JP2018048368A - Production method of amorphous carbon, and amorphous carbon - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly-durable catalyst material having high activity in an oxygen reduction reaction.SOLUTION: In a production method of amorphous carbon containing nitrogen, raw material gas containing a first compound which is nitrile, amide and amine having a specific structure, and a second compound which is a heterocyclic compound containing one or two or more nitrogen atoms in the ring is introduced into a reaction vessel, and the raw material gas is reacted in the reaction vessel, to thereby deposit the amorphous carbon containing nitrogen on a substrate installed in the reaction vessel.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

窒素を含有するアモルファスカーボンの製造方法、該製造方法により得られるアモルファスカーボン、及び該アモルファスカーボンを含む触媒等に関する。   The present invention relates to a method for producing nitrogen-containing amorphous carbon, amorphous carbon obtained by the production method, a catalyst containing the amorphous carbon, and the like.

現在、高活性かつ低コストな光・電気化学触媒材料の開発は、エネルギー問題や環境問題の進展に伴い急務となっている。例えば、酸素と水素を使用し生成物が水だけであるため、クリーンな発電装置として期待されている固体高分子燃料電池(PFFC)では、一般的に白金が触媒として使われている。しかし、白金表面での酸素還元反応速度(O+4H+4e→2HO)は比較的低いため、多量の白金触媒が必要となる。燃料電池自動車を例にとると1台あたり100gの白金が必要とされ、これは、コストが高く経済的な面及び資源的な面からみて現実的な値ではなく、固体高分子燃料電池の実用化に向けての大きな障害となっている。また、白金は有機物などによって被毒されてしまい、電極として利用した場合に反応性の低下が起こり長期作動信頼性にも問題がある。そこで、白金を使用しない触媒の開発が望まれている。 Currently, the development of highly active and low-cost photo / electrochemical catalyst materials has become an urgent task with the progress of energy problems and environmental problems. For example, since oxygen and hydrogen are used and the product is only water, platinum is generally used as a catalyst in a solid polymer fuel cell (PFFC) that is expected as a clean power generation device. However, since the oxygen reduction reaction rate (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O) on the platinum surface is relatively low, a large amount of platinum catalyst is required. Taking a fuel cell vehicle as an example, 100 g of platinum is required per vehicle, which is not a realistic value in terms of cost and economy and resources, and is practical for a solid polymer fuel cell. It has become a major obstacle to the transformation. In addition, platinum is poisoned by organic matter and the like, and when used as an electrode, the reactivity is lowered and there is a problem in long-term operation reliability. Therefore, development of a catalyst that does not use platinum is desired.

そのため、炭素粒子に白金を担持した触媒が提案されているが、これは白金を使用することにかわりはなく大きなコスト低下は期待できない。また、炭素材料そのものを触媒として使用することも検討され、グラフェンのエッジにキノリジニウム構造を導入した材料が報告されている(非特許文献1)。しかし、グラフェンやグラフェンが積層したグラファイトでは、エッジの数が少なく、酸素還元反応の反応点となるキノリジニウム構造を多く導入することができない。また、グラファイトは層間が酸化され剥離するため、長時間の使用に対する耐久性が低い等の問題がある。一方、ダイヤモンドライクカーボンに窒素を添加して導電性を付与することが提案されているが(非特許文献2、特許文献1)、得られるダイヤモンドライクカーボンの酸素還元反応性は低く、触媒として使用することは難しかった。   For this reason, a catalyst in which platinum is supported on carbon particles has been proposed, but this does not replace the use of platinum, and a large cost reduction cannot be expected. In addition, the use of a carbon material itself as a catalyst has been studied, and a material in which a quinolizinium structure is introduced at the edge of graphene has been reported (Non-Patent Document 1). However, graphene or graphene-laminated graphite has a small number of edges, and cannot introduce a large amount of quinolizinium structure as a reaction point for the oxygen reduction reaction. Moreover, since graphite is oxidized and peeled off, graphite has problems such as low durability for long-term use. On the other hand, it has been proposed to add conductivity to diamond-like carbon by adding nitrogen (Non-patent Document 2, Patent Document 1), but the resulting diamond-like carbon has low oxygen reduction reactivity and is used as a catalyst. It was difficult to do.

特開2008−189997号公報JP 2008-189997 A

Haibo Wang et.al.ACS Ctal.,2,781−794,(2012)Haibo Wang et. al. ACS Ctal. , 2, 781-794, (2012) Yoriko Tanaka et.al.,Electrochimica Acta,56(3),1172−1181(2011)Yoriko Tanaka et. al. Electrochimica Acta, 56 (3), 1172-1181 (2011).

本発明の課題は、上記問題を解決し、酸素還元反応の活性が高く、耐久性の高い触媒材料を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a highly durable catalyst material having high oxygen reduction reaction activity.

本発明者は、従来から炭素材料の研究を行ってきた。そして、アモルファスカーボンに窒素を添加すると導電性を付与できることを見いだした(特許文献1)。そこで、白金を使用しない酸素還元触媒の開発を行うにあたり、アモルファスカーボンに触媒活性を付与できないかと考え様々な検討を行った。その結果、sp混成軌道結合からなる相(グラファイト構造相)とsp混成軌道結合からなる相(ダイヤモンド構造相)とからなるアモルファスカーボンの合成時に、sp混成軌道結合からなるクラスター相(以下、spCクラスターともいう。)にキノリジニウム構造を導入できることを見いだした。そして、合成過程の条件を調整することにより、spクラスターの大きさとキノリジニウム構造の導入割合を調整することができ、酸素還元反応の活性が高いアモルファスカーボンが得られることを見いだした。また、こうして得られたアモルファスカーボンは、酸素還元反応の活性が高く、耐久性に優れた触媒として使用できることを見いだした。 The present inventor has conventionally studied carbon materials. And it discovered that electroconductivity could be provided if nitrogen was added to amorphous carbon (patent document 1). Therefore, in developing an oxygen reduction catalyst that does not use platinum, various studies were conducted on the possibility of imparting catalytic activity to amorphous carbon. As a result, when an amorphous carbon composed of a phase composed of sp 2 hybrid orbital bonds (graphite structural phase) and a phase composed of sp 3 hybrid orbital bonds (diamond structural phase) is synthesized, a cluster phase composed of sp 2 hybrid orbital bonds (hereinafter referred to as “cluster phase”). , Also referred to as sp 2 C cluster). The inventors have found that by adjusting the conditions of the synthesis process, the size of the sp 2 cluster and the introduction ratio of the quinolizinium structure can be adjusted, and amorphous carbon having high oxygen reduction reaction activity can be obtained. Further, it has been found that the amorphous carbon thus obtained has a high activity of oxygen reduction reaction and can be used as a catalyst having excellent durability.

