JP2018184532A - Metallophthalocyanine polymer composite, electrode catalyst using the same and production method thereof - Google Patents

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Nagakatsu Nemoto
修克 根本
以弦 小林
Izuru Kobayashi
以弦 小林
梅津 一登
Kazuto Umetsu
一登 梅津
秋本 雅史
Masafumi Akimoto
雅史 秋本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metallophthalocyanine polymer composite as a production raw material for an electrode catalyst having high oxygen reduction activity.SOLUTION: The metallophthalocyanine polymer composite comprises a metallophthalocyanine polymer having a repeating structural unit in which a tetraamino metallophthalocyanine structural unit and a tetracarboxy metallophthalocyanine structural unit are amide-bonded and a carbon material and has a blending ratio based on the weight of the metallophthalocyanine polymer to the carbon material in the range of 1:1 to 25:1. In the polymer composite, the metals are each a divalent or trivalent metal ion belonging to the third period to the fifth period in the long period type periodic table. In the metallophthalocyanine polymer composite, the central metal is preferably selected from Co, Niand Fe.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、金属フタロシアニンポリマー複合体及びこれを用いた電極触媒並びにその製造方法に関し、特に、燃料電池の電極に好適に使用することができる金属フタロシアニンポリマー複合体及びこれを用いた電極触媒並びにその製造方法に関する。   The present invention relates to a metal phthalocyanine polymer composite, an electrocatalyst using the same, and a method for producing the same, and in particular, to a metal phthalocyanine polymer composite that can be suitably used for an electrode of a fuel cell, an electrocatalyst using the metal phthalocyanine polymer composite and the same. It relates to a manufacturing method.

現在、我々は主なエネルギー源として化石燃料を使用している。しかし、化石燃料は有限である。さらに、化石燃料はその使用時に生じる二酸化炭素が温室効果を進行させるという問題がある。したがって、化石燃料に代わるエネルギー源の開発が求められている。新たなエネルギー源の一つとして燃料電池が挙げられる。   Currently we use fossil fuels as our main energy source. However, fossil fuels are finite. Furthermore, the fossil fuel has a problem that carbon dioxide generated during use promotes the greenhouse effect. Therefore, there is a need to develop an energy source that can replace fossil fuels. One of new energy sources is a fuel cell.

一次電池や二次電池と比べ、燃料電池は水素や酸素を燃料として供給し続けることにより、半永久的に利用可能な発電装置である。燃料電池は、使用する燃料の再利用が可能であることからも注目を集めている。その中でも、高分子電解質燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、低温で作動し、電解質が薄膜状であることから小型軽量化が可能であるため、家庭電化機器、携帯機器、自動車用バッテリー電池などへの応用が期待されている。PEFCは、カソード(正極)とアノード(負極)の2枚の電極で電解質膜を挟み込んだ構造である。PEFCでは、正極に酸素、負極に水素などの燃料を供給し、電極で生じる化学反応から電気エネルギーを得ることができる。   Compared to primary batteries and secondary batteries, fuel cells are power generators that can be used semipermanently by continuously supplying hydrogen or oxygen as fuel. The fuel cell is also attracting attention because the fuel used can be reused. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) operates at a low temperature and can be reduced in size and weight because the electrolyte is a thin film, so that it can be used for home appliances, portable devices, and automobile batteries. Application to batteries is expected. PEFC has a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between two electrodes, a cathode (positive electrode) and an anode (negative electrode). In PEFC, fuel such as oxygen is supplied to the positive electrode and hydrogen is supplied to the negative electrode, and electric energy can be obtained from a chemical reaction occurring at the electrode.

燃料電池のカソードは、電極触媒を担持しており、酸素を水に還元する反応を触媒する。カソード側の酸素還元反応は、反応速度が比較的遅いため、これを効率よく作動させるための触媒が必要とされる。電極材料としては炭素系などが知られているが、燃料電池を効率よく作動させるための炭素系電極触媒としては、現在、白金含有触媒が最も有効とされている。しかし、白金は貴金属であるため、コスト面での問題が指摘されている。したがって、白金を用いない新規な触媒の創製が期待されている。   The cathode of the fuel cell carries an electrode catalyst and catalyzes the reaction of reducing oxygen to water. Since the oxygen reduction reaction on the cathode side has a relatively slow reaction rate, a catalyst is required to operate it efficiently. Carbon-based materials are known as electrode materials, but platinum-containing catalysts are currently most effective as carbon-based electrode catalysts for efficiently operating fuel cells. However, since platinum is a noble metal, problems in terms of cost have been pointed out. Therefore, creation of a novel catalyst that does not use platinum is expected.

ところで、炭素系電極触媒の創製において重要なことは、高い導電性と広い表面積を持つ分散性の良い炭素材料を創製し、その材料中に金属を細かく分散させることである。そのような炭素材料の素材の一つとして、フタロシアニンが知られている(例えば、特許文献1参照)。この文献に記載の炭素材料は、特定の繰り返し単位からなるハイパーブランチ金属フタロシアニンを不活性ガス雰囲気下で焼成して得られる。この繰り返し単位のフタロシアニンコアを構成する金属イオンは、Fe2+、Co2+、Ni2+からなる群より選択されるため、白金など高価な貴金属を使用しなくてもよい点を特徴としている。 By the way, what is important in the creation of a carbon-based electrode catalyst is to create a highly dispersible carbon material having high conductivity and a large surface area, and finely disperse the metal in the material. As one of such carbon material materials, phthalocyanine is known (see, for example, Patent Document 1). The carbon material described in this document is obtained by firing hyperbranched metal phthalocyanine composed of a specific repeating unit in an inert gas atmosphere. Metal ions constituting the phthalocyanine core of this repeating unit, Fe 2+, Co 2+, to be selected from the group consisting of Ni 2+, is characterized in that it is not necessary to use an expensive noble metal such as platinum.

フタロシアニンは、金属を固定するための配位性元素を多く含むことが知られている。フタロシアニンは、その分子全体が共役二重結合系を形成した巨大な環状構造を持つことから、その構造及び結合が極めて安定であり、その分子の中心では遷移金属などの金属イオンに配位して、安定な金属フタロシアニン錯体を形成する。金属フタロシアニンを電極材料に用いる利点としては、金属を安定的に固定化できることが挙げられる、つまり、ナノレベルで金属配置が制御できることが示唆できる。さらに、金属担持型炭素材料の前駆体として金属フタロシアニンを用いる利点としては、炭素含有率が高いことが挙げられる。すなわち、フタロシアニンを焼成して炭素化物にしたときに、電極の炭素含有率を高くすることができる。   It is known that phthalocyanine contains a lot of coordinating elements for fixing metals. Phthalocyanine has a huge cyclic structure in which the entire molecule forms a conjugated double bond system, so its structure and bond are extremely stable. At the center of the molecule, it coordinates to a metal ion such as a transition metal. Form a stable metal phthalocyanine complex. An advantage of using metal phthalocyanine as an electrode material is that metal can be stably immobilized, that is, it can be suggested that metal arrangement can be controlled at the nano level. Further, the advantage of using metal phthalocyanine as a precursor of the metal-supporting carbon material is that the carbon content is high. That is, when the phthalocyanine is baked into a carbonized product, the carbon content of the electrode can be increased.

本発明者らは、これまで、金属アミノフタロシアニン化合物と金属カルボキシフタロシアニン化合物を縮合した金属フタロシアニンポリマーを作製している(例えば、特許文献1参照)。この従来の金属フタロシアニンポリマーによれば、特に電極触媒材料の前駆体として好適に使用され、単純な構成単位からなり金属が規則正しく配列しており、なおかつ必要に応じて異種金属の協同効果の探索にも好適に使用することが可能となる。   The present inventors have produced a metal phthalocyanine polymer obtained by condensing a metal aminophthalocyanine compound and a metal carboxyphthalocyanine compound (see, for example, Patent Document 1). According to this conventional metal phthalocyanine polymer, it is suitably used as a precursor of an electrocatalyst material in particular, it is composed of simple structural units, the metals are regularly arranged, and, if necessary, for searching for the cooperative effect of different metals. Can also be suitably used.

さらに、本発明者らは、上記の金属フタロシアニンポリマーを焼成して焼成体とした後、王水などの酸で処理することで得られる電極触媒を作製している(例えば、特許文献2参照)。この従来の電極触媒は、酸素還元活性が高く優れた電極特性を有する。   Furthermore, the present inventors have produced an electrode catalyst obtained by calcining the above metal phthalocyanine polymer into a calcined product and then treating with an acid such as aqua regia (see, for example, Patent Document 2). . This conventional electrode catalyst has high oxygen reduction activity and excellent electrode characteristics.

国際公開第2014/175077号International Publication No. 2014/175077 国際公開第2015/146858号International Publication No. 2015/146858

特許文献2では、金属フタロシアニンポリマーの焼成体を酸処理することで酸素還元活性が比較的高い電極触媒が得られている。しかし、近年では、電極触媒に求められる特性要求が高くなっており、酸素還元活性のより高い電極触媒が求められている。   In Patent Document 2, an electrode catalyst having a relatively high oxygen reduction activity is obtained by acid-treating a fired product of a metal phthalocyanine polymer. However, in recent years, the demand for characteristics required for an electrode catalyst has increased, and an electrode catalyst with higher oxygen reduction activity has been demanded.

本発明の目的は、酸素還元活性が高い電極触媒の製造原料である金属フタロシアニンポリマー複合体を提供することにある。また、本発明の他の目的は、酸素還元活性が高い電極触媒及びその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a metal phthalocyanine polymer composite which is a raw material for producing an electrode catalyst having a high oxygen reduction activity. Another object of the present invention is to provide an electrode catalyst having a high oxygen reduction activity and a method for producing the same.

上記のような状況に鑑み、本発明者らは電極触媒材料について鋭意研究した。その結果、本発明者らは、金属フタロシアニンポリマーと炭素材料との複合体を焼成した電極触媒は、酸素還元活性が従来よりも高くなることを見出し、本発明を完成するに至った。   In view of the situation as described above, the present inventors have conducted intensive research on an electrode catalyst material. As a result, the present inventors have found that an electrode catalyst obtained by calcining a composite of a metal phthalocyanine polymer and a carbon material has higher oxygen reduction activity than before, and has completed the present invention.

すなわち本発明は、一般式(1a)で表される構造単位と、一般式(2a)で表される構造単位とがアミド結合した繰り返し構造単位を有する金属フタロシアニンポリマーと、炭素材料とを含有し、前記金属フタロシアニンポリマーと前記炭素材料との配合比が重量基準で1:1〜25:1の範囲内であることを特徴とする金属フタロシアニンポリマー複合体に関する。

Figure 2018184532

(一般式(1a)中、Lは長周期型周期表の第3〜第5周期に属する2価又は3価の金属イオンである。)
Figure 2018184532

(一般式(2a)中、Mは長周期型周期表の第3〜第5周期に属する2価又は3価の金属イオンである。) That is, the present invention contains a metal phthalocyanine polymer having a repeating structural unit in which the structural unit represented by the general formula (1a) and the structural unit represented by the general formula (2a) are amide-bonded, and a carbon material. Further, the present invention relates to a metal phthalocyanine polymer composite characterized in that a compounding ratio of the metal phthalocyanine polymer and the carbon material is in a range of 1: 1 to 25: 1 on a weight basis.
Figure 2018184532

(In general formula (1a), L is a divalent or trivalent metal ion belonging to the third to fifth periods of the long-period periodic table.)
Figure 2018184532

(In general formula (2a), M is a divalent or trivalent metal ion belonging to the third to fifth periods of the long-period periodic table.)

この場合、前記L及び前記Mはそれぞれ独立にCo2+、Ni2+、Fe2+からなる群より選択される金属イオンであることが好ましい。さらに、前記L及び前記MはCo2+であるか、前記LはCo2+であり、前記MはNi2+であるか、又は前記LはCo2+であり、前記MはFe2+であることが好ましい。さらに、上記の場合において、前記炭素材料がカーボンブラックであることが好適である。 In this case, it is preferable that the L and the M are each independently a metal ion selected from the group consisting of Co 2+ , Ni 2+ and Fe 2+ . Further, the L and the M are preferably Co 2+ , the L is Co 2+ , the M is Ni 2+ , or the L is Co 2+ , and the M is Fe 2+. . Furthermore, in the above case, it is preferable that the carbon material is carbon black.

