The recovered carbon material was not heat-treated. The results of each measurement are shown in Table 3.

[比較例1]
燃焼部の燃料バーナーでメタン10m3/hr、空気140m3/hrを燃焼させ高温のガスを発生させた。燃焼部の炉頭部から2mの混合部最上流部に燃焼ガス流に対し直角方向からピリジンを3.8kg/hrで噴霧し反応させた後、炉頭部より3mの冷却部より水を噴霧し生成物を冷却した。反応部の温度は1000℃であった。冷却された炭素材料は、バッグフィルターでガスと分離することにより分離回収した。
[Comparative Example 1]
Methane 10 m 3 / hr and air 140 m 3 / hr were burned with a fuel burner in the combustion section to generate high-temperature gas. After pyridine is sprayed at a rate of 3.8 kg / hr from the direction perpendicular to the combustion gas flow from the furnace head of the combustion section to the most upstream part of the mixing section of 2 m, water is sprayed from the cooling section of 3 m from the furnace head. The product was cooled. The temperature of the reaction part was 1000 ° C. The cooled carbon material was separated and recovered by separating it from gas with a bag filter.

回収した炭素材料1gを実施例1と同様の方法で熱処理し、炭素材料0.2gを得た。各測定の結果を表3に示す。   1 g of the collected carbon material was heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain 0.2 g of the carbon material. The results of each measurement are shown in Table 3.

上記実施例により、高い電気化学特性を有する炭素材料を、連続的に多量に製造可能であることが分かった。   According to the above examples, it was found that a carbon material having high electrochemical characteristics can be continuously produced in large quantities.

Figure 2016183084
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Figure 2016183084
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本発明の炭素材料の製造方法は、燃料電池用電極として用いることのできる炭素材料の製造方法として産業上の利用可能性を有する。   The method for producing a carbon material of the present invention has industrial applicability as a method for producing a carbon material that can be used as an electrode for a fuel cell.

1…燃焼部
2…混合反応部
3…冷却部
4…燃料バーナー
5…Air導入口
6…原料供給ノズル
7…冷却水供給ノズル
8…燃焼部
9…混合部
10…反応部
11…冷却部
12…燃料バーナー
13…Air導入口
14…原料供給ノズル
15…冷却水供給ノズル
16…燃焼部
17…温度調節部
18…混合反応部
19…冷却部
20…燃料バーナー
21…Air導入口
22…冷却剤供給ノルズ
23…原料供給ノズル
24…冷却水供給ノズル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Combustion part 2 ... Mixing reaction part 3 ... Cooling part 4 ... Fuel burner 5 ... Air inlet 6 ... Raw material supply nozzle 7 ... Cooling water supply nozzle 8 ... Combustion part 9 ... Mixing part 10 ... Reaction part 11 ... Cooling part 12 ... fuel burner 13 ... Air inlet 14 ... raw material supply nozzle 15 ... cooling water supply nozzle 16 ... combustion part 17 ... temperature control part 18 ... mixing reaction part 19 ... cooling part 20 ... fuel burner 21 ... Air inlet 22 ... coolant Supply nozzle 23 ... Raw material supply nozzle 24 ... Cooling water supply nozzle

Claims (15)

燃料及び酸素を含む混合ガスを燃焼させた、600℃〜1900℃の燃焼ガス中で、炭素原子と、窒素原子と、遷移金属原子と、を含む原料を、熱分解反応又は燃焼反応させることにより、前記窒素原子及び前記遷移金属原子を含む炭素材料を得る反応工程を有する、炭素材料の製造方法。   By subjecting a raw material containing carbon atoms, nitrogen atoms, and transition metal atoms to a pyrolysis reaction or a combustion reaction in a combustion gas of 600 ° C. to 1900 ° C. in which a mixed gas containing fuel and oxygen is burned. The manufacturing method of a carbon material which has the reaction process of obtaining the carbon material containing the said nitrogen atom and the said transition metal atom. 前記炭素材料中において、前記炭素原子に対する前記窒素原子の原子比N/Cが、0.001以上である、請求項1に記載の炭素材料の製造方法。   The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein in the carbon material, an atomic ratio N / C of the nitrogen atom to the carbon atom is 0.001 or more. 前記遷移金属原子が、Fe、Co、及びNiからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、請求項1又は2に記載の炭素材料の製造方法。   The method for producing a carbon material according to claim 1 or 2, wherein the transition metal atom includes at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. 前記原料中において、前記遷移金属原子が、錯体を形成した状態である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。   The manufacturing method of the carbon material as described in any one of Claims 1-3 which is the state in which the said transition metal atom formed the complex in the said raw material. 前記炭素材料中において、前記炭素原子に対する前記遷移金属原子の原子比M/Cが、0.0001以上である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。   The manufacturing method of the carbon material as described in any one of Claims 1-4 whose atomic ratio M / C of the said transition metal atom with respect to the said carbon atom is 0.0001 or more in the said carbon material. 前記原料が、第1〜3級アミン類、アミド類、イミン類、イミド類、ニトリル類、アジド類、アジリジン類、アゾ類、ジアゾ類、イソシアナート類、イソシアニド類、エナミン類、オキシム類、カルバメート類、ニトロ類、ニトロソ類、ヒドラジン類、及びラクタム類からなる群より選択される少なくとも一種を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。   The raw materials are primary to tertiary amines, amides, imines, imides, nitriles, azides, aziridines, azos, diazos, isocyanates, isocyanides, enamines, oximes, carbamates. The manufacturing method of the carbon material as described in any one of Claims 1-5 containing at least 1 type selected from the group which consists of nitro, nitros, nitroso, hydrazine, and lactams. 前記反応工程前または、前記反応工程中において、
前記燃焼ガスと、不燃性のガス又は液体と、を混合して前記燃焼ガスの温度を600℃〜1900℃に調整する温度調整工程を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。
Before or during the reaction step,
The said combustion gas and a nonflammable gas or a liquid are mixed, The temperature adjustment process of adjusting the temperature of the said combustion gas to 600 to 1900 degreeC is included. A method for producing a carbon material.
前記不燃性のガスが、水蒸気であり、
前記液体が、水である、請求項7に記載の炭素材料の製造方法。
The nonflammable gas is water vapor;
The method for producing a carbon material according to claim 7, wherein the liquid is water.
前記原料が、アセチレンを含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。   The manufacturing method of the carbon material as described in any one of Claims 1-8 in which the said raw material contains acetylene. 前記原料が、前記窒素原子を含む化合物と、該化合物を溶解させる溶媒と、を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。   The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein the raw material includes a compound containing the nitrogen atom and a solvent for dissolving the compound. 前記溶媒が、窒素原子を含む、請求項10に記載の炭素材料の製造方法。   The method for producing a carbon material according to claim 10, wherein the solvent contains a nitrogen atom. 前記原料が、不溶成分と溶媒を含むスラリー状である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法。   The manufacturing method of the carbon material as described in any one of Claims 1-11 whose said raw material is a slurry form containing an insoluble component and a solvent. 請求項1〜12のいずれか一項に記載の炭素材料の製造方法により得られた、炭素材料。   The carbon material obtained by the manufacturing method of the carbon material as described in any one of Claims 1-12. DBP吸収量が、50mL/100g以上である、請求項13に記載の炭素材料。   The carbon material according to claim 13, wherein the DBP absorption amount is 50 mL / 100 g or more. 請求項13又は14に記載の炭素材料を含む、燃料電池用電極。   The electrode for fuel cells containing the carbon material of Claim 13 or 14.
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