すなわち、本発明は以下に示す事項により特定されるものである。
(1)式(I)、(II)又は(III)で表される第1の化合物と、環内に窒素原子を1個又は2個以上含む複素環式化合物である第2の化合物とを含む原料ガスを反応容器内に導入し、前記原料ガスを前記反応容器内で反応させて、窒素を含有するアモルファスカーボンを反応容器内に設置した基板上に堆積させることを特徴とする窒素を含有するアモルファスカーボンの製造方法。
(式(I)〜(III)中、R、R、R、R、R、R及びRは、H又は置換基を有してもよいアルキル基を表し、それぞれの式中で同一でも異なっていてもよい。)
(2)原料ガスをプラズマ化させることを特徴とする上記(1)記載のアモルファスカーボンの製造方法。
(3)第2の化合物が、六員環からなる単環式芳香族化合物又は2個若しくは3個の六員環の縮合環からなる二環式若しくは三環式芳香族化合物であることを特徴とする上記(1)又は(2)記載のアモルファスカーボンの製造方法。
(4)第2の化合物が、ピリジン、ピラジン及びトリアジンからなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載のアモルファスカーボンの製造方法。
(5)式(I)、(II)又は(III)で表される第1の化合物と、環内に窒素原子を1個又は2個以上含む複素環式化合物である第2の化合物とを含む原料ガスを反応容器内に導入し、前記原料ガスを反応容器内でプラズマ化して反応させ、反応容器内に設置した基板上に堆積させて得られる窒素を含有するアモルファスカーボン。
(式(I)〜(III)中、R、R、R、R、R、R及びRは、H又は置換基を有してもよいアルキル基を表し、それぞれの式中で同一でも異なっていてもよい。)
(6)キノリジニウム構造を有し、対流ボルタンメトリー測定から算出される酸素還元反応に対する反応電子数が1.5以上であることを特徴とする窒素を含有するアモルファスカーボン。
(7)上記(5)又は(6)記載の窒素を含有するアモルファスカーボンを含む触媒。
(8)キノリジニウム構造を有するアモルファスカーボン酸素還元触媒。
(9)上記(7)又は(8)記載の触媒を備える電極。
That is, the present invention is specified by the following items.
(1) A first compound represented by the formula (I), (II) or (III) and a second compound which is a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms in the ring. Containing nitrogen, characterized in that a source gas containing is introduced into a reaction vessel, the source gas is reacted in the reaction vessel, and amorphous carbon containing nitrogen is deposited on a substrate placed in the reaction vessel A method for producing amorphous carbon.
(In the formulas (I) to (III), R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 represent H or an alkyl group which may have a substituent. May be the same or different.)
(2) The method for producing amorphous carbon as described in (1) above, wherein the source gas is turned into plasma.
(3) The second compound is a monocyclic aromatic compound composed of a six-membered ring or a bicyclic or tricyclic aromatic compound composed of a condensed ring of two or three six-membered rings. The method for producing amorphous carbon according to (1) or (2) above.
(4) The method for producing amorphous carbon as described in any one of (1) to (3) above, wherein the second compound is at least one selected from the group consisting of pyridine, pyrazine and triazine.
(5) A first compound represented by formula (I), (II) or (III) and a second compound which is a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms in the ring. Amorphous carbon containing nitrogen obtained by introducing a raw material gas into a reaction vessel, converting the raw material gas into plasma in the reaction vessel, reacting it, and depositing it on a substrate placed in the reaction vessel.
(In the formulas (I) to (III), R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 represent H or an alkyl group which may have a substituent. May be the same or different.)
(6) A nitrogen-containing amorphous carbon having a quinolizinium structure and having a reaction electron number for an oxygen reduction reaction calculated from convective voltammetry measurement of 1.5 or more.
(7) The catalyst containing the amorphous carbon containing nitrogen as described in said (5) or (6).
(8) An amorphous carbon oxygen reduction catalyst having a quinolizinium structure.
(9) An electrode comprising the catalyst according to (7) or (8) above.

本発明のアモルファスカーボンの製造方法は、アモルファスカーボンにキノリジニウム構造を効果的に導入することができ、酸素還元反応の活性が高いアモルファスカーボンを製造することができる。また、本発明のアモルファスカーボンは、酸素還元反応の活性が高く、耐久性が高い。そのため酸素還元反応の活性が高く、耐久性に優れた触媒として使用できる。   The method for producing amorphous carbon of the present invention can effectively introduce a quinolizinium structure into amorphous carbon, and can produce amorphous carbon having high oxygen reduction reaction activity. In addition, the amorphous carbon of the present invention has high oxygen reduction reaction activity and high durability. Therefore, it can be used as a catalyst having high activity of oxygen reduction reaction and excellent durability.

本発明のアモルファスカーボンに導入されたキノリジニウム構造部位への酸素吸着を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows oxygen adsorption | suction to the quinolizinium structure site | part introduce | transduced into the amorphous carbon of this invention. 実施例8で得られたアモルファスカーボンのXPS測定結果を示す図である。It is a figure which shows the XPS measurement result of the amorphous carbon obtained in Example 8. 実施例8で得られたアモルファスカーボンのXPS測定結果を示す図である。It is a figure which shows the XPS measurement result of the amorphous carbon obtained in Example 8. 実施例8で得られたアモルファスカーボンのラマンスペクトルを示す図である。6 is a diagram showing a Raman spectrum of amorphous carbon obtained in Example 8. FIG. 実施例7で得られたアモルファスカーボンについて、対流ボルタンメトリー測定を1セットを50回サイクルとして3セット行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed 3 sets of convective voltammetry measurement by making 1 set into 50 cycles about the amorphous carbon obtained in Example 7. FIG. 実施例8及び比較例1でそれぞれ得られたアモルファスカーボン、並びにグラッシーカーボン及びプラチナを用いた対流ボルタンメトリー測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the convective voltammetry measurement using the amorphous carbon obtained by Example 8 and Comparative Example 1, respectively, glassy carbon, and platinum.

本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンの製造方法は、式(I)、(II)又は(III)で表される第1の化合物と、環内に窒素原子を1個又は2個以上含む複素環式化合物である第2の化合物とを含む原料ガスを反応容器内に導入し、前記原料ガスを反応容器内で反応させて、窒素を含有するアモルファスカーボンを反応容器内に設置した基板上に堆積させることを特徴とする。   The method for producing nitrogen-containing amorphous carbon of the present invention includes a first compound represented by the formula (I), (II) or (III) and a complex containing one or more nitrogen atoms in the ring. A raw material gas containing a second compound, which is a cyclic compound, is introduced into a reaction vessel, the raw material gas is reacted in the reaction vessel, and amorphous carbon containing nitrogen is placed on the substrate placed in the reaction vessel. It is characterized by depositing.