また、本発明は、上記の金属フタロシアニンポリマー複合体の焼成物を含む電極触媒であって、該電極触媒をディスク電極に塗布した作用電極を用いたリニアスイープボルタンメトリーにおいて、電解液として酸素飽和時及び窒素飽和時の0.5M硫酸水溶液、補助電極として白金板、基準電極としてAg/AgCl電極を用い、酸素飽和時の前記電解液及び窒素飽和時の前記電解液のそれぞれに対して、前記ディスク電極の回転速度2000rpmの条件下で、掃引範囲950mVから−400mVへ掃引速度1mV/秒で掃引したときに、下記(a)及び(b)の条件を満たす電極特性を有することを特徴とする電極触媒に関する。
<電極特性>
酸素飽和時の前記電解液を測定したときの電流値と窒素飽和時の前記電解液を測定したときの電流値との差分の電流値を差分電流値(Idiff)としたときに、
(a)前記差分電流値(Idiff)が−1.0×10−6Aとなる酸素還元開始電位(E)が500mV以上である、
(b)電位0mVにおける前記差分電流値(Idiff)が−2.0×10−4A以下である。
Further, the present invention is an electrode catalyst comprising a fired product of the above metal phthalocyanine polymer composite, and in linear sweep voltammetry using a working electrode in which the electrode catalyst is applied to a disk electrode, the oxygen solution is used as an electrolyte and Using a 0.5 M sulfuric acid aqueous solution at the time of nitrogen saturation, a platinum plate as an auxiliary electrode, and an Ag / AgCl electrode as a reference electrode, the disk electrode for each of the electrolytic solution at the time of oxygen saturation and the electrolytic solution at the time of nitrogen saturation Electrode catalyst having electrode characteristics satisfying the following conditions (a) and (b) when swept from a sweep range of 950 mV to -400 mV at a sweep speed of 1 mV / sec under the condition of a rotational speed of 2000 rpm: About.
<Electrode characteristics>
When the current value of the difference between the current value when measuring the electrolytic solution at the time of oxygen saturation and the current value when measuring the electrolytic solution at the time of nitrogen saturation is the differential current value (I diff ),
(A) The oxygen reduction starting potential (E 0 ) at which the differential current value (I diff ) is −1.0 × 10 −6 A is 500 mV or more,
(B) The differential current value (I diff ) at a potential of 0 mV is −2.0 × 10 −4 A or less.

さらに、本発明は、上記の金属フタロシアニンポリマー複合体を還元性ガス雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下、650〜1500℃において焼成することにより製造されることを特徴とする電極触媒に関する。この場合において、前記焼成が還元性ガス雰囲気下、800〜1000℃において行われることが好ましい。   Furthermore, the present invention relates to an electrode catalyst produced by firing the above metal phthalocyanine polymer composite at 650 to 1500 ° C. in a reducing gas atmosphere or an inert gas atmosphere. In this case, the calcination is preferably performed at 800 to 1000 ° C. in a reducing gas atmosphere.

さらに、焼成後の金属フタロシアニンポリマー複合体をさらに酸処理することが好ましい。この場合において、前記酸が希塩酸、濃塩酸、希硫酸、濃硫酸、希硝酸、濃硝酸及び王水からなる群より選択される少なくとも1種類であることが好適である。さらにこの場合において、前記酸が王水であることが好ましい。   Furthermore, it is preferable to further acid-treat the metal phthalocyanine polymer composite after firing. In this case, the acid is preferably at least one selected from the group consisting of diluted hydrochloric acid, concentrated hydrochloric acid, diluted sulfuric acid, concentrated sulfuric acid, diluted nitric acid, concentrated nitric acid, and aqua regia. Furthermore, in this case, the acid is preferably aqua regia.

本発明によれば、酸素還元活性が高い電極触媒の製造原料である金属フタロシアニンポリマー複合体を提供することが可能となる。また、本発明によれば、酸素還元活性が高い電極触媒及びその製造方法を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the metal phthalocyanine polymer composite which is a manufacturing raw material of an electrode catalyst with high oxygen reduction activity. Moreover, according to this invention, it becomes possible to provide an electrode catalyst with high oxygen reduction activity, and its manufacturing method.

実施例及び比較例の試料を用いて作製した電極と通常の白金触媒で作製した電極とをリニアスイープボルタンメトリー法で試験した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having tested the electrode produced using the sample of an Example and a comparative example, and the electrode produced with the normal platinum catalyst by the linear sweep voltammetry method. テトラニトロコバルトフタロシアニン(2)のIRスペクトル図である。It is IR spectrum figure of tetranitro cobalt phthalocyanine (2). テトラアミノコバルトフタロシアニン(M1)のIRスペクトル図(a)及び紫外線吸収スペクトル図(b)である。It is IR spectrum figure (a) and ultraviolet absorption spectrum figure (b) of tetraamino cobalt phthalocyanine (M1). テトラカルボキシアミドコバルトフタロシアニン(4)のIRスペクトル図である。It is IR spectrum figure of tetracarboxyamide cobalt phthalocyanine (4). テトラカルボキシコバルトフタロシアニン(M2)のIRスペクトル図(a)及び紫外線吸収スペクトル図(b)である。It is IR spectrum figure (a) and ultraviolet absorption spectrum figure (b) of tetracarboxy cobalt phthalocyanine (M2). 実施例1のカーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1[Co−Co]+CB(2:1))のIRスペクトル図である。2 is an IR spectrum diagram of the carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 [Co—Co] + CB (2: 1)) of Example 1. FIG. 実施例2のカーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1+CB(10:1))のIRスペクトル図である。4 is an IR spectrum diagram of a carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 + CB (10: 1)) of Example 2. FIG. 実施例3のカーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1+CB(20:1))のIRスペクトル図である。4 is an IR spectrum diagram of a carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 + CB (20: 1)) of Example 3. FIG. 比較例2のカーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1+CB(30:1))のIRスペクトル図である。4 is an IR spectrum diagram of a carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 + CB (30: 1)) of Comparative Example 2. FIG. 実施例1で作製した電極及びこれを王水処理した電極についてリニアスイープボルタンメトリー法で試験した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having tested with the linear sweep voltammetry method about the electrode produced in Example 1, and the electrode which processed this with aqua regia.

以下、本発明の金属フタロシアニンポリマー複合体、電極触媒及びその製造方法について詳細に説明する。   Hereinafter, the metal phthalocyanine polymer composite, the electrode catalyst, and the production method thereof of the present invention will be described in detail.

1.金属フタロシアニンポリマー複合体
本発明の電極触媒の前駆物質である金属フタロシアニンポリマー複合体(以下、単に「金属フタロシアニンポリマー複合体」という)は、金属フタロシアニンポリマーと炭素材料とを含有する。以下、各成分について詳細に説明する。
1. Metal phthalocyanine polymer composite The metal phthalocyanine polymer composite (hereinafter simply referred to as “metal phthalocyanine polymer composite”) which is a precursor of the electrode catalyst of the present invention contains a metal phthalocyanine polymer and a carbon material. Hereinafter, each component will be described in detail.

(1)金属フタロシアニンポリマー
本発明の金属フタロシアニンポリマー複合体に含まれる金属フタロシアニンポリマー(以下、単に「金属フタロシアニンポリマー」という)は、一般式(1a)で表される構造単位と、一般式(2a)で表される構造単位とがアミド結合した繰り返し構造単位を有する。
(1) Metal phthalocyanine polymer The metal phthalocyanine polymer (hereinafter simply referred to as “metal phthalocyanine polymer”) contained in the metal phthalocyanine polymer composite of the present invention comprises a structural unit represented by the general formula (1a) and a general formula (2a ) And a structural unit represented by amide bond.

Figure 2018184532

(一般式(1a)中、Lは長周期型周期表の第3〜第5周期に属する2価又は3価の金属イオンである。)
Figure 2018184532

(In general formula (1a), L is a divalent or trivalent metal ion belonging to the third to fifth periods of the long-period periodic table.)

Figure 2018184532

(一般式(2a)中、Mは長周期型周期表の第3〜第5周期に属する2価又は3価の金属イオンである。)
Figure 2018184532

(In general formula (2a), M is a divalent or trivalent metal ion belonging to the third to fifth periods of the long-period periodic table.)

このように、金属フタロシアニンポリマーは、一般式(1a)の繰り返し単位と一般式(2a)の繰り返し単位が交互に繰り返し配列したハイパーブランチ構造を有している。したがって、それぞれの繰り返し単位に含まれるフタロシアニンコアの金属Mと金属Lが交互に規則正しく配列されている。   As described above, the metal phthalocyanine polymer has a hyperbranch structure in which the repeating units of the general formula (1a) and the repeating units of the general formula (2a) are alternately arranged. Therefore, the metal M and the metal L of the phthalocyanine core contained in each repeating unit are arranged regularly and alternately.

ここで、L及びMを構成する2価の金属イオンとしては、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Cd2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、Fe2+、Co2+、Sn2+、Mn2+などを挙げることができる。また、3価の金属イオンとしては、Al3+、Fe3+、Cr3+を挙げることができる。このように、本発明では白金などの貴金属を使用することがないため、安価な金属フタロシアニンポリマーを提供することが可能となる。 Here, as a bivalent metal ion which comprises L and M, Mg <2+> , Ca <2+> , Sr <2+> , Cd <2+> , Ni < 2+ > , Zn <2+> , Cu <2+> , Fe <2+> , Co <2+> , Sn <2+> , Mn <2+>, etc. Can be mentioned. Examples of the trivalent metal ion include Al 3+ , Fe 3+ and Cr 3+ . As described above, in the present invention, no noble metal such as platinum is used, so that an inexpensive metal phthalocyanine polymer can be provided.

これらのうち、L及びMは、それぞれ独立にCo+、Ni+、Fe+からなる群より選択される金属イオンであることが好ましい。これら3種類の金属イオンは、遷移金属であり、種々の配位子と錯体形成でき、さらに比較的に入手容易かつ安価であり、毒性が低く、これらの理由で他の金属イオンよりも優れているため好ましい。特に、L及びMがCo+であるか、LがCo+でありMがNi+であるか、LがCo+でありMがFe+であることが好ましい。このように、L及びMを異種金属とすることで、後述するように金属フタロシアニンポリマーを焼成して炭素電極材料としたときに、異種金属の協同効果を探索することが可能となる。また、電極触媒に異種金属を含有させることで、1種類の金属のみを含有させた場合と比較して、一般的に有機化学触媒反応で見られる異種金属の混合効果が得られるため好ましい。 Among these, L and M are each independently a Co 2 +, Ni 2 +, is preferably a metal ion selected from the group consisting of Fe 2 +. These three types of metal ions are transition metals, can be complexed with various ligands, are relatively readily available and inexpensive, have low toxicity, and are superior to other metal ions for these reasons. Therefore, it is preferable. In particular, if L and M are Co 2 +, or L is M is Ni 2 + is Co 2 +, L it is preferred Co 2 is + M is Fe 2 +. Thus, by making L and M different metals, it becomes possible to search for the cooperative effect of different metals when a metal phthalocyanine polymer is baked into a carbon electrode material as described later. In addition, it is preferable to include a dissimilar metal in the electrode catalyst because a mixing effect of dissimilar metals generally found in an organic chemical catalytic reaction can be obtained as compared with a case where only one kind of metal is included.