式(I)〜(III)中、R、R、R、R、R、R及びRは、H又は置換基を有してもよいアルキル基を表し、それぞれの式中で同一でも異なっていてもよい。前記アルキル基は、特に限定されるものではないが、例えば、炭素数が1〜6のアルキル基を挙げることができる。炭素数が1〜6のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、t−ペンチル基、n−へキシル基、イソへキシル基等を挙げることができる。前記置換基としては、特に限定されるものではないが、例えば、カルボキシル基、アミド基、イミド基、エステル基、水酸基等を挙げることができる。本発明では、第1の化合物は、アモルファスカーボンを合成しやすくするだけでなく、アモルファスカーボン中に3つのsp混成炭素と結合する窒素を導入し、前記窒素上に余る電子によるホッピング伝導を利用してアモルファスカーボンに導電性を付与する働きをする。触媒として固体高分子燃料電池等の電極に使用する場合、導電性が高い方が電極としての性能が向上すると考えられる。そのため、第1の化合物としては、窒素原子を含みsp混成炭素からなる化合物が好ましく、ニトリル、アミド及びアミンにおいて、有機基をアルキル基とした式(I)〜(III)で表される化合物を使用している。また、炭素数が小さい方が窒素を導入しやすい傾向があるため、式(I)で表される化合物におけるR、式(II)で表される化合物におけるR〜Rの少なくとも一つ、及び式(III)で表される化合物におけるR〜Rの少なくとも一つは、メチル基、エチル基、又はプロピル基であることが好ましい。 In formulas (I) to (III), R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 represent H or an optionally substituted alkyl group, May be the same or different. Although the said alkyl group is not specifically limited, For example, a C1-C6 alkyl group can be mentioned. Examples of the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms include methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, t-butyl group, n-pentyl group, and isopentyl group. Group, neopentyl group, t-pentyl group, n-hexyl group, isohexyl group and the like. Although it does not specifically limit as said substituent, For example, a carboxyl group, an amide group, an imide group, an ester group, a hydroxyl group etc. can be mentioned. In the present invention, the first compound not only facilitates the synthesis of amorphous carbon, but also introduces hopping conduction by electrons remaining on the nitrogen by introducing nitrogen bonded to three sp 3 hybrid carbons into the amorphous carbon. Thus, it serves to impart conductivity to the amorphous carbon. When used for an electrode of a polymer electrolyte fuel cell or the like as a catalyst, it is considered that the higher the conductivity, the better the performance as an electrode. Therefore, as the first compound, a compound containing a nitrogen atom and comprising sp 3 hybrid carbon is preferable, and compounds represented by formulas (I) to (III) in which an organic group is an alkyl group in nitrile, amide and amine Is used. Moreover, since the one where carbon number is smaller tends to introduce nitrogen, at least one of R 1 to R 3 in the compound represented by R, R in the compound represented by the formula (II), And at least one of R 4 to R 6 in the compound represented by Formula (III) is preferably a methyl group, an ethyl group, or a propyl group.

第1の化合物である式(I)〜(III)で表される化合物は、特に限定されるものではないが、例えば、式(I)で表される化合物としては、シアン化水素、アセトニトリル、エタンシアニド、プロパンシアニド等を挙げることができ、式(II)で表される化合物としては、ホルムアミド、アセトアミド等を挙げることができ、式(III)で表される化合物としては、メチルアミン、エチルアミン等を挙げることができる。なかでも、アセトニトリル、メチルアミンが好ましい。   The compounds represented by the formulas (I) to (III) as the first compound are not particularly limited, but examples of the compound represented by the formula (I) include hydrogen cyanide, acetonitrile, ethanecyanide, Examples of the compound represented by the formula (II) include formamide and acetamide. Examples of the compound represented by the formula (III) include methylamine and ethylamine. Can be mentioned. Of these, acetonitrile and methylamine are preferred.

第2の化合物としては、環内に窒素原子を1個又は2個以上含む複素環式化合物であれば、特に限定されるものではなく、窒素原子を1個含んでいてもよく、2個以上含んでいてもよい。また、単環式化合物及び多環式化合物のいずれでもよく、多環式化合物は縮合環式化合物であってもよい。また、置換基を有していてもよい。本発明では、第2の化合物は、アモルファスカーボン中のspCクラスターにキノリジニウム構造を形成する働きをする。spCクラスターを形成し、キノリジニウム構造を形成しやすくする観点から、不飽和結合を有する複素環式芳香族化合物が好ましく、六員環を有する化合物が好ましい。六員環中で炭素と窒素がsp結合で結合しつつ、分子サイズが小さいものの方が窒素原子をspCクラスター中に導入しやすいとの観点から、六員環からなる化合物又は2個若しくは3個の六員環の縮合環からなる化合物が好ましい。一個の六員環からなる、環内に窒素原子を1個又は2個以上含む単環式の複素環式芳香族化合物としては、例えば、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、テトラジン等を挙げることができる。また、二個の六員環の縮合環からなる、環内に窒素原子を1個又は2個以上含む二環式の複素環式芳香族化合物としては、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン等を挙げることができ、三個の六員環の縮合環からなる、環内に窒素原子を1個又は2個以上含む三環式の複素環式芳香族化合物としては、フェナントロリン、アクリジン等を挙げることができる。なかでも、ピリジン、ピラジン及びトリアジンが好ましい。 The second compound is not particularly limited as long as it is a heterocyclic compound containing one or two or more nitrogen atoms in the ring, and may contain one or more nitrogen atoms. May be included. Moreover, any of a monocyclic compound and a polycyclic compound may be sufficient, and a polycyclic compound may be a condensed cyclic compound. Moreover, you may have a substituent. In the present invention, the second compound functions to form a quinolizinium structure in sp 2 C clusters in amorphous carbon. From the viewpoint of forming an sp 2 C cluster and easily forming a quinolizinium structure, a heterocyclic aromatic compound having an unsaturated bond is preferable, and a compound having a six-membered ring is preferable. A compound consisting of a six-membered ring or two compounds, in which carbon and nitrogen are bonded by an sp 2 bond in a six-membered ring and a molecule having a smaller molecular size is easier to introduce a nitrogen atom into the sp 2 C cluster. Or the compound which consists of a condensed ring of three 6-membered rings is preferable. Examples of monocyclic heteroaromatic compounds composed of one 6-membered ring and containing one or more nitrogen atoms in the ring include pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, triazine, tetrazine and the like. be able to. In addition, bicyclic heterocyclic aromatic compounds composed of two 6-membered condensed rings and containing one or more nitrogen atoms in the ring include quinoline, isoquinoline, quinoxaline, quinazoline, cinnoline, etc. Examples of the tricyclic heterocyclic aromatic compound composed of three six-membered condensed rings and containing one or more nitrogen atoms in the ring include phenanthroline and acridine. be able to. Of these, pyridine, pyrazine and triazine are preferable.