(2)炭素材料
本発明の金属フタロシアニンポリマー複合体に含まれる炭素材料(以下、単に「炭素材料」という)は、炭素を主成分とする材料である。炭素材料としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノコイル、フラーレン、炭素繊維、グラファイトなどを挙げることができる。炭素材料としては、カーボンブラックが好ましく、特に導電性を有するものが好ましい。カーボンブラックの種類としては、特に制限はなく、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラックなどを使用することができる。カーボンブラックの形態としては、粉末状及び顆粒状のいずれであってもよい。また、カーボンブラックの一次粒子径は、通常は1〜500mの範囲内であり、好ましくは10〜50nmの範囲内である。カーボンブラックのBET比表面積は、通常は100〜5000m/gの範囲内であり、好ましくは500〜2000m/gの範囲内である。カーボンブラックは、一次粒子が中空シェル状の構造を持つものが好ましく、その場合の空隙率は、通常は30〜99%の範囲内であり、好ましくは50〜80%の範囲内である。なお、本明細書中、用語「CB」は「カーボンブラック」を意味する。
(2) Carbon Material The carbon material (hereinafter simply referred to as “carbon material”) contained in the metal phthalocyanine polymer composite of the present invention is a material mainly composed of carbon. Examples of the carbon material include carbon black, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanocoil, fullerene, carbon fiber, and graphite. As the carbon material, carbon black is preferable, and a conductive material is particularly preferable. There is no restriction | limiting in particular as a kind of carbon black, Furnace black, channel black, acetylene black, thermal black, ketjen black, etc. can be used. The form of carbon black may be either powdered or granular. Moreover, the primary particle diameter of carbon black is usually in the range of 1 to 500 m, preferably in the range of 10 to 50 nm. The BET specific surface area of carbon black is usually in the range of 100 to 5000 m 2 / g, and preferably in the range of 500 to 2000 m 2 / g. The carbon black preferably has a structure in which the primary particles have a hollow shell-like structure, and the porosity in that case is usually in the range of 30 to 99%, preferably in the range of 50 to 80%. In the present specification, the term “CB” means “carbon black”.

本発明で用いられるカーボンブラックの具体例としては、「ケッチェンブラック EC−600JD」(ライオン株式会社製)、「ケッチェンブラック ECP−600」(ライオン株式会社製)、「ケッチェンブラック EC−300J」(ライオン株式会社製)、「カーボンECP」(ライオン株式会社製)。「カーボンECP600JD」(ライオン株式会社製)、「#3950B」(三菱化学製)、「Black Pearls 2000」(キャボット社製)、「Printex XE2B」(デグサ社製)などを挙げることができる。   Specific examples of the carbon black used in the present invention include “Ketjen Black EC-600JD” (manufactured by Lion Corporation), “Ketjen Black ECP-600” (manufactured by Lion Corporation), and “Ketjen Black EC-300J”. "(Made by Lion Corporation)," carbon ECP "(made by Lion Corporation). “Carbon ECP600JD” (manufactured by Lion Corporation), “# 3950B” (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), “Black Pearls 2000” (manufactured by Cabot Corporation), “Printex XE2B” (manufactured by Degussa Corporation), and the like.

(3)金属フタロシアニンポリマーと炭素材料との配合比
金属フタロシアニンポリマー複合体中における金属フタロシアニンポリマーと炭素材料との配合比は、重量基準で1:1〜25:1の範囲内である。すなわち、金属フタロシアニンポリマーの炭素材料に対する配合率(金属フタロシアニンポリマーの重量/炭素材料の重量)は1〜25倍の範囲内である。この配合率が1倍(すなわち、配合比1:1)を下回ると、炭素材料に対する金属フタロシアニンポリマーの割合が少なくなりすぎるため、得られる電極触媒の酸素還元活性が低くなりやすい。一方、この配合率が25倍(すなわち、配合比25:1)を上回ると、金属フタロシアニンポリマーに対する炭素材料の割合が少なくなりすぎるため、得られる電極触媒の酸素還元活性が低くなりやすい。金属フタロシアニンポリマーと炭素材料との配合比は、好ましくは10:1〜22:1の範囲内であり、より好ましくは15:1〜21:1の範囲内である。
(3) Compounding ratio of metal phthalocyanine polymer and carbon material The compounding ratio of metal phthalocyanine polymer and carbon material in the metal phthalocyanine polymer composite is in the range of 1: 1 to 25: 1 on a weight basis. That is, the compounding ratio of the metal phthalocyanine polymer to the carbon material (weight of the metal phthalocyanine polymer / weight of the carbon material) is in the range of 1 to 25 times. If the blending ratio is less than 1 (that is, the blending ratio is 1: 1), the ratio of the metal phthalocyanine polymer to the carbon material becomes too small, so that the oxygen reduction activity of the obtained electrode catalyst tends to be low. On the other hand, when the blending ratio exceeds 25 times (that is, blending ratio 25: 1), the ratio of the carbon material to the metal phthalocyanine polymer becomes too small, and the oxygen reduction activity of the obtained electrode catalyst tends to be low. The compounding ratio of the metal phthalocyanine polymer and the carbon material is preferably in the range of 10: 1 to 22: 1, more preferably in the range of 15: 1 to 21: 1.

ここで、酸素還元活性とは、後述する酸素還元開始電位(E)と、電位0mVにおける差分電流値(Idiff=0)で評価される電極特性を意味する。そして、酸素還元活性が高いとは、酸素還元開始電位(E)が高く、かつ電位0mVにおける差分電流値(Idiff=0)の値が負に大きいことを意味する。 Here, the oxygen reduction activity means an electrode characteristic evaluated by an oxygen reduction start potential (E 0 ) described later and a differential current value (I diff = 0 ) at a potential of 0 mV. The high oxygen reduction activity means that the oxygen reduction start potential (E 0 ) is high and the value of the differential current value (I diff = 0 ) at a potential of 0 mV is negatively large.

(4)その他
本発明の金属フタロシアニンポリマー複合体は、本発明の効果を阻害しない範囲で、上記の金属フタロシアニンポリマーと炭素材料以外の成分を含んでいてもよい。このような成分としては、分散剤、増粘剤、顔料などを挙げることができる。これらの成分の含有量は、本発明の効果を阻害しない範囲で適宜設定できるが、通常は、金属フタロシアニンポリマーと炭素材料の合計量に対して、10質量%以下であり、好ましくは1質量%以下であり、より好ましくは0.1質量%以下である。
(4) Others The metal phthalocyanine polymer composite of the present invention may contain components other than the metal phthalocyanine polymer and the carbon material as long as the effects of the present invention are not inhibited. Examples of such components include a dispersant, a thickener, and a pigment. The content of these components can be appropriately set within a range not inhibiting the effect of the present invention, but is usually 10% by mass or less, preferably 1% by mass with respect to the total amount of the metal phthalocyanine polymer and the carbon material. Or less, more preferably 0.1% by mass or less.

2.金属フタロシアニンポリマー複合体の製造方法
金属フタロシアニンポリマー複合体は、金属フタロシアニンポリマーと炭素材料とを配合比が重量基準で1:1〜25:1の範囲内となるように混合することで製造することができる。以下、金属フタロシアニンポリマーの製造方法について説明する。
2. Method for producing metal phthalocyanine polymer composite A metal phthalocyanine polymer composite is produced by mixing a metal phthalocyanine polymer and a carbon material so that the blending ratio is within a range of 1: 1 to 25: 1 on a weight basis. Can do. Hereinafter, the manufacturing method of a metal phthalocyanine polymer is demonstrated.

(1)金属フタロシアニンポリマーの製造方法
金属フタロシアニンポリマーは、一般式(1)で表される金属アミノフタロシアニン化合物を合成し(工程1)、これと並行して、一般式(2)で表される金属カルボキシフタロシアニン化合物を合成し(工程2)、得られた金属アミノフタロシアニン化合物と金属カルボキシフタロシアニン化合物とを縮合すること(工程3)で製造することができる。以下、各工程について詳細に説明する。
(1) Method for Producing Metal Phthalocyanine Polymer A metal phthalocyanine polymer is synthesized by synthesizing a metal aminophthalocyanine compound represented by the general formula (1) (Step 1) and represented by the general formula (2). It can be produced by synthesizing a metal carboxyphthalocyanine compound (step 2) and condensing the obtained metal aminophthalocyanine compound and metal carboxyphthalocyanine compound (step 3). Hereinafter, each step will be described in detail.

Figure 2018184532

(一般式(1)中、Lは長周期型周期表の第3〜第5周期に属する2価又は3価の金属イオンである。)
Figure 2018184532

(In General Formula (1), L is a divalent or trivalent metal ion belonging to the third to fifth periods of the long-period periodic table.)

Figure 2018184532

(一般式(2)中、Mは長周期型周期表の第3〜第5周期に属する2価又は3価の金属イオンである。)
Figure 2018184532

(In General Formula (2), M is a divalent or trivalent metal ion belonging to the third to fifth periods of the long-period periodic table.)

(a)金属アミノフタロシアニン化合物の合成(工程1)
一般式(1)で示される金属アミノフタロシアニン化合物は、金属ニトロフタロシアニン化合物を合成し(工程1−1)、合成した金属ニトロフタロシアニン化合物のニトロ基をアミノ基に還元する(工程1−2)ことで合成することができる。以下、これらの工程を詳細に説明する。
(A) Synthesis of metal aminophthalocyanine compound (step 1)
The metal aminophthalocyanine compound represented by the general formula (1) is obtained by synthesizing a metal nitrophthalocyanine compound (step 1-1) and reducing the nitro group of the synthesized metal nitrophthalocyanine compound to an amino group (step 1-2). Can be synthesized. Hereinafter, these steps will be described in detail.

(a−1)金属ニトロフタロシアニン化合物の製造(工程1−1)
下記一般式(4)で示される金属ニトロフタロシアニン化合物は、下記一般式(3)で示される4−ニトロフタル酸、又はその酸無水物若しくはそのイミド等に、上記Lを含む金属塩、尿素、及び触媒を、必要に応じて溶媒の存在下で、反応させることにより製造することができる。上記Lを含む金属塩とは、例えば塩化コバルト(II)、塩化ニッケル(II)、塩化鉄(II)などを挙げることができる。触媒とは、例えばモリブデン酸アンモニウムなどを挙げることができる。溶媒とは、例えばニトロベンゼン、トリクロロベンゼン、トリグライムなどを挙げることができる。反応温度、反応時間は適宜設定することができるが、例えば150〜230℃、4〜12時間とすることができる。金属ニトロフタロシアニンの合成方法としては、例えば、特開平11−56989号公報、特開平10−101673号公報、特開昭53−75223号公報などを参照することができる。
(A-1) Production of metal nitrophthalocyanine compound (step 1-1)
The metal nitrophthalocyanine compound represented by the following general formula (4) is a 4-nitrophthalic acid represented by the following general formula (3), or an acid anhydride or imide thereof, a metal salt containing L, urea, and A catalyst can be manufactured by making it react in presence of a solvent as needed. Examples of the metal salt containing L include cobalt (II) chloride, nickel (II) chloride, and iron (II) chloride. Examples of the catalyst include ammonium molybdate. Examples of the solvent include nitrobenzene, trichlorobenzene, triglyme and the like. Although reaction temperature and reaction time can be set suitably, it can be set as 150-230 degreeC and 4 to 12 hours, for example. As methods for synthesizing metal nitrophthalocyanine, reference can be made to, for example, JP-A-11-56989, JP-A-10-101673, JP-A-53-75223, and the like.

Figure 2018184532
Figure 2018184532

(a−2)金属アミノフタロシアニン化合物の製造(工程1−2)
下記一般式(1)で示される金属アミノフタロシアニンは、下記一般式(4)で示される金属ニトロフタロシアニンのニトロ基を還元することで製造することができる。還元は還元剤と適宜溶媒を用いて行うことができる。還元剤としては、例えば硫化ナトリウム(NaS、Naなど)、ナトリウムヒドロスルフィド、亜二チオン酸ナトリウム、硫化アンモニウムなどを挙げることができる。この場合、溶媒としては水を挙げることができ、ここで水はプロトン源を兼ねる。反応温度、反応時間は適宜設定することができるが、例えば50〜80℃、4〜12時間とすることができる。金属アミノフタロシアニンの合成方法としては、例えば、特開平11−56989号公報、「新実験化学講座 14 有機化合物の合成と反応III、1332−1335頁、(1978年)、丸善(株)」などを参照することができる。
(A-2) Production of metal aminophthalocyanine compound (step 1-2)
The metal aminophthalocyanine represented by the following general formula (1) can be produced by reducing the nitro group of the metal nitrophthalocyanine represented by the following general formula (4). The reduction can be performed using a reducing agent and an appropriate solvent. Examples of the reducing agent include sodium sulfide (Na 2 S, Na 2 S 2 and the like), sodium hydrosulfide, sodium dithionite, ammonium sulfide, and the like. In this case, water can be mentioned as the solvent, and water also serves as a proton source. Although reaction temperature and reaction time can be set suitably, it can be set, for example as 50-80 degreeC and 4-12 hours. As a method for synthesizing metal aminophthalocyanine, for example, JP-A No. 11-56889, “New Experimental Chemistry Lecture 14 Synthesis and Reaction of Organic Compounds III, pp. 1332-1335, (1978), Maruzen Co., Ltd.” You can refer to it.

Figure 2018184532
Figure 2018184532

(b)金属カルボキシフタロシアニン化合物の合成(工程2)
一般式(2)で示される金属カルボキシフタロシアニン化合物は、金属カルボキサミドフタロシアニン化合物を合成し(工程2−1)、合成した金属カルボキサミドフタロシアニン化合物のカルボキサミド基を加水分解する(工程2−2)ことで合成することができる。以下、これらの工程を詳細に説明する。
(B) Synthesis of metal carboxyphthalocyanine compound (step 2)
The metal carboxyphthalocyanine compound represented by the general formula (2) is synthesized by synthesizing a metal carboxamide phthalocyanine compound (step 2-1) and hydrolyzing the carboxamide group of the synthesized metal carboxamide phthalocyanine compound (step 2-2). can do. Hereinafter, these steps will be described in detail.

(b−1)金属カルボキサミドフタロシアニン化合物の製造(工程2−1)
下記一般式(6)で示される金属カルボキサミドフタロシアニン化合物は、下記一般式(5)で示されるトリメリット酸無水物に、上記Mを含む金属塩、尿素、及び触媒を、必要に応じて溶媒の存在下で、反応させることにより製造することができる。上記Mを含む金属塩とは、例えば塩化コバルト(II)、塩化ニッケル(II)、塩化鉄(II)などを挙げることができる。触媒とは、例えばモリブデン酸アンモニウムなどを挙げることができる。溶媒とは、例えばニトロベンゼン、トリクロロベンゼン、トリグライムなどを挙げることができる。反応温度、反応時間は適宜設定することができるが、例えば150〜230℃、4〜12時間とすることができる。金属カルボキサミドフタロシアニンの合成方法としては、例えば、特開平11−56989号公報、特開平10−101673号公報、特開昭53−75223号公報などを参照することができる。
(B-1) Production of metal carboxamide phthalocyanine compound (step 2-1)
A metal carboxamide phthalocyanine compound represented by the following general formula (6) is prepared by adding a metal salt containing M, urea, and a catalyst to the trimellitic anhydride represented by the following general formula (5), and, if necessary, a solvent. It can manufacture by making it react in presence. Examples of the metal salt containing M include cobalt (II) chloride, nickel (II) chloride, and iron (II) chloride. Examples of the catalyst include ammonium molybdate. Examples of the solvent include nitrobenzene, trichlorobenzene, triglyme and the like. Although reaction temperature and reaction time can be set suitably, it can be set as 150-230 degreeC and 4 to 12 hours, for example. As methods for synthesizing metal carboxamide phthalocyanine, reference can be made to, for example, JP-A-11-56989, JP-A-10-101673, JP-A-53-75223, and the like.

Figure 2018184532
Figure 2018184532

(b−2)金属カルボキシフタロシアニン化合物の製造(工程2−2)
下記一般式(2)で示される金属カルボキシフタロシアニン化合物は、下記一般式(6)で示される金属カルボキサミドフタロシアニンのカルボキサミド基を加水分解することで製造することができる。加水分解は、当業者が通常用いる方法によって行うことができる。加水分解は、例えば水酸化カリウム水溶液や水酸化ナトリウム水溶液のようなアルカリ水溶液を用いて行うことができる。反応温度、反応時間は適宜設定することができるが、例えば80〜120℃、20〜30時間とすることができる。金属カルボキシフタロシアニンの合成方法としては、例えば、特開平11−56989号公報、「新実験化学講座 14 有機化合物の合成と反応II、943−947頁、(1977年)、丸善(株)」などを参照することができる。
(B-2) Production of metal carboxyphthalocyanine compound (step 2-2)
The metal carboxyphthalocyanine compound represented by the following general formula (2) can be produced by hydrolyzing the carboxamide group of the metal carboxamide phthalocyanine represented by the following general formula (6). Hydrolysis can be carried out by methods commonly used by those skilled in the art. Hydrolysis can be performed using an aqueous alkali solution such as an aqueous potassium hydroxide solution or an aqueous sodium hydroxide solution. Although reaction temperature and reaction time can be set suitably, they can be 80-120 degreeC and 20-30 hours, for example. As a method for synthesizing metal carboxyphthalocyanine, for example, JP-A No. 11-56889, “New Experimental Chemistry Course 14 Synthesis and Reaction II of Organic Compounds, 943-947, (1977), Maruzen Co., Ltd.” You can refer to it.

Figure 2018184532
Figure 2018184532

(c)金属フタロシアニンポリマーの製造(工程3)
下記一般式(7)で示される金属フタロシアニンポリマーは、下記一般式(1)で示される金属アミノフタロシアニン化合物のアミノ基と、下記一般式(2)で示される金属カルボキシフタロシアニン化合物のカルボキシル基を、アミド結合を形成させることで製造することができる。縮合反応は、縮合剤の存在下で行うことが好ましい。縮合剤としては、例えば亜リン酸トリフェニルが挙げられるが、これに限定されるものではない。縮合剤として亜リン酸トリフェニルを使用した場合、ピリジンを使用することが好ましい。さらに、縮合剤として亜リン酸トリフェニルを使用した場合、塩化リチウムや塩化カルシウムなどの金属塩を添加することができる。縮合反応は、溶媒の存在下に行うことができる。縮合反応に用いる溶媒としては、ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチルピロリドン(NMP)などを挙げることができる。
(C) Production of metal phthalocyanine polymer (Step 3)
The metal phthalocyanine polymer represented by the following general formula (7) has an amino group of the metal aminophthalocyanine compound represented by the following general formula (1) and a carboxyl group of the metal carboxyphthalocyanine compound represented by the following general formula (2). It can be produced by forming an amide bond. The condensation reaction is preferably performed in the presence of a condensing agent. Examples of the condensing agent include, but are not limited to, triphenyl phosphite. When triphenyl phosphite is used as the condensing agent, it is preferable to use pyridine. Furthermore, when triphenyl phosphite is used as the condensing agent, a metal salt such as lithium chloride or calcium chloride can be added. The condensation reaction can be carried out in the presence of a solvent. Examples of the solvent used in the condensation reaction include dimethylformamide (DMF) and N-methylpyrrolidone (NMP).

下記一般式(1)で示される金属アミノフタロシアニン化合物と下記一般式(2)で示される金属カルボキシフタロシアニン化合物の使用割合は適宜設定することができる。その使用割合としては、例えば、使用される金属アミノフタロシアニン化合物のモル数(a)と使用される金属カルボキシフタロシアニン化合物のモル数(b)の比率(a)/(b)が0.8〜1.2、好ましくは0.9〜1.1、より好ましくは1である。縮合剤として亜リン酸トリフェニルを使用した場合、亜リン酸トリフェニルの使用量は適宜設定することができる。その使用量としては、下記一般式(1)で示される金属アミノフタロシアニン化合物1molに対して、2〜40mol、好ましくは4〜30mol、より好ましくは10〜30mol、さらに好ましくは15〜25molの範囲を例示できる。縮合剤として亜リン酸トリフェニルを使用した場合、ピリジンの使用量は適宜設定することができる。その使用量としては、下記一般式(1)で示される金属アミノフタロシアニン化合物1molに対して、6〜120mol、好ましくは12〜90mol、より好ましくは30〜90mol、さらに好ましくは45〜75molの範囲を例示できる。また、ピリジンは、ここに例示の使用量と関係なく、溶媒を兼ねて使用できる。縮合剤として亜リン酸トリフェニルを使用した場合、塩化リチウムや塩化カルシウムなどの金属塩の使用量は適宜設定することができる。その使用量としては、下記一般式(1)で示される金属アミノフタロシアニン化合物1molに対して、0〜50mol、好ましくは10〜40mol、より好ましくは20〜30molの範囲を例示できる。   The ratio of the metal aminophthalocyanine compound represented by the following general formula (1) and the metal carboxyphthalocyanine compound represented by the following general formula (2) can be appropriately set. For example, the ratio (a) / (b) of the number of moles (a) of the metal aminophthalocyanine compound used and the number of moles (b) of the metal carboxyphthalocyanine compound used is 0.8 to 1. .2, preferably 0.9 to 1.1, more preferably 1. When triphenyl phosphite is used as the condensing agent, the amount of triphenyl phosphite used can be set as appropriate. The amount used is 2 to 40 mol, preferably 4 to 30 mol, more preferably 10 to 30 mol, and still more preferably 15 to 25 mol, with respect to 1 mol of the metal aminophthalocyanine compound represented by the following general formula (1). It can be illustrated. When triphenyl phosphite is used as the condensing agent, the amount of pyridine used can be appropriately set. The amount used is 6 to 120 mol, preferably 12 to 90 mol, more preferably 30 to 90 mol, and still more preferably 45 to 75 mol with respect to 1 mol of the metal aminophthalocyanine compound represented by the following general formula (1). It can be illustrated. Moreover, pyridine can be used also as a solvent irrespective of the usage-amount illustrated here. When triphenyl phosphite is used as the condensing agent, the amount of metal salt such as lithium chloride or calcium chloride can be appropriately set. As the usage-amount, the range of 0-50 mol with respect to 1 mol of metal aminophthalocyanine compounds shown by following General formula (1), Preferably it is 10-40 mol, More preferably, the range of 20-30 mol can be illustrated.

溶媒の使用量は適宜設定することができるが、溶媒の使用量としては、下記一般式(1)で示される金属アミノフタロシアニン化合物1molに対して、0.5〜100L(リットル)、好ましくは5〜50L、より好ましくは10〜30Lの範囲を例示できる。反応温度は適宜設定することができるが、反応温度としては、例えば、50〜180℃、好ましくは80〜150℃、より好ましくは80〜120℃の範囲とすることができる。反応時間は適宜設定することができるが、反応時間としては、例えば、1〜48時間、好ましくは1〜24時間、より好ましくは1〜12時間、さらに好ましくは2〜5時間とすることができる。縮合反応としては、例えば、“Journal of Organic Chemistry Vol.71, (2006) p.2874−2877”、“Organic Letters Vol.7, No.9, (2005) p.1737−1739”、「新実験化学講座 14 有機化合物の合成と反応II、1136−1141頁、(1977年)、丸善(株)」などを参照することができる。   Although the usage-amount of a solvent can be set suitably, as a usage-amount of a solvent, it is 0.5-100L (liter) with respect to 1 mol of metal aminophthalocyanine compounds shown by following General formula (1), Preferably it is 5 The range of -50L, More preferably, 10-30L can be illustrated. Although reaction temperature can be set suitably, as reaction temperature, it is 50-180 degreeC, for example, Preferably it is 80-150 degreeC, More preferably, it can be set as the range of 80-120 degreeC. Although reaction time can be set suitably, as reaction time, it can be set as 1 to 48 hours, for example, Preferably it is 1 to 24 hours, More preferably, it is 1 to 12 hours, More preferably, it can be 2 to 5 hours. . Examples of the condensation reaction include “Journal of Organic Chemistry Vol. 71, (2006) p. 2874-2877”, “Organic Letters Vol. 7, No. 9, (2005) p. 1737-1739”, “New Experiment”. Chemistry Lecture 14 Synthesis and Reaction of Organic Compounds II, pages 1136-1141 (1977), Maruzen Co., Ltd. ”can be referred to.

Figure 2018184532
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このようにして得られた金属フタロシアニンポリマーは、上記のように一般式(1a)で表される構造単位と、一般式(2a)で表される構造単位とがアミド結合した繰り返し構造単位を有するものであり、上記一般式(7)のような構造を持つ、つまりアミド構造を持つと推定される。   The metal phthalocyanine polymer thus obtained has a repeating structural unit in which the structural unit represented by the general formula (1a) and the structural unit represented by the general formula (2a) are amide-bonded as described above. It is presumed to have a structure as shown in the general formula (7), that is, an amide structure.