本発明の製造方法では、式(I)、(II)又は(III)で表される第1の化合物と、環内に窒素原子を1個又は2個以上含む複素環式化合物である第2の化合物とを含む原料ガスを反応容器内に導入し、前記原料ガスを反応容器内で反応させて、窒素を含有するアモルファスカーボンを反応容器内に設置した基板上に堆積させる。この方法は、CVD法といわれる方法であり、反応容器内への原料ガスの導入量、反応容器内の温度、圧力、基板の温度等は適宜選択できるが、プラズマを利用したプラズマCVD法が好ましい。本発明において原料ガスを反応容器内に導入するとは、第1の化合物と第2の化合物の両方を含む原料ガスを調製して反応容器内に導入すること、及び第1の化合物を含む原料ガスと、第2の化合物を含む原料ガスを別々に反応容器内に導入することにより、両者を含む原料ガスを反応容器内に導入することの両方を意味する。また、式(I)、(II)又は(III)で表される第1の化合物は、これらを単独で原料として用いてもよく、2種以上を原料として用いてもよい。第2の化合物も、1種のみを用いてもよく、2種以上を用いてもよい。第1の化合物と第2の化合物との混合比率は、特に限定されるものではないが、[第1の化合物]:[第2の化合物]が8:2〜2:8が好ましく、6:4〜3:7がより好ましい。また、プラズマCVD法の場合、添加ガスとして、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスや水素などを原料ガスと共に反応容器内へ導入することが好ましい。電極に印加する電力(プラズマ出力)を低くするとアモルファス構造を維持できるが、キノリジニウム構造の導入割合を高くし難く、プラズマ出力を高くするとspCクラスターを細分化できるが、高くしすぎるとsp混成結合炭素化が進行し剥離しやすくなる。また、反応容器内の温度を高くするほど、sp混成結合炭素比率が上昇しspCクラスターが拡大してグラファイト化が進む。プラズマ出力及び反応容器内の温度は、これらを考慮して適宜選択することができる。アモルファス構造を維持したままspCクラスターを細分化し、キノリジニウム構造の導入比率を高める観点から、プラズマ出力は、150〜500Wが好ましく、成膜中の基板温度は、200〜300℃が好ましい。 In the production method of the present invention, the first compound represented by the formula (I), (II) or (III) and the second compound which is a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms in the ring. A raw material gas containing the above compound is introduced into a reaction vessel, the raw material gas is reacted in the reaction vessel, and amorphous carbon containing nitrogen is deposited on a substrate installed in the reaction vessel. This method is called a CVD method, and the amount of source gas introduced into the reaction vessel, the temperature in the reaction vessel, the pressure, the temperature of the substrate, etc. can be selected as appropriate, but the plasma CVD method using plasma is preferred. . In the present invention, the introduction of the raw material gas into the reaction vessel means that a raw material gas containing both the first compound and the second compound is prepared and introduced into the reaction vessel, and the raw material gas containing the first compound And by introducing the source gas containing the second compound separately into the reaction vessel, the source gas containing both is introduced into the reaction vessel. Moreover, the 1st compound represented by Formula (I), (II) or (III) may be used individually as a raw material, and may use 2 or more types as a raw material. The second compound may also be used alone or in combination of two or more. The mixing ratio of the first compound and the second compound is not particularly limited, but [first compound]: [second compound] is preferably 8: 2 to 2: 8, and 6: 4-3: 7 is more preferable. In the case of the plasma CVD method, it is preferable to introduce an inert gas such as argon or helium, hydrogen, or the like as an additive gas into the reaction vessel together with the source gas. Although A lower power (plasma power) applied to the electrodes an amorphous structure can be maintained, it is difficult to increase the introduction rate of quinolizinium structure, the higher the plasma output sp 2 C clusters can be subdivided, too high sp 2 Hybrid bond carbonization proceeds and becomes easy to peel off. Moreover, the higher the temperature in the reaction vessel, the higher the sp 2 hybrid bonded carbon ratio, the larger the sp 2 C cluster, and the graphitization proceeds. The plasma output and the temperature in the reaction vessel can be appropriately selected in consideration of these. From the viewpoint of subdividing the sp 2 C clusters while maintaining the amorphous structure and increasing the introduction ratio of the quinolizinium structure, the plasma output is preferably 150 to 500 W, and the substrate temperature during film formation is preferably 200 to 300 ° C.

本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンは、本発明の製造方法により製造することができる。本発明の製造方法により得られる窒素を含有するアモルファスカーボンは、キノリジニウム構造を有し、優れた酸素還元反応活性を示す。これは、本発明の製造方法によると、窒素を含有させたアモルファスカーボンを合成する際に、サイズの小さなspCクラスターを多数形成することができ、spCクラスターのエッジ部に形成されるキノリジニウム構造の割合を多くできるためと考えられる。このため、本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンは、酸素4電子還元の活性サイト数が増加するので、優れた酸素還元反応活性を示す。図1に、本発明のアモルファスカーボンにおけるキノリジニウム構造と酸素の吸着に関する模式図を示す。本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンは、対流ボルタンメトリー測定の結果から算出される酸素還元反応に対する反応電子数が1.5以上が好ましく、1.8以上が更に好ましく、2.0以上がより好ましい。本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンにおけるspCクラスターサイズは、キノリジニウム構造の割合を多くする観点及びアモルファス構造を維持する観点から、2〜5nmが好ましく、3〜4nmがより好ましい。また、本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンにおける三つのsp混成結合炭素と結合した窒素(C−N(=C)−C;第4級窒素)の割合は、キノリジニウム構造の割合を多くする観点から0.4〜4.0原子%が好ましく、0.6〜3.0原子%がより好ましい。本発明のアモルファスカーボンにおけるsp混成結合炭素(spC)とsp混成結合炭素(spC)の比率(spC:spC)は60:40〜80:20が好ましく、70:30〜80:20がより好ましい。前記反応電子数、spCクラスターサイズ、三つのsp混成結合炭素と結合した窒素の割合、及びspCとspCの比率は、実施例に記載した方法で測定及び算出することができる。また、本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンは、グラファイトのように剥離することなく耐久性に優れる。そのため、本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンは、酸素還元反応の活性が高く、長期間安定して使用できる触媒として用いることができる。本発明の触媒は、本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンを含み、該アモルファスカーボンのみからなってもよく、触媒活性に影響のない範囲で他の成分を含んでもよい。本発明の触媒は、固体高分子燃料電池等の電極に使用することができ、本発明の触媒を備えた電極は、酸素還元反応の活性が高く、長期間安定して使用できる。 The nitrogen-containing amorphous carbon of the present invention can be produced by the production method of the present invention. The nitrogen-containing amorphous carbon obtained by the production method of the present invention has a quinolizinium structure and exhibits excellent oxygen reduction reaction activity. This is because according to the production method of the present invention, when synthesizing amorphous carbon containing nitrogen, a large number of sp 2 C clusters having a small size can be formed and formed at the edge of the sp 2 C cluster. This is thought to be because the proportion of the quinolizinium structure can be increased. For this reason, the nitrogen-containing amorphous carbon of the present invention exhibits an excellent oxygen reduction reaction activity because the number of active sites for oxygen 4-electron reduction increases. FIG. 1 is a schematic diagram relating to the adsorption of quinolizinium structure and oxygen in the amorphous carbon of the present invention. In the nitrogen-containing amorphous carbon of the present invention, the number of reaction electrons for the oxygen reduction reaction calculated from the result of convective voltammetry measurement is preferably 1.5 or more, more preferably 1.8 or more, and more preferably 2.0 or more. . The sp 2 C cluster size in the nitrogen-containing amorphous carbon of the present invention is preferably 2 to 5 nm and more preferably 3 to 4 nm from the viewpoint of increasing the proportion of the quinolizinium structure and maintaining the amorphous structure. The ratio of nitrogen (CN (= C) -C; quaternary nitrogen) bonded to three sp 2 hybrid bonded carbons in the nitrogen-containing amorphous carbon of the present invention increases the ratio of the quinolizinium structure. From a viewpoint, 0.4-4.0 atomic% is preferable and 0.6-3.0 atomic% is more preferable. The ratio (sp 2 C: sp 3 C) of sp 2 hybrid bonded carbon (sp 2 C) to sp 3 hybrid bonded carbon (sp 3 C) in the amorphous carbon of the present invention is preferably 60:40 to 80:20, 70 : 30 to 80:20 is more preferable. The number of reaction electrons, sp 2 C cluster size, the ratio of nitrogen bonded to three sp 2 hybrid bonded carbons, and the ratio of sp 2 C and sp 3 C can be measured and calculated by the method described in the examples. it can. Moreover, the amorphous carbon containing nitrogen of this invention is excellent in durability, without peeling like graphite. Therefore, the nitrogen-containing amorphous carbon of the present invention has a high oxygen reduction reaction activity and can be used as a catalyst that can be used stably for a long period of time. The catalyst of the present invention contains the amorphous carbon containing nitrogen of the present invention, may consist of the amorphous carbon alone, or may contain other components within a range that does not affect the catalytic activity. The catalyst of the present invention can be used for an electrode of a solid polymer fuel cell or the like, and an electrode equipped with the catalyst of the present invention has a high oxygen reduction reaction activity and can be used stably for a long period of time.

実施例で得られたアモルファスカーボンは、以下の測定方法で評価した。
(XPS測定)
実施例で得られたアモルファスカーボンの元素組成をXPS測定装置(Thermo Scientific, Model. K-AlphaTM+ X-ray Photoelectron Spectrometer System)を使用してXPS法により調べた。X線源は単色化されたAlKα線(1468.6eV)とし、測定角は90°とした。結合エネルギー分解能は、0.5eVであった。0〜1100eVの範囲を、10eV/min(0.1eV/step)の掃引速度で測定した。測定した結果、285eV、398eV及び531eVの位置に、それぞれC 1s、N 1s及びO 1sのピークが確認された。各ピーク強度から元素組成比を算出した。また、測定範囲を391〜408eVの範囲とし、掃引速度を1eV/minとして測定し、測定されたデータのピーク分離を行い、sp混成結合炭素と結合した窒素(N−C;ピロール型窒素)、sp混成結合炭素と結合した窒素(N−C)、二つのsp混成結合炭素と結合した窒素(C−N−C;ピリジン型窒素)及び三つのsp混成結合炭素と結合した窒素(C−N(=C)−C;第4級窒素)の各ピークに分離し、アモルファスカーボンに含まれる窒素における第4級窒素の割合を算出した。各ピークのピーク位置は、それぞれ398.3eV、398.9eV、399.9eV、401.8eVであり、実施例で得られたアモルファスカーボンの全てで401.8eVにキノリジニウム構造由来の成分が観測された。アモルファスカーボン中の窒素元素比(原子%)に第4級窒素の割合を乗じてアモルファスカーボン中の第4級窒素元素比(原子%)を算出した。
The amorphous carbon obtained in the examples was evaluated by the following measuring method.
(XPS measurement)
The elemental composition of the amorphous carbon obtained in the examples was examined by the XPS method using an XPS measuring apparatus (Thermo Scientific, Model. K-Alpha + X-ray Photoelectron Spectrometer System). The X-ray source was a monochromatic AlKα ray (1468.6 eV), and the measurement angle was 90 °. The binding energy resolution was 0.5 eV. A range of 0 to 1100 eV was measured at a sweep rate of 10 eV / min (0.1 eV / step). As a result of the measurement, peaks of C 1s, N 1s and O 1s were confirmed at positions of 285 eV, 398 eV and 531 eV, respectively. The elemental composition ratio was calculated from each peak intensity. In addition, the measurement range is 391 to 408 eV, the sweep rate is 1 eV / min, the measured data is separated, and nitrogen is bonded to sp 3 hybrid bonded carbon (N—C: pyrrole nitrogen) , Nitrogen bonded to sp hybrid bonded carbon (N—C), nitrogen bonded to two sp 2 hybrid bonded carbon (C—N—C; pyridine type nitrogen) and nitrogen bonded to three sp 2 hybrid bonded carbon ( C—N (═C) —C; quaternary nitrogen) was separated, and the ratio of quaternary nitrogen in nitrogen contained in amorphous carbon was calculated. The peak positions of each peak were 398.3 eV, 398.9 eV, 399.9 eV, and 401.8 eV, respectively, and a component derived from a quinolizinium structure was observed at 401.8 eV in all of the amorphous carbons obtained in the examples. . The ratio of quaternary nitrogen in the amorphous carbon (atomic%) was calculated by multiplying the ratio of nitrogen in the amorphous carbon (atomic%) by the ratio of quaternary nitrogen.