(2)金属フタロシアニンポリマー複合体の製造方法
金属フタロシアニンポリマー複合体は、金属フタロシアニンポリマーと炭素材料を混合することで製造することができる。金属フタロシアニンポリマーと炭素材料の混合工程は、上記の金属フタロシアニンポリマーの製造方法において、その合成反応の任意の段階で、合成系に炭素材料を混合する方法を挙げることができる。合成反応における炭素材料を混合する段階としては、一般式(1)で示される金属アミノフタロシアニン化合物と一般式(2)で示される金属カルボキシフタロシアニン化合物とから一般式(7)の金属フタロシアニンポリマーを縮合反応により合成する段階が特に好ましい。混合工程は、公知の攪拌装置を用いて行うことができる。撹拌温度は、縮合反応が進行する条件であれば特に制限はなく、通常は50〜150℃の範囲内であり、好ましくは80〜120℃の範囲内である。また、撹拌時間も、縮合反応が進行する条件であれば特に制限はなく、通常は1〜100時間の範囲内であり、好ましくは10〜50時間の範囲内である。
(2) Manufacturing method of metal phthalocyanine polymer composite The metal phthalocyanine polymer composite can be manufactured by mixing a metal phthalocyanine polymer and a carbon material. The mixing step of the metal phthalocyanine polymer and the carbon material can include a method of mixing the carbon material into the synthesis system at any stage of the synthesis reaction in the above-described method for producing the metal phthalocyanine polymer. In the step of mixing the carbon material in the synthesis reaction, the metal phthalocyanine polymer of the general formula (7) is condensed from the metal aminophthalocyanine compound represented by the general formula (1) and the metal carboxyphthalocyanine compound represented by the general formula (2). The step of synthesis by reaction is particularly preferred. The mixing step can be performed using a known stirring device. The stirring temperature is not particularly limited as long as the condensation reaction proceeds, and is usually in the range of 50 to 150 ° C, and preferably in the range of 80 to 120 ° C. Further, the stirring time is not particularly limited as long as the condensation reaction proceeds, and is usually in the range of 1 to 100 hours, and preferably in the range of 10 to 50 hours.

縮合反応終了後は、ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチルピロリドン(NMP)などの溶媒に生成物を移し、1〜10時間の範囲内で撹拌して吸引濾過する。この工程を複数回繰り返したのち、公知の方法で溶媒用いて生成物を抽出し、乾燥することで金属フタロシアニンポリマー複合体を得ることができる。   After completion of the condensation reaction, the product is transferred to a solvent such as dimethylformamide (DMF) or N-methylpyrrolidone (NMP), and stirred and filtered with suction within a range of 1 to 10 hours. After repeating this step a plurality of times, the product is extracted using a solvent by a known method and dried to obtain a metal phthalocyanine polymer composite.

また、金属フタロシアニンポリマーと炭素材料の混合工程は、金属フタロシアニンポリマー(上記の一般式(7)の化合物)と炭素材料を別々に製造したあとで、両者を混合することで実施してもよい。この混合工程も、公知の攪拌装置を用いて行うことができる。撹拌温度は、通常は10〜100℃の範囲内であり、好ましくは30〜50℃の範囲内である。撹拌時間は、通常は10分〜10時間の範囲内であり、好ましくは1〜5時間の範囲内である。   Further, the mixing step of the metal phthalocyanine polymer and the carbon material may be performed by separately manufacturing the metal phthalocyanine polymer (the compound of the general formula (7) above) and the carbon material, and then mixing both. This mixing step can also be performed using a known stirring device. The stirring temperature is usually in the range of 10 to 100 ° C, preferably in the range of 30 to 50 ° C. The stirring time is usually in the range of 10 minutes to 10 hours, preferably in the range of 1 to 5 hours.

3.電極触媒
本発明の電極触媒(以下、単に「電極触媒」という)は、上記の金属フタロシアニンポリマー複合体を前駆体(製造原料)とし、これを焼成して炭素化することで得ることができる。すなわち、電極触媒は、上記の金属フタロシアニンポリマー複合体の焼成物である。電極触媒は、高い酸素還元活性を示し、燃料電池の電極材料として好適に使用することができる。金属フタロシアニンポリマー複合体は白金を使用しないため、これを炭素化して得られる電極触媒も白金が含まれずに安価である。また、金属フタロシアニンポリマー複合体は炭素含有率が高く、フタロシアニン骨格が規則正しく結合していることから、得られる電極触媒も炭素含有率が高く、金属の分散性が優れている。さらに、金属フタロシアニンポリマー複合体の一方の金属Lと他方の金属Mを異種金属とすることで、電極触媒に2種類の金属を含有させて電極触媒の特性を多様化させることが可能となるため、より優れた特性の電極触媒を探索する際に有用である。
3. Electrode Catalyst The electrode catalyst of the present invention (hereinafter simply referred to as “electrode catalyst”) can be obtained by using the metal phthalocyanine polymer composite as a precursor (manufacturing raw material) and calcining it by calcination. That is, the electrode catalyst is a fired product of the above metal phthalocyanine polymer composite. The electrode catalyst exhibits high oxygen reduction activity and can be suitably used as an electrode material for a fuel cell. Since the metal phthalocyanine polymer composite does not use platinum, an electrode catalyst obtained by carbonizing the metal phthalocyanine polymer composite does not contain platinum and is inexpensive. In addition, since the metal phthalocyanine polymer composite has a high carbon content and the phthalocyanine skeleton is regularly bonded, the resulting electrode catalyst also has a high carbon content and excellent metal dispersibility. Furthermore, since one metal L and the other metal M of the metal phthalocyanine polymer composite are different metals, it is possible to diversify the characteristics of the electrode catalyst by containing two kinds of metals in the electrode catalyst. This is useful when searching for an electrode catalyst having better characteristics.

電極触媒は、電極触媒をディスク電極に塗布した作用電極を用い、下記の測定条件(後述する実施例と同じ条件)でリニアスイープボルタンメトリーを行って測定した結果が、下記(a)及び(b)の条件を満たす電極特性を有するものとすることができる。
<測定条件>
・電解液:酸素飽和時及び窒素飽和時の0.5M硫酸水溶液
・補助電極:白金板
・基準電極:Ag/AgCl電極
・ディスク電極の回転速度:2000rpm
・掃引範囲:950mVから−400mV
・掃引速度:1mV/秒
<電極特性>
(a)差分電流値(Idiff)が−1.0×10−6Aとなる酸素還元開始電位(E)が500mV以上
(b)電位0mVにおける差分電流値(Idiff=0)が−2.0×10−4A以下
(ここで、差分電流値(Idiff)は、酸素飽和時の電解液を測定したときの電流値(Io2)と窒素飽和時の電解液(IN2)を測定したときの電流値との差分(Io2−IN2)を意味する。)
The electrode catalyst used was a working electrode obtained by applying an electrode catalyst to a disk electrode, and the results obtained by performing linear sweep voltammetry under the following measurement conditions (same conditions as in Examples described later) were as follows (a) and (b). It is possible to have electrode characteristics that satisfy the following conditions.
<Measurement conditions>
-Electrolyte solution: 0.5 M sulfuric acid aqueous solution at oxygen saturation and nitrogen saturation-Auxiliary electrode: platinum plate-Reference electrode: Ag / AgCl electrode-Disk electrode rotation speed: 2000 rpm
-Sweep range: 950 mV to -400 mV
・ Sweep speed: 1mV / sec <electrode characteristics>
(A) Oxygen reduction starting potential (E 0 ) at which the differential current value (I diff ) is −1.0 × 10 −6 A is 500 mV or more (b) The differential current value (I diff = 0 ) at a potential of 0 mV is − 2.0 × 10 −4 A or less (here, the differential current value (I diff ) is the current value (I o2 ) when the electrolyte solution at oxygen saturation is measured and the electrolyte solution (I N2 ) at nitrogen saturation) The difference (I o2 −I N2 ) from the current value when measuring

ここで、本発明では、電極特性(a)の酸素還元開始電位(E)の値が高いほど、かつ電極特性(b)の差分電流値(Idiff=0)の値が負に大きいほど(言い換えれば、絶対値が大きいほど)、酸素還元活性が高いとしている。酸素還元開始電位(E)は、酸素還元反応が開始するときの電位を示しており、この値が大きいほど、電極触媒の反応過電圧が低く、電極触媒としての活性が高いことを意味する。また、差分電流値(Idiff=0)の値は、電位0mVにおける電流密度を反映しており、この値が負に大きいほど、電極触媒の単位体積あたりの電子授受速度が速く、電極触媒としての活性が高いことを意味する。 Here, in the present invention, the higher the value of the oxygen reduction start potential (E 0 ) of the electrode characteristic (a) and the larger the value of the differential current value (I diff = 0 ) of the electrode characteristic (b) becomes negative. (In other words, the larger the absolute value), the higher the oxygen reduction activity. The oxygen reduction start potential (E 0 ) indicates the potential when the oxygen reduction reaction starts, and the larger this value, the lower the reaction overvoltage of the electrode catalyst and the higher the activity as the electrode catalyst. Moreover, the value of the differential current value (I diff = 0 ) reflects the current density at a potential of 0 mV. The larger this value is, the faster the electron transfer rate per unit volume of the electrode catalyst, Means high activity.

電極触媒の酸素還元開始電位(E)は、上記のように500mV以上であり、好ましくは550mVであり、より好ましくは600mVである。また、電極触媒の差分電流値(Idiff=0)は、上記のように−2.0×10−4A以下であり、好ましくは−2.5×10−4A以下であり、より好ましくは−3.0×10−4A以下である。 As described above, the oxygen reduction starting potential (E 0 ) of the electrode catalyst is 500 mV or more, preferably 550 mV, and more preferably 600 mV. Further, the differential current value (I diff = 0 ) of the electrode catalyst is −2.0 × 10 −4 A or less, preferably −2.5 × 10 −4 A or less, more preferably as described above. Is −3.0 × 10 −4 A or less.

4.電極触媒の製造方法
本発明の電極触媒の製造方法は、上記の金属フタロシアニンポリマー複合体を焼成して焼成体とする工程(焼成工程)により得ることができる。さらに、必要に応じて、得られた焼成体を酸処理する工程(酸処理工程)と、を行ってもよい。
4). Method for Producing Electrocatalyst The method for producing the electrode catalyst of the present invention can be obtained by a step (firing step) in which the metal phthalocyanine polymer composite is fired to obtain a fired body. Furthermore, you may perform the process (acid treatment process) of acid-treating the obtained sintered body as needed.

(1)焼成工程
焼成体は、金属フタロシアニンポリマー複合体を焼成することで製造することができる。焼成の際の加熱温度としては、通常は650〜1500℃の範囲内であり、好ましくは800〜1000℃の範囲内であり、より好ましくは850〜950℃の範囲内である。焼成温度が650℃を下回ると、焼成が不十分で酸素還元活性が発現しにくくなりやすい。また、焼成温度が1500℃を上回ると、焼成温度が高すぎるため、炭素の構造が破壊されて酸素還元活性が発現しにくくなるほか、収率が低下しやすくなる。焼成時間としては、通常は0.1〜12時間の範囲内であり、好ましくは0.5〜6時間の範囲内であり、より好ましくは1〜5時間の範囲内であり、特に好ましくは2〜4時間の範囲内である。
(1) Firing step The fired body can be produced by firing a metal phthalocyanine polymer composite. The heating temperature at the time of firing is usually in the range of 650 to 1500 ° C, preferably in the range of 800 to 1000 ° C, more preferably in the range of 850 to 950 ° C. When the firing temperature is lower than 650 ° C., firing is insufficient and oxygen reduction activity is less likely to be exhibited. On the other hand, if the firing temperature is higher than 1500 ° C., the firing temperature is too high, so that the carbon structure is destroyed and the oxygen reduction activity is hardly exhibited, and the yield tends to decrease. The firing time is usually in the range of 0.1 to 12 hours, preferably in the range of 0.5 to 6 hours, more preferably in the range of 1 to 5 hours, and particularly preferably 2 Within the range of ~ 4 hours.

焼成は、還元性ガス雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましく、特に、焼成中に金属を還元できるとの理由から、還元性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。還元性ガスとしては、水素、一酸化炭素、硫化水素などを挙げることができる。また、不活性ガスとしては、窒素、アルゴンなどを挙げることができる。これらガス中の酸素濃度は、体積基準で100ppm以下であることが好ましく、20ppm以下であることがより好ましく、10ppm以下であることが特に好ましい。焼成については、特開2011−6283号公報、特開2009−57314号公報などを参照することができる。   Firing is preferably performed in a reducing gas atmosphere or an inert gas atmosphere. In particular, it is preferably performed in a reducing gas atmosphere because the metal can be reduced during the firing. Examples of the reducing gas include hydrogen, carbon monoxide, and hydrogen sulfide. Moreover, nitrogen, argon, etc. can be mentioned as an inert gas. The oxygen concentration in these gases is preferably 100 ppm or less, more preferably 20 ppm or less, and particularly preferably 10 ppm or less on a volume basis. Regarding firing, reference can be made to JP 2011-6283 A, JP 2009-57314 A, and the like.

(2)酸処理工程
上記の焼成工程(1)の後において、必要に応じて得られた焼成体を酸処理することで、焼成体に含まれる金属のうち少なくとも一部を溶出させて焼成体から除去する。このような酸処理工程を行うことで、焼成体に含まれる金属の少なくとも一部を除去することができる。これにより、金属を除去しない焼成体と比較して、得られる電極触媒の酸素還元活性が高くなる傾向がある。
(2) Acid treatment step After the above firing step (1), the fired product obtained as necessary is subjected to an acid treatment, so that at least a part of the metal contained in the fired product is eluted and the fired product. Remove from. By performing such an acid treatment step, at least a part of the metal contained in the fired body can be removed. Thereby, compared with the sintered body which does not remove a metal, there exists a tendency for the oxygen reduction activity of the obtained electrode catalyst to become high.

酸処理工程では、酸処理により0.01〜100重量%の金属を除去することが好ましい。酸処理により0.1〜50重量%の金属を除去することがより好ましい。酸処理により1〜25重量%の金属を除去することがさらに好ましい。酸処理により3〜20重量%の金属を除去することがさらに好ましい。酸処理により5〜15重量%の金属を除去することが特に好ましい。したがって、電極触媒中の金属の合計量は、焼成前の金属フタロシアニンポリマー複合体に含まれる金属の合計量を基準として、好ましくは0〜99.99重量%の範囲内であり、より好ましくは50〜99.9重量%の範囲内である。   In the acid treatment step, it is preferable to remove 0.01 to 100% by weight of metal by acid treatment. It is more preferable to remove 0.1 to 50% by weight of metal by acid treatment. More preferably, 1 to 25% by weight of metal is removed by acid treatment. More preferably, 3 to 20% by weight of metal is removed by acid treatment. It is particularly preferred to remove 5-15% by weight of metal by acid treatment. Therefore, the total amount of metals in the electrode catalyst is preferably in the range of 0 to 99.99% by weight, more preferably 50%, based on the total amount of metals contained in the metal phthalocyanine polymer composite before firing. Within the range of ˜99.9% by weight.

酸処理工程で使用する酸としては、金属を溶出でき、かつ炭素との反応性の低いものであれば特に限定されないが、例えば希塩酸、濃塩酸、希硫酸、濃硫酸、希硝酸、濃硝酸及び王水からなる群より選択される少なくとも1種類が好ましい。これらの酸は、溶出する金属のイオン化傾向によって適宜選択することができる。上記の酸のうち、酸化力が強く、種々の金属と反応してイオン化させる王水(濃硝酸:濃塩酸=1:3(体積比))が特に好ましい。   The acid used in the acid treatment step is not particularly limited as long as it can elute metals and has low reactivity with carbon. For example, diluted hydrochloric acid, concentrated hydrochloric acid, diluted sulfuric acid, concentrated sulfuric acid, diluted nitric acid, concentrated nitric acid and At least one selected from the group consisting of aqua regia is preferred. These acids can be appropriately selected depending on the ionization tendency of the eluted metal. Of the above acids, aqua regia (concentrated nitric acid: concentrated hydrochloric acid = 1: 3 (volume ratio)) that has strong oxidizing power and ionizes by reacting with various metals is particularly preferable.

酸処理を行う際には、焼成体を粉砕しておくことが好ましい。また、酸処理の間は、超音波処理などを継続的に行い、焼成体を粉砕したり溶液中に分散させたりすることが好ましい。このように粉砕等の処理を行うことで、酸による金属の溶出が促進されるため好ましい。   When performing the acid treatment, it is preferable to pulverize the fired body. Further, during the acid treatment, it is preferable that ultrasonic treatment or the like is continuously performed so that the fired body is pulverized or dispersed in a solution. By performing treatment such as pulverization in this manner, elution of the metal by the acid is promoted, which is preferable.

酸処理の温度は、通常は0〜80℃の範囲内であり、好ましくは2〜70℃の範囲内である。酸処理の時間は、通常は1分間〜5時間の範囲内であり、好ましくは10分間〜3時間の範囲内である。酸処理の酸の使用量は適宜設定することができるが、酸の使用量としては、焼成体1kgに対して、0.5〜100L(リットル)、好ましくは1〜50Lの範囲内である。酸処理工程の詳細については、国際公開第2015/146858号などを参照することができる。   The acid treatment temperature is usually in the range of 0 to 80 ° C, preferably in the range of 2 to 70 ° C. The acid treatment time is usually in the range of 1 minute to 5 hours, preferably in the range of 10 minutes to 3 hours. Although the usage-amount of the acid of an acid treatment can be set suitably, as a usage-amount of an acid, it is 0.5-100L (liter) with respect to 1 kg of baked bodies, Preferably it exists in the range of 1-50L. For details of the acid treatment step, International Publication No. 2015/146858 can be referred to.

本発明の電極触媒は、その特性を発揮できる分野であれば種々の用途に使用することができる。特に、本発明の電極触媒は、上記のように燃料電池のカソードとして特に好適に使用することができる。電極触媒は、グラッシーカーボンなどの電極材料の表面に塗布等することで、触媒担持電極とすることができる。電極触媒は、溶媒や分散剤の存在下、超音波などで分散させた後に塗布することが好ましい。分散剤の濃度は、通常0.5〜20重量%程度であり、好ましくは1〜10重量%程度である。塗布の方法としては、単に分散溶液を滴下する方法のほか、スクリーン印刷機、ロールコーター、グラビアコーターなど公知の装置を用いた方法でもよい。塗布後は、常温又は高温下で数時間〜数日乾燥させる。   The electrode catalyst of the present invention can be used for various applications as long as the characteristics can be exhibited. In particular, the electrode catalyst of the present invention can be used particularly suitably as a cathode of a fuel cell as described above. An electrode catalyst can be used as a catalyst-carrying electrode by coating on the surface of an electrode material such as glassy carbon. The electrode catalyst is preferably applied after being dispersed with ultrasonic waves in the presence of a solvent or a dispersant. The concentration of the dispersant is usually about 0.5 to 20% by weight, preferably about 1 to 10% by weight. The application method may be a method using a known apparatus such as a screen printing machine, a roll coater, or a gravure coater in addition to a method of simply dropping the dispersion solution. After coating, it is dried for several hours to several days at room temperature or high temperature.

なお、本発明の金属フタロシアニンポリマー複合体を焼成した電極触媒が高い酸素還元活性を有する理由は定かではないが、以下のように推測される。電極触媒の酸素還元活性は、炭素含有率と金属分散性に依存しており、両者が高いほど高い酸素還元活性を示す。金属フタロシアニンポリマーを焼成して得られる電極触媒は、もともと炭素含有率が高く、金属の分散性が優れている。加えて、本発明では、金属フタロシアニンポリマーに炭素を含有する炭素材料を配合している。これにより、金属フタロシアニンポリマー複合体を焼成して得られる電極触媒は、炭素含有率がさらに高くなり、酸素還元活性に優れたものとなる。   The reason why the electrode catalyst obtained by calcining the metal phthalocyanine polymer composite of the present invention has high oxygen reduction activity is not clear, but is presumed as follows. The oxygen reduction activity of the electrode catalyst depends on the carbon content and the metal dispersibility, and the higher the both, the higher the oxygen reduction activity. An electrode catalyst obtained by firing a metal phthalocyanine polymer originally has a high carbon content and excellent metal dispersibility. In addition, in the present invention, a carbon material containing carbon is blended in the metal phthalocyanine polymer. As a result, the electrode catalyst obtained by firing the metal phthalocyanine polymer composite has a higher carbon content and excellent oxygen reduction activity.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、これらは本発明の目的を限定するものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, these do not limit the objective of this invention.

1.テトラニトロコバルトフタロシアニン(2)の合成
4−ニトロフタル酸5.02g(23.7mmol)、七モリブデン酸アンモニウム四水和物0.508g(0.411mmol)、尿素15.0g(0.250mol)、塩化コバルト(II)2.05g(15.8mmol)、ニトロベンゼン75mLを混合し、これを180℃で6時間撹拌した。撹拌後の混合物を室温下で放冷した後、吸引濾過し、得られた固体をメタノールで一晩撹拌し、反応生成物を得た。その後、塩酸に飽和食塩水を加えて調製した1M塩酸360mLを反応生成物に加えて煮沸し、吸引濾過した。この操作を2回繰り返し行った。その後、得られた反応生成物に純水350mLを加えて煮沸し、吸引濾過した。この操作も上記と同様に2回繰り返し行った。得られた固体を80℃減圧下で乾燥し、黒色固体のテトラニトロコバルトフタロシアニン(2)を収量3.62g、収率70%で得た。構造確認はFT−IRにより行った。
1. Synthesis of tetranitrocobalt phthalocyanine (2) 4-nitrophthalic acid 5.02 g (23.7 mmol), ammonium heptamolybdate tetrahydrate 0.508 g (0.411 mmol), urea 15.0 g (0.250 mol), chloride Cobalt (II) 2.05 g (15.8 mmol) and nitrobenzene 75 mL were mixed, and this was stirred at 180 ° C. for 6 hours. The mixture after stirring was allowed to cool at room temperature and then filtered with suction, and the resulting solid was stirred overnight with methanol to obtain a reaction product. Thereafter, 360 mL of 1M hydrochloric acid prepared by adding saturated brine to hydrochloric acid was added to the reaction product, boiled, and filtered with suction. This operation was repeated twice. Thereafter, 350 mL of pure water was added to the obtained reaction product, boiled, and suction filtered. This operation was also repeated twice as described above. The obtained solid was dried under reduced pressure at 80 ° C. to obtain a black solid tetranitrocobalt phthalocyanine (2) in a yield of 3.62 g and a yield of 70%. The structure was confirmed by FT-IR.

<FT−IRによる構造確認>
図2にテトラニトロコバルトフタロシアニン(2)のIRスペクトルを示す。1520cm−1、1330cm−1付近にニトロ基に起因するピークを観測した。
<Structure confirmation by FT-IR>
FIG. 2 shows the IR spectrum of tetranitrocobalt phthalocyanine (2). Peaks attributed to nitro groups were observed in the vicinity of 1520 cm −1 and 1330 cm −1 .

2.テトラアミノコバルトフタロシアニン(M1)の合成
アルゴン雰囲気下でテトラニトロコバルトフタロシアニン(2)3.74g(4.27mmol)、純水55mLを加え、室温で1時間撹拌後、純水51mLに溶かした硫化ナトリウム九水和物20.5g(0.263mol)を混合し、さらに1時間撹拌した。その後、撹拌後の混合物をさらに65℃で8時間撹拌し、反応生成物を得た。得られた反応生成物を室温下で放冷後、吸引濾過した。次に、濾過後の反応生成物を、純水、メタノールで洗浄した後、吸引濾過し、得られた固体を一度減圧乾燥した。その後、塩酸に純水を加えて調製した0.1M希塩酸400mLを調製し、これに得られた固体を溶解させ、KOH水溶液でpH=8になるまでその溶液を中和し、煮沸を行った。煮沸後の溶液を室温下で放冷後、沈殿した固体を吸引濾過した。回収した固体を80℃減圧下で乾燥し、黒色固体のテトラアミノコバルトフタロシアニン(M1)を収量1.34g、収率41%で得た。構造確認はFT−IR、UV−visにより行った。
2. Synthesis of tetraaminocobalt phthalocyanine (M1) In an argon atmosphere, 3.74 g (4.27 mmol) of tetranitrocobalt phthalocyanine (2) and 55 mL of pure water were added, stirred for 1 hour at room temperature, and then sodium sulfide dissolved in 51 mL of pure water. 20.5 g (0.263 mol) of nonahydrate was mixed and further stirred for 1 hour. Thereafter, the stirred mixture was further stirred at 65 ° C. for 8 hours to obtain a reaction product. The resulting reaction product was allowed to cool at room temperature and then filtered with suction. Next, the filtered reaction product was washed with pure water and methanol, and then filtered with suction, and the resulting solid was once dried under reduced pressure. Thereafter, 400 mL of 0.1 M dilute hydrochloric acid prepared by adding pure water to hydrochloric acid was prepared, and the resulting solid was dissolved, and the solution was neutralized with an aqueous KOH solution until pH = 8, and boiled. . The solution after boiling was allowed to cool at room temperature, and the precipitated solid was filtered with suction. The collected solid was dried under reduced pressure at 80 ° C. to obtain a black solid tetraaminocobalt phthalocyanine (M1) in a yield of 1.34 g and a yield of 41%. The structure was confirmed by FT-IR and UV-vis.