(ラマンスペクトル測定)
励起源としてArレーザー(波長514.5nm)を用いるラマン顕微鏡システム(Jasco Cop. RPM-500)を使用して、実施例で得られたアモルファスカーボンのラマンスペクトルを得た。観察されたラマンスペクトルは、アモルファスカーボンで典型的に観察されるGピーク及びDピークから構成されていた。これは、得られたアモルファスカーボンにおけるsp混成結合炭素は、クラスターを形成していることを示す。sp/sp混成結合炭素の元素比率は、次式(a)により求め、sp混成結合炭素のクラスター(以下、spCクラスターともいう。)の直径は、次式(b)により求めた。
式(a):spcontent = 0.24−48.9(ω−0.1580)
ここで、ωは、ラマン散乱測定において観測されたGピークのピーク位置を周波数に換算したものである。アモルファスカーボンでは、アモルファスカーボンを構成するsp/sp炭素比とラマン散乱測定におけるGピーク位置に相関性があり、式(a)は様々なsp/sp炭素比をもつアモルファスカーボンのラマン散乱測定におけるGピーク位置のプロットから求められた経験的な等式として、当該技術分野で通常用いられている。ラマン測定で得られたスペクトルを、GピークとDピークにピーク分離し分離したGピークのピーク位置を式(a)に代入してsp成分量を算出した。
式(b):La = C(I/I−1
ここで、スケーリング係数Cは、44Åである。アモルファスカーボン中のsp炭素凝集部分(spCクラスター)の結晶化度が高いほど、Gピーク強度Iは高くなり、これに反してspカーボン部位の欠陥に比例するDピークのピーク強度Iは低くなる。したがって結晶化度はI/Iに反比例する。式(b)は、様々なspCクラスターサイズをもつアモルファスカーボンのラマン散乱測定より算出したI/Iのプロットから求められた経験的な等式として、当該技術分野で通常用いられている。ラマン測定で得られたスペクトルを、GピークとDピークにピーク分離し、GピークとDピークのピーク強度を式(b)に代入してspCクラスターサイズを算出した。
(Raman spectrum measurement)
Using a Raman microscope system (Jasco Cop. RPM-500) using an Ar + laser (wavelength 514.5 nm) as an excitation source, a Raman spectrum of the amorphous carbon obtained in the example was obtained. The observed Raman spectrum consisted of G and D peaks typically observed with amorphous carbon. This indicates that the sp 2 hybrid bonded carbon in the obtained amorphous carbon forms a cluster. The element ratio of sp 2 / sp 3 hybrid bonded carbon is obtained from the following formula (a), and the diameter of the sp 2 hybrid bonded carbon cluster (hereinafter also referred to as sp 2 C cluster) is obtained from the following formula (b). It was.
Formula (a): sp 3 content = 0.24-48.9 (ω G -0.1580)
Here, ω G is obtained by converting the peak position of the G peak observed in the Raman scattering measurement into a frequency. In the case of amorphous carbon, there is a correlation between the sp 2 / sp 3 carbon ratio constituting the amorphous carbon and the G peak position in the Raman scattering measurement, and the formula (a) shows the Raman of amorphous carbon having various sp 2 / sp 3 carbon ratios. It is commonly used in the art as an empirical equation determined from a plot of G peak position in a scatter measurement. The spectrum obtained by Raman measurement was separated into a G peak and a D peak and the peak position of the separated G peak was substituted into formula (a) to calculate the amount of sp 3 components.
Formula (b): La = C ( ID / IG ) -1
Here, the scaling coefficient C is 44Å. The higher the crystallinity of the sp 2 carbon aggregate portions in the amorphous carbon (sp 2 C clusters), G peak intensity I G is high, the peak intensity of D peak is proportional to the defect of the sp 2 carbon site on the contrary ID is low. Therefore crystallinity is inversely proportional to I D / I G. Formula (b), as the empirical equations determined from a plot of I D / I G calculated from Raman scattering measurement of amorphous carbon with various sp 2 C cluster size, commonly used in the art Yes. The spectrum obtained by Raman measurement was peak-separated into G peak and D peak, and the peak intensity of G peak and D peak was substituted into formula (b) to calculate sp 2 C cluster size.

(対流ボルタンメトリー測定)
不導体被覆金属棒の先端に、中心に直径1cmの円形の穴のあいたポリプロピレンキャップにより実施例で得られたアモルファスカーボンを装着し、金属棒の導体部分とアモルファスカーボンの導通をとって回転電極を作製した。アモルファスカーボンは直径1cmの円形の穴部分で溶液と接し、アモルファスカーボン層の厚みは1μmであった。作製した電極を回転ディスク電極測定ユニット(Hokuto, Dynamic electrode system; HR-201 and 202, Potentio/Galvanostat; HSV-100)に装着して、酸素で過飽和された0.1MKOH溶液中に室温で浸漬し、対極に白金線を用いて、回転速度500rpmで回転させながら、掃引レート5mVs−1で電極電位0.5V vs.Ag|AgClから3.0V vs.Ag|AgClまで掃引しボルタモグラムを得た。同じ実験を10回繰り返し、−1.7 vs.Ag|AgClにおける電流値の10回の平均値を試料のiとして式(c)に代入し、酸素の還元に対する電子数nを算出した。
式(c): i = 0.62nFAD2/3ω1/2−1.5
ここで、iは観測される電流値、Aは電極面積、Dは電解液中の酸素分子の拡散係数、vは電解液の粘度、Cは電解液中の酸素飽和濃度、ωは回転電極の回転周波数、Fはファラデー定数(9.6485×10C/mol)であり、式(c)はこれらの関係を表す式として当該技術分野で通常用いられる式である。電極面積Aは0.785cm、電解液中の酸素分子の拡散係数Dは1.9×10−5cm−1、電解液の粘度vは0.01cm/s、電解液中の酸素飽和濃度Cは1.2×10−6mol/cmであった。
(Convection voltammetry measurement)
Attach the amorphous carbon obtained in the example with a polypropylene cap with a circular hole with a diameter of 1 cm in the center to the tip of the non-conductive coated metal rod, and connect the conductive portion of the metal rod to the amorphous carbon to connect the rotating electrode. Produced. The amorphous carbon was in contact with the solution at a circular hole having a diameter of 1 cm, and the thickness of the amorphous carbon layer was 1 μm. The prepared electrode is attached to a rotating disk electrode measurement unit (Hokuto, Dynamic electrode system; HR-201 and 202, Potentio / Galvanostat; HSV-100) and immersed in a 0.1 M KOH solution supersaturated with oxygen at room temperature. Using a platinum wire as the counter electrode, while rotating at a rotation speed of 500 rpm, the electrode potential was 0.5 V vs. at a sweep rate of 5 mVs −1. 3.0V vs. Ag | AgCl. A voltammogram was obtained by sweeping to Ag | AgCl. The same experiment was repeated 10 times, and -1.7 vs. Ag | 10 times of the average value of the current value in AgCl into Equation (c) as i L of the sample was calculated electron number n for the reduction of oxygen.
Formula (c): i L = 0.62 nFAD 2/3 ω 1/2 v −1.5 C *
Here, i L is the observed current value, A is the electrode area, D is the diffusion coefficient of oxygen molecules in the electrolyte, v is the viscosity of the electrolyte, C * is the oxygen saturation concentration in the electrolyte, and ω is the rotation The rotational frequency of the electrode, F, is a Faraday constant (9.6485 × 10 4 C / mol), and the formula (c) is a formula that is usually used in the art as a formula representing these relationships. The electrode area A is 0.785 cm 2 , the diffusion coefficient D of oxygen molecules in the electrolyte is 1.9 × 10 −5 cm 2 s −1 , the viscosity v of the electrolyte is 0.01 cm 2 / s, The oxygen saturation concentration C * was 1.2 × 10 −6 mol / cm 2 .

[実施例1]
窒素を含有するアモルファスカーボンを、カソードカップリング型高周波プラズマ励起化学蒸着(RF−PeCVD)装置(13.56MHz,SAMCO Co.,Ltd.Model BP−1)により調製した。アセトニトリルとピリジンをモル比で8:2に混合した混合物を原料として用い、アルゴンガスを添加ガスとして用いて、温度50℃、原料ガスの流量1sccm、アルゴンガスの流量20sccmで反応容器内に導入した。高周波出力を175Wとして、原料ガスをプラズマ化し反応させて、基板上にアモルファスカーボンを堆積させた。反応容器内の圧力は20Paであり、反応中の基板温度は250℃であった。堆積時間は40分とした。堆積された薄膜の厚みは2.70μmであった。
[Example 1]
Amorphous carbon containing nitrogen was prepared by a cathode coupling type high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (RF-PeCVD) apparatus (13.56 MHz, SAMCO Co., Ltd. Model BP-1). A mixture of acetonitrile and pyridine in a molar ratio of 8: 2 was used as a raw material, and argon gas was used as an additive gas. The mixture was introduced into the reaction vessel at a temperature of 50 ° C., a raw material gas flow rate of 1 sccm, and an argon gas flow rate of 20 sccm. . The high frequency output was set to 175 W, and the raw material gas was converted into plasma and reacted to deposit amorphous carbon on the substrate. The pressure in the reaction vessel was 20 Pa, and the substrate temperature during the reaction was 250 ° C. The deposition time was 40 minutes. The thickness of the deposited thin film was 2.70 μm.

[実施例2〜4]
原料として用いるアセトニトリルとピリジンの混合比を、それぞれモル比で6:4、4:6及び2:8とした以外は実施例1と同じ条件でアモルファスカーボンを堆積させて、実施例2〜4の窒素ドープアモルファスカーボンを調製した。実施例1〜4で得られたアモルファスカーボンのsp混成結合炭素(spC)及びsp混成結合炭素(spC)の元素比率(%)、spCクラスターサイズ(nm)、第4級窒素(spCNCC)の元素比率(%)及び反応電子数を表1に示す。
[Examples 2 to 4]
Amorphous carbon was deposited under the same conditions as in Example 1 except that the mixing ratio of acetonitrile and pyridine used as raw materials was 6: 4, 4: 6, and 2: 8 in molar ratios, respectively. Nitrogen doped amorphous carbon was prepared. Element ratio (%) of sp 2 hybrid bond carbon (sp 2 C) and sp 3 hybrid bond carbon (sp 3 C) of the amorphous carbon obtained in Examples 1 to 4, sp 2 C cluster size (nm), first Table 1 shows the element ratio (%) of quaternary nitrogen (sp 2 CNCC) and the number of reaction electrons.

[実施例5〜8]
アセトニトリルとピリジンの混合比をモル比で4:6とし、高周波出力をそれぞれ150W、200W、250W及び300Wとした以外は実施例1と同じ条件でアモルファスカーボンを堆積させて、実施例5〜8の窒素ドープアモルファスカーボンを調製した。実施例5〜8で得られたアモルファスカーボンのspC(%)、spC(%)、spCクラスターサイズ(nm)、spCNCC(%)及び反応電子数を表2に示す。表3に、実施例5〜8で得られたアモルファスカーボンにおけるC、N、Oの元素組成比(原子%)及び前記N中の第4級N(spCNCC)の元素組成比(アモルファスカーボンにおける原子%)を示し、表4に、対流ボルタンメトリー試験の結果を示す。また、0〜1100eVの範囲を、10eV/min(0.1eV/step)の掃引速度でXPS測定した結果、391〜408eVの範囲を、1eV/minの掃引速度でXPS測定した結果とピーク分離した結果、及びラマンスペクトルを実施例8で得られたアモルファスカーボンについて、図2〜図4にそれぞれ示す。
[Examples 5 to 8]
Amorphous carbon was deposited under the same conditions as in Example 1 except that the mixing ratio of acetonitrile and pyridine was 4: 6 in molar ratio, and the high frequency output was 150 W, 200 W, 250 W, and 300 W, respectively. Nitrogen doped amorphous carbon was prepared. Table 2 shows sp 2 C (%), sp 3 C (%), sp 2 C cluster size (nm), sp 2 CNCC (%) and the number of reaction electrons of the amorphous carbon obtained in Examples 5 to 8. . Table 3 shows the elemental composition ratio (atomic%) of C, N, and O in the amorphous carbon obtained in Examples 5 to 8 and the elemental composition ratio of quaternary N (sp 2 CNCC) in the N (amorphous carbon). Table 4 shows the results of the convective voltammetry test. In addition, as a result of XPS measurement in the range of 0 to 1100 eV at a sweep speed of 10 eV / min (0.1 eV / step), the range of 391 to 408 eV was peak-separated from the result of XPS measurement at a sweep speed of 1 eV / min. The results and Raman spectrum of the amorphous carbon obtained in Example 8 are shown in FIGS.

[実施例9、10]
アセトニトリルとピラジンを原料として用い、アセトニトリルとピラジンの混合比をモル比で8:2とし、高周波出力を175Wとした以外は実施例1と同じ条件でアモルファスカーボンを堆積させて、実施例9の窒素ドープアモルファスカーボンを調製した。また、アセトニトリルとトリアジンを原料として用い、アセトニトリルとトリアジンの混合比をモル比で8:2とし、高周波出力を150Wとした以外は実施例1と同じ条件でアモルファスカーボンを堆積させて、実施例10の窒素ドープアモルファスカーボンを調製した。実施例9及び10で得られたアモルファスカーボンのspC(%)、spC(%)、spCクラスターサイズ(nm)、spCNCC(%)及び反応電子数を表5に示す。
[Examples 9 and 10]
Amorphous carbon was deposited under the same conditions as in Example 1 except that acetonitrile and pyrazine were used as raw materials, the mixing ratio of acetonitrile and pyrazine was 8: 2, and the high frequency output was 175 W. Doped amorphous carbon was prepared. Amorphous carbon was deposited under the same conditions as in Example 1 except that acetonitrile and triazine were used as raw materials, the mixing ratio of acetonitrile and triazine was 8: 2 in molar ratio, and the high frequency output was 150 W. Example 10 A nitrogen-doped amorphous carbon was prepared. Table 5 shows sp 2 C (%), sp 3 C (%), sp 2 C cluster size (nm), sp 2 CNCC (%) and the number of reaction electrons of the amorphous carbon obtained in Examples 9 and 10. .

実施例1〜10で得られたアモルファスカーボンは、いずれも反応電子数が1.5以上であり少なくとも2電子還元反応活性を示し、さらに実施例3、7、8及び9で得られたアモルファスカーボンは、反応電子数が2.0以上であり4電子還元反応活性を示した。また、実施例7で得られたアモルファスカーボンについて、対流ボルタンメトリー測定を1セットを50回サイクルとして、3セット行った。その結果を図5に示す。対流ボルタンメトリー測定を150サイクル行っても酸素還元反応の活性が失われず、電気化学反応に対する安定性を有していた。   All of the amorphous carbons obtained in Examples 1 to 10 have a reaction electron number of 1.5 or more and show at least two-electron reduction reaction activity. Further, the amorphous carbons obtained in Examples 3, 7, 8 and 9 Had a reaction electron number of 2.0 or more and exhibited a 4-electron reduction reaction activity. Moreover, about the amorphous carbon obtained in Example 7, three sets of convective voltammetry measurements were performed with one set as 50 cycles. The result is shown in FIG. Even after 150 cycles of convective voltammetry measurement, the activity of the oxygen reduction reaction was not lost, and it had stability to the electrochemical reaction.