<FT−IRによる構造確認>
図3(a)にテトラアミノコバルトフタロシアニン(M1)のIRスペクトルを示す。1520cm−1、1330cm−1付近に見られたニトロ基に起因するピークが消失し、3330cm−1、3200cm−1付近にアミノ基,1600cm−1付近にシアノ基とアミノ基に起因するピークを観測した。
<Structure confirmation by FT-IR>
FIG. 3A shows an IR spectrum of tetraaminocobalt phthalocyanine (M1). 1520 cm -1, disappeared peaks derived from the nitro group was observed in the vicinity of 1330cm -1, 3330cm -1, observed peaks due to a cyano group and an amino group near 3200 cm -1 amino group, in the vicinity of 1600 cm -1 did.

<UV−visによる構造確認>
図3(b)にテトラアミノコバルトフタロシアニン(M1)の紫外線吸収スペクトルを示す。650〜700nm付近にフタロシアニン骨格に起因するピークを観測した。紫外線吸収スペクトルの最大吸収量とショルダーピークにおけるそれぞれの波長を表1に示す。
<Structure confirmation by UV-vis>
FIG. 3B shows an ultraviolet absorption spectrum of tetraaminocobalt phthalocyanine (M1). A peak due to the phthalocyanine skeleton was observed in the vicinity of 650 to 700 nm. Table 1 shows the maximum absorption amount and the wavelength at the shoulder peak of the ultraviolet absorption spectrum.

Figure 2018184532

Table: UV-vis of Tetraaminocobalt(II) phthalocyanine
Figure 2018184532

Table: UV-vis of Tetraaminocobalt (II) phthalocyanine

3.テトラカルボキシアミドコバルトフタロシアニン(4)の合成
無水トリメリット酸10.2g(52.8mmol)、モリブテン酸アンモニウム1.05g(0.850mmol)、尿素15.0g(0.250mol)、塩化コバルト(II)4.44g(34.2mmol)、ニトロベンゼン75mLを混合し、これを180℃で6時間撹拌した。撹拌後の混合物を放冷後、吸引濾過し、メタノールで洗浄した。吸引濾過して得られた固体に、塩酸に飽和食塩水を加えて調製した1M塩酸360mLを加えて煮沸し、純水、メタノールを用いて吸引濾過した。この操作を2回繰り返し行った。その後、吸引濾過により得られた固体を、純水350mLを用いて煮沸し、純水で吸引濾過した。この操作も上記と同様に2回行った。得られた固体を80℃減圧下で乾燥し、暗青色固体のテトラカルボキシアミドコバルトフタロシアニン(4)を収量9.12g、収率79%で得た。構造確認はFT−IRにより行った。
3. Synthesis of tetracarboxyamido cobalt phthalocyanine (4) 10.2 g (52.8 mmol) trimellitic anhydride, 1.05 g (0.850 mmol) ammonium molybdate, 15.0 g (0.250 mol) urea, cobalt (II) chloride 4.44 g (34.2 mmol) and 75 mL of nitrobenzene were mixed, and this was stirred at 180 ° C. for 6 hours. The mixture after stirring was allowed to cool, then filtered with suction and washed with methanol. To the solid obtained by suction filtration, 360 mL of 1M hydrochloric acid prepared by adding saturated brine to hydrochloric acid was boiled, and filtered with suction using pure water and methanol. This operation was repeated twice. Then, the solid obtained by suction filtration was boiled using 350 mL of pure water, and suction filtered with pure water. This operation was also performed twice as described above. The obtained solid was dried at 80 ° C. under reduced pressure to obtain a dark blue solid tetracarboxyamido cobalt phthalocyanine (4) in a yield of 9.12 g and a yield of 79%. The structure was confirmed by FT-IR.

<FT−IRによる構造確認>
図4にテトラカルボキシアミドコバルトフタロシアニン(4)のIRスペクトルを示す。3350cm−1、3200cm−1付近にアミノ基、1650cm−1付近にカルボニル基とカルボキサミド基に起因するピークを観測した。
<Structure confirmation by FT-IR>
FIG. 4 shows an IR spectrum of tetracarboxyamido cobalt phthalocyanine (4). 3350 cm -1, 3200 cm -1-amino group near were observed peaks attributed to carbonyl group and carboxamide group near 1650 cm -1.

4.テトラカルボキシコバルトフタロシアニン(M2)の合成
テトラカルボキシアミドコバルトフタロシアニン(4)3.61g(4.14mmol)、水酸化カリウム38.3g(0.682mol)、純水38mLを混合し、これを100℃で24時間撹拌した。撹拌後の混合物を室温下で放冷した後、純水100mLに塩酸を加え、pH=2に調整し、3日間放置して結晶化させた。結晶を吸引濾過し、純水、エタノール、ジエチルエーテルで洗浄した後、残った固体を80℃減圧下で乾燥し、暗紫色固体のテトラカルボキシコバルトフタロシアニン(M2)を収量3.33g、収率92%で得た。構造確認をFT−IR、UV−visにより行った。
4). Synthesis of tetracarboxycobalt phthalocyanine (M2) 3.61 g (4.14 mmol) of tetracarboxyamido cobalt phthalocyanine (4), 38.3 g (0.682 mol) of potassium hydroxide, and 38 mL of pure water were mixed, and this was mixed at 100 ° C. Stir for 24 hours. The mixture after stirring was allowed to cool at room temperature, hydrochloric acid was added to 100 mL of pure water to adjust to pH = 2, and the mixture was left to crystallize for 3 days. The crystals were filtered by suction and washed with pure water, ethanol and diethyl ether, and then the remaining solid was dried at 80 ° C. under reduced pressure to give 3.33 g, 92% yield of tetracarboxycobalt phthalocyanine (M2) as a dark purple solid. I got it. The structure was confirmed by FT-IR and UV-vis.

<FT−IRによる構造確認>
図5(a)にテトラカルボキシコバルトフタロシアニン(M2)のIRスペクトルを示す。3350cm−1、3200cm−1,1650cm−1付近に見られたカルボキサミド基に起因するピークが消失し、1700cm−1付近にカルボキシ基に起因するピークを観測した。
<Structure confirmation by FT-IR>
FIG. 5A shows the IR spectrum of tetracarboxycobalt phthalocyanine (M2). The peaks attributed to the carboxamide group observed in the vicinity of 3350 cm −1 , 3200 cm −1 , and 1650 cm −1 disappeared, and the peak attributed to the carboxy group was observed in the vicinity of 1700 cm −1 .

<FT−IRによる構造確認>
図5(b)にテトラカルボキシコバルトフタロシアニン(M2)の紫外線吸収スペクトルを示す。650〜700nm付近にフタロシアニン骨格に起因するピークを観測した。紫外線吸収スペクトルの最大吸収量とショルダーピークにおけるそれぞれの波長を表2に示す。
<Structure confirmation by FT-IR>
FIG. 5B shows an ultraviolet absorption spectrum of tetracarboxycobalt phthalocyanine (M2). A peak due to the phthalocyanine skeleton was observed in the vicinity of 650 to 700 nm. Table 2 shows the maximum absorption amount and the wavelength at the shoulder peak of the ultraviolet absorption spectrum.

Figure 2018184532

Table: UV-vis of Tetracarboxycobalt(II) phthalocyanine
Figure 2018184532

Table: UV-vis of Tetracarboxycobalt (II) phthalocyanine

5.コバルトフタロシアニン複合体(P1[Co−Co])の合成:比較例1
アルゴン雰囲気下で、テトラアミノコバルトフタロシアニン(M1)0.632g(1.00mmol)、テトラカルボキシコバルトフタロシアニン(M2)0.744g(0.995mmol)に、DMF50mL、ピリジン12.5mL、亜リン酸トリフェニル6.5mL、塩化リチウム1.52gを加えて混合物を得た。この混合物を100℃で24時間撹拌して反応を行った。反応終了後、生成物をDMF中に移し、3時間撹拌して吸引濾過した。この操作を3回繰り返し行った。その後、メタノール、THFを用いて、ソックスレー抽出をそれぞれ24時間ずつ行った。その後、80℃で6時間減圧乾燥し、黒色粉末のP1[Co−Co]を収量0.758g、収率56%で得た。構造確認はFT−IRにより行った。
5). Synthesis of Cobalt Phthalocyanine Complex (P1 [Co-Co]): Comparative Example 1
Under argon atmosphere, tetraaminocobalt phthalocyanine (M1) 0.632 g (1.00 mmol), tetracarboxycobalt phthalocyanine (M2) 0.744 g (0.995 mmol), DMF 50 mL, pyridine 12.5 mL, triphenyl phosphite 6.5 mL and 1.52 g of lithium chloride were added to obtain a mixture. The mixture was stirred at 100 ° C. for 24 hours for reaction. After completion of the reaction, the product was transferred into DMF, stirred for 3 hours and filtered with suction. This operation was repeated three times. Then, Soxhlet extraction was performed for 24 hours each using methanol and THF. Then, it dried under reduced pressure at 80 degreeC for 6 hours, and obtained P1 [Co-Co] of black powder with a yield of 0.758g and a yield of 56%. The structure was confirmed by FT-IR.

6.カーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1[Co−Co]+CB(2:1))の合成:実施例1
アルゴン雰囲気下で、テトラアミノコバルトフタロシアニン(M1)0.694g(1.10mmol)、テトラカルボキシコバルトフタロシアニン(M2)0.734g(0.98mmol)に、DMF50mL、ピリジン12.5mL、亜リン酸トリフェニル6.5mL、塩化リチウム1.52g、さらにカーボンブラック(ケッチェンブラックEC600JD:ライオン株式会社製)を0.714g加え(M1,M2の合計に対し重量比2:1)、混合物を得た。この混合物を100℃で24時間撹拌して反応を行った。反応終了後、生成物をDMF中に移し、3時間撹拌して、吸引濾過した。この操作を3回繰り返し行った。その後、メタノール、THFを用いて、ソックスレー抽出をそれぞれ24時間ずつ行った。その後、80℃で6時間減圧乾燥し、黒色粉末のP1[Co−Co]+CB(2:1)を収量1.52g、収率92%で得た。構造確認はFT−IRにより行った。
6). Synthesis of Carbon Black-containing Cobalt Phthalocyanine Complex (P1 [Co-Co] + CB (2: 1)): Example 1
Under argon atmosphere, tetraaminocobalt phthalocyanine (M1) 0.694 g (1.10 mmol), tetracarboxycobalt cobalt phthalocyanine (M2) 0.734 g (0.98 mmol), DMF 50 mL, pyridine 12.5 mL, triphenyl phosphite 6.5 mL, 1.52 g of lithium chloride, and 0.714 g of carbon black (Ketjen Black EC600JD: manufactured by Lion Corporation) were added (weight ratio 2: 1 with respect to the total of M1 and M2) to obtain a mixture. The mixture was stirred at 100 ° C. for 24 hours for reaction. After completion of the reaction, the product was transferred into DMF, stirred for 3 hours and filtered with suction. This operation was repeated three times. Then, Soxhlet extraction was performed for 24 hours each using methanol and THF. Then, it dried under reduced pressure at 80 degreeC for 6 hours, and obtained black powder P1 [Co-Co] + CB (2: 1) with a yield of 1.52g and a yield of 92%. The structure was confirmed by FT-IR.

<FT−IRによる構造確認>
図6にカーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1[Co−Co]+CB(2:1))のIRスペクトルを示す。3400cm−1付近にアミノ基、1650cm−1付近にカルボニル基の一置換アミドに起因するピークを観測した。
<Structure confirmation by FT-IR>
FIG. 6 shows an IR spectrum of a carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 [Co—Co] + CB (2: 1)). 3400 cm -1-amino group near were observed peaks attributed to one substituted amide carbonyl group near 1650 cm -1.

7.カーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1+CB(10:1))の合成:実施例2
アルゴン雰囲気下で、Tetraaminocobalt(II)phthalocyanine(M1)0.696g(1.10mmol)、Tetracaboxycobalt(II)phthalocyanine(M2)0.747g(1.00mmol)に、DMF60mL、ピリジン7.5mL、亜リン酸トリフェニル6.5mL、塩化リチウム1.53g、さらにカーボンブラック(ケッチェンブラックECP−600:ライオン株式会社製)を0.144g加え(M1,M2の合計に対し重量比10:1)、混合物を得た。この混合物を100℃で24時間撹拌して反応を行った。反応終了後、生成物をDMF中に移し、3時間撹拌して、吸引濾過した。この操作を3回繰り返し行った。その後、メタノール、THFを用いて、ソックスレー抽出をそれぞれ24時間ずつ行った。その後、80℃で6時間減圧乾燥し、黒色粉末のP1[Co−Co]+CB(10:1)を収量1.29g、収率76%で得た。構造確認はFT−IRにより行った。
7). Synthesis of carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 + CB (10: 1)): Example 2
Under an argon atmosphere, Tetraaminocobalt (II) phthalocyanine (M1) 0.696 g (1.10 mmol), Tetracaboxycobalt (II) phthalocyanine (M2) 0.747 g (1.00 mmol), DMF 60 mL, pyridine 7.5 mL, phosphorous acid Add 6.5 mL of triphenyl, 1.53 g of lithium chloride, and 0.144 g of carbon black (Ketjen Black ECP-600: manufactured by Lion Corporation) (weight ratio 10: 1 with respect to the total of M1 and M2). Obtained. The mixture was stirred at 100 ° C. for 24 hours for reaction. After completion of the reaction, the product was transferred into DMF, stirred for 3 hours and filtered with suction. This operation was repeated three times. Then, Soxhlet extraction was performed for 24 hours each using methanol and THF. Then, it dried under reduced pressure at 80 degreeC for 6 hours, and obtained P1 [Co-Co] + CB (10: 1) of black powder by the yield 1.29g and the yield 76%. The structure was confirmed by FT-IR.

<FT−IRによる構造確認>
図7にカーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1+CB(10:1))のIRスペクトルを示す。3400cm−1付近にアミノ基、1650cm−1付近にカルボニル基の一置換アミドに起因するピークを観測した。
<Structure confirmation by FT-IR>
FIG. 7 shows an IR spectrum of a carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 + CB (10: 1)). 3400 cm -1-amino group near were observed peaks attributed to one substituted amide carbonyl group near 1650 cm -1.

8.カーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1+CB(20:1))の合成:実施例3
アルゴン雰囲気下で、Tetraaminocobalt(II)phthalocyanine(M1)0.701g(1.10mmol)、Tetracaboxycobalt(II)phthalocyanine(M2)0.755g(1.00mmol)に、DMF60mL、ピリジン7.5mL、亜リン酸トリフェニル6.5mL、塩化リチウム1.53g、さらにカーボンブラック(ケッチェンブラックECP−600:ライオン株式会社製)を0.0728g加え(M1,M2の合計に対し重量比20:1)、混合物を得た。この混合物を100℃で24時間撹拌して反応を行った。反応終了後、生成物をDMF中に移し、3時間撹拌して、吸引濾過した。この操作を3回繰り返し行った。その後、メタノール、THFを用いて、ソックスレー抽出をそれぞれ24時間ずつ行った。その後、80℃で6時間減圧乾燥し、黒色粉末のP1[Co−Co]+CB(20:1)を収量0.819g、収率59%で得た。構造確認はFT−IRにより行った。
8). Synthesis of carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 + CB (20: 1)): Example 3
Under argon atmosphere, Tetraaminocobalt (II) Phthalocyanine (M1) 0.701 g (1.10 mmol), Tetracaboxycobalt (II) Phthalocyanine (M2) 0.755 g (1.00 mmol), DMF 60 mL, pyridine 7.5 mL, phosphorous acid 6.5 mL of triphenyl, 1.53 g of lithium chloride, and 0.0728 g of carbon black (Ketjen Black ECP-600: manufactured by Lion Corporation) were added (weight ratio of 20: 1 with respect to the total of M1 and M2). Obtained. The mixture was stirred at 100 ° C. for 24 hours for reaction. After completion of the reaction, the product was transferred into DMF, stirred for 3 hours and filtered with suction. This operation was repeated three times. Then, Soxhlet extraction was performed for 24 hours each using methanol and THF. Then, it dried under reduced pressure at 80 degreeC for 6 hours, and obtained P1 [Co-Co] + CB (20: 1) of black powder with the yield of 0.819g and 59% of the yield. The structure was confirmed by FT-IR.

<FT−IRによる構造確認>
図8にカーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1+CB(20:1))のIRスペクトルを示す。3400cm−1付近にアミノ基、1650cm−1付近にカルボニル基の一置換アミドに起因するピークを観測した。
<Structure confirmation by FT-IR>
FIG. 8 shows an IR spectrum of a carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 + CB (20: 1)). 3400 cm -1-amino group near were observed peaks attributed to one substituted amide carbonyl group near 1650 cm -1.

9.カーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1+CB(30:1))の合成:比較例2
アルゴン雰囲気下で、Tetraaminocobalt(II)phthalocyanine0.632g(1.00mmol)、Tetracaboxycobalt(II)phthalocyanine0.748g(1.00mmol)に、DMF50mL、ピリジン7.5mL、亜リン酸トリフェニル4.7mL、塩化リチウム1.53g、さらにカーボンブラック(ケッチェンブラックECP−600:ライオン株式会社製)を0.0460g加え(M1,M2の合計に対し重量比30:1)、混合物を得た。この混合物を100℃で24時間撹拌し、反応を行った。反応終了後、生成物をDMF中に移し、3時間撹拌して、吸引濾過した。この操作を3回繰り返し行った。その後、メタノール、THFを用いて、ソックスレー抽出をそれぞれ24時間ずつ行った。その後、80℃で6時間減圧乾燥し、黒色粉末のP1+CB[Co−Co](30:1)を収量1.33g、収率93%で得た。構造確認はFT−IRにより行った。
9. Synthesis of carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 + CB (30: 1)): Comparative Example 2
Under an argon atmosphere, Tetraaminocobalt (II) phthalocyanine 0.632 g (1.00 mmol), Tetracaboxylate (II) phthalocyanine 0.748 g (1.00 mmol), DMF 50 mL, pyridine 7.5 mL, triphenyl phosphite 4.7 mL, lithium chloride 1.53 g and 0.0460 g of carbon black (Ketjen Black ECP-600: manufactured by Lion Corporation) were added (weight ratio 30: 1 with respect to the total of M1 and M2) to obtain a mixture. This mixture was stirred at 100 ° C. for 24 hours to carry out a reaction. After completion of the reaction, the product was transferred into DMF, stirred for 3 hours and filtered with suction. This operation was repeated three times. Then, Soxhlet extraction was performed for 24 hours each using methanol and THF. Then, it dried under reduced pressure at 80 degreeC for 6 hours, and obtained P1 + CB [Co-Co] (30: 1) of black powder with a yield of 1.33g and a yield of 93%. The structure was confirmed by FT-IR.

<FT−IRによる構造確認>
図9にカーボンブラック含有コバルトフタロシアニン複合体(P1+CB(30:1))のIRスペクトルを示す。3400cm−1付近にアミノ基、1650cm−1付近にカルボニル基の一置換アミドに起因するピークを観測した。
<Structure confirmation by FT-IR>
FIG. 9 shows an IR spectrum of a carbon black-containing cobalt phthalocyanine complex (P1 + CB (30: 1)). 3400 cm -1-amino group near were observed peaks attributed to one substituted amide carbonyl group near 1650 cm -1.

10.合成した各試料の焼成
三又ガラス管に、石英ウールとP1[Co−Co]と、カーボンブラック含有量の異なる各P1[Co−Co]+CBをつめ、セラミクス電気管状炉(ARF−30KC)にセットし、不活性状態にするため窒素気流中で1時間放置した。その後、温度を900℃まで上昇させ、水素気流中で3時間焼成を行い、炭化させて触媒材料とした。焼成終了後、窒素気流中で常温まで放冷し、黒色の残渣を回収した。各試料の焼成結果を以下の表3に示す。
10. Firing of each synthesized sample In a trifurcated glass tube, quartz wool, P1 [Co-Co], and each P1 [Co-Co] + CB having different carbon black contents are packed into a ceramic electric tubular furnace (ARF-30KC). It was set and left in a nitrogen stream for 1 hour to make it inert. Thereafter, the temperature was raised to 900 ° C., calcination was performed in a hydrogen stream for 3 hours, and carbonized to obtain a catalyst material. After the completion of firing, the mixture was allowed to cool to room temperature in a nitrogen stream, and a black residue was recovered. The firing results for each sample are shown in Table 3 below.

Figure 2018184532
Figure 2018184532

10.LSV測定
得られた触媒材料に対して酸素還元活性の評価を行うため、回転ディスクボルタンメトリー装置(ビー・エー・エス株式会社製 RRDE−3A ver.1.2)を用いてリニアスイープボルタンメトリー測定(LSV測定)を行った。試料調整として、粒径を30μm以下に粉砕した触媒材料5mgを5%ナフィオン分散溶液50μL、エタノール150μL、純水150μLに分散し、インク液を作製した。
10. LSV Measurement In order to evaluate the oxygen reduction activity of the obtained catalyst material, linear sweep voltammetry measurement (LSV) using a rotating disk voltammetry device (RRDE-3A ver. 1.2 manufactured by BAS Inc.). Measurement). For sample preparation, 5 mg of a catalyst material pulverized to a particle size of 30 μm or less was dispersed in 50 μL of 5% Nafion dispersion solution, 150 μL of ethanol, and 150 μL of pure water to prepare an ink solution.

内径3mmグラッシーカーボン(GC)ディスク電極上にインク液1μLを塗布、乾燥し、酸素還元電極とした。電解液に0.5M硫酸水溶液を使用し、事前に酸素をバブリングして飽和させた酸素飽和時の硫酸水溶液と、窒素をバブリングして酸素を除去した窒素飽和時の硫酸水溶液を用意した。補助電極に白金板、基準電極にAg/AgCl電極を用いた。LSV測定は、上記の電極と電解液を使用し、電極回転速度2000rpm、掃引範囲950mVから−400mV、掃引速度1mV/sで測定を行った。酸素飽和時の電解液と窒素飽和時の電解液についてそれぞれ測定を行い、得られた電流値の差分(Idiff)から酸素還元活性を評価した。 An ink solution of 1 μL was applied onto a 3 mm inner diameter glassy carbon (GC) disk electrode and dried to obtain an oxygen reduction electrode. A 0.5 M sulfuric acid aqueous solution was used as the electrolytic solution, and an oxygen saturated sulfuric acid aqueous solution saturated by bubbling oxygen in advance and a nitrogen saturated sulfuric acid aqueous solution from which oxygen was removed by bubbling nitrogen were prepared. A platinum plate was used as the auxiliary electrode, and an Ag / AgCl electrode was used as the reference electrode. The LSV measurement was performed using the above electrode and the electrolyte, at an electrode rotation speed of 2000 rpm, a sweep range of 950 mV to -400 mV, and a sweep speed of 1 mV / s. Each of the electrolyte solution at the time of oxygen saturation and the electrolyte solution at the time of nitrogen saturation was measured, and the oxygen reduction activity was evaluated from the difference (I diff ) between the obtained current values.

図1に、P1[Co−Co]、カーボンブラック含有量の異なる各P1[Co−Co]+CBの焼成後と白金触媒のボルタモグラムを示す。この図の結果から、実施例1〜3のようにカーボンブラックを所定の含有量となるように添加した場合は、酸素還元開始電位が500mV以上と高く、また電位0mVにおける差分電流値(Idiff=0)が−2.0×10−4A以下であり、酸素還元活性が高いことがわかった。一方、カーボンブラックを含有していない比較例1や、カーボンブラックの含有量が少ない比較例2では、実施例1〜3と比較して酸素還元開始電位が低く、差分電流値(Idiff=0)も高いことから、これらの実施例と比べて酸素還元活性が低いことがわかった。 FIG. 1 shows a voltammogram of platinum catalyst after calcination of P1 [Co—Co] and P1 [Co—Co] + CB having different carbon