[比較例1]
原料をアセトニトリルとした以外は、実施例1と同じ条件でアモルファスカーボンを堆積させて、比較例1の窒素ドープアモルファスカーボンを調製した。比較例1で得られたアモルファスカーボンについても、実施例と同様にXPS測定、ラマンスペクトル測定及び対流ボルタンメトリー測定を行い、spC(%)、spC(%)、spCクラスターサイズ(nm)、spCNCC(%)及び反応電子数を求めた。その結果を表6に示す。比較例1で得られたアモルファスカーボンでは、spCNCC結合はみられるものの、極めて少ない反応電子数しか観察されなかった。これは、窒素がspCクラスターのエッジ部ではなく、内部の炭素と置換しているため酸素還元反応の反応点となるキノリジニウム構造が形成できなかったためとみられる。
[Comparative Example 1]
Amorphous carbon was deposited under the same conditions as in Example 1 except that the raw material was acetonitrile, to prepare nitrogen-doped amorphous carbon of Comparative Example 1. The amorphous carbon obtained in Comparative Example 1 was subjected to XPS measurement, Raman spectrum measurement, and convective voltammetry measurement in the same manner as in Example, and sp 2 C (%), sp 3 C (%), sp 2 C cluster size ( nm), sp 2 CNCC (%) and the number of reaction electrons. The results are shown in Table 6. In the amorphous carbon obtained in Comparative Example 1, sp 2 CNCC bonds were observed, but only a very small number of reaction electrons were observed. This seems to be because the quinolizinium structure that becomes the reaction point of the oxygen reduction reaction could not be formed because nitrogen was substituted for the carbon inside rather than the edge of the sp 2 C cluster.

図6に、実施例8で得られたアモルファスカーボン、比較例1で得られたアモルファスカーボン、グラッシーカーボン及びプラチナを用いて対流ボルタンメトリー測定を行った結果を示す。実施例8で得られた本発明のアモルファスカーボンは、プラチナとほぼ同様の酸素還元反応活性を有していた。   FIG. 6 shows the results of convective voltammetry measurement using the amorphous carbon obtained in Example 8, the amorphous carbon obtained in Comparative Example 1, the glassy carbon, and platinum. The amorphous carbon of the present invention obtained in Example 8 had almost the same oxygen reduction reaction activity as platinum.

本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンの製造方法は、窒素を含有し、酸素還元反応の活性が高く、耐久性の高いアモルファスカーボンを製造することができる。そのため、酸素還元触媒等の触媒として好適に用いることのできるアモルファスカーボンを製造できる。本発明の窒素を含有するアモルファスカーボンは、酸素還元反応の活性が高く、耐久性が高く長期安定性に優れるため、触媒、特に酸素還元反応活性が求められる用途の触媒として好適に用いることができる。特に、固体高分子燃料電池等の燃料電池の電極用の触媒として好適に用いることができる。   The method for producing nitrogen-containing amorphous carbon according to the present invention can produce amorphous carbon containing nitrogen, having high oxygen reduction reaction activity, and high durability. Therefore, amorphous carbon that can be suitably used as a catalyst such as an oxygen reduction catalyst can be produced. The nitrogen-containing amorphous carbon of the present invention has high oxygen reduction reaction activity, high durability, and excellent long-term stability. Therefore, it can be suitably used as a catalyst, particularly a catalyst for applications requiring oxygen reduction reaction activity. . In particular, it can be suitably used as a catalyst for electrodes of fuel cells such as solid polymer fuel cells.

Claims (9)

式(I)、(II)又は(III)で表される第1の化合物と、環内に窒素原子を1個又は2個以上含む複素環式化合物である第2の化合物とを含む原料ガスを反応容器内に導入し、前記原料ガスを前記反応容器内で反応させて、窒素を含有するアモルファスカーボンを反応容器内に設置した基板上に堆積させることを特徴とする窒素を含有するアモルファスカーボンの製造方法。
(式(I)〜(III)中、R、R、R、R、R、R及びRは、H又は置換基を有してもよいアルキル基を表し、それぞれの式中で同一でも異なっていてもよい。)
A source gas comprising a first compound represented by the formula (I), (II) or (III) and a second compound which is a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms in the ring Is introduced into a reaction vessel, the raw material gas is reacted in the reaction vessel, and amorphous carbon containing nitrogen is deposited on a substrate placed in the reaction vessel. Manufacturing method.
(In the formulas (I) to (III), R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 represent H or an alkyl group which may have a substituent. May be the same or different.)
原料ガスをプラズマ化させることを特徴とする請求項1記載のアモルファスカーボンの製造方法。   2. The method for producing amorphous carbon according to claim 1, wherein the raw material gas is turned into plasma. 第2の化合物が、六員環からなる単環式芳香族化合物又は2個若しくは3個の六員環の縮合環からなる二環式若しくは三環式芳香族化合物であることを特徴とする請求項1又は2記載のアモルファスカーボンの製造方法。   The second compound is a monocyclic aromatic compound composed of a six-membered ring or a bicyclic or tricyclic aromatic compound composed of a condensed ring of two or three six-membered rings. Item 3. A method for producing amorphous carbon according to Item 1 or 2. 第2の化合物が、ピリジン、ピラジン及びトリアジンからなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアモルファスカーボンの製造方法。   The method for producing amorphous carbon according to any one of claims 1 to 3, wherein the second compound is at least one selected from the group consisting of pyridine, pyrazine and triazine. 式(I)、(II)又は(III)で表される第1の化合物と、環内に窒素原子を1個又は2個以上含む複素環式化合物である第2の化合物とを含む原料ガスを反応容器内に導入し、前記原料ガスを反応容器内でプラズマ化して反応させ、反応容器内に設置した基板上に堆積させて得られる窒素を含有するアモルファスカーボン。
(式(I)〜(III)中、R、R、R、R、R、R及びRは、H又は置換基を有してもよいアルキル基を表し、それぞれの式中で同一でも異なっていてもよい。)
A source gas comprising a first compound represented by the formula (I), (II) or (III) and a second compound which is a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms in the ring Is introduced into a reaction vessel, and the raw material gas is converted into plasma in the reaction vessel, reacted, and deposited on a substrate placed in the reaction vessel, thereby containing nitrogen.
(In the formulas (I) to (III), R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 represent H or an alkyl group which may have a substituent. May be the same or different.)
キノリジニウム構造を有し、対流ボルタンメトリー測定から算出される酸素還元反応に対する反応電子数が1.5以上であることを特徴とする窒素を含有するアモルファスカーボン。   A nitrogen-containing amorphous carbon having a quinolizinium structure and having 1.5 or more reaction electrons for an oxygen reduction reaction calculated from convective voltammetry measurement. 請求項5又は6記載の窒素を含有するアモルファスカーボンを含む触媒。   The catalyst containing the amorphous carbon containing nitrogen of Claim 5 or 6. キノリジニウム構造を有するアモルファスカーボン酸素還元触媒。   An amorphous carbon oxygen reduction catalyst having a quinolizinium structure. 請求項7又は8記載の触媒を備える電極。
An electrode comprising the catalyst according to claim 7 or 8.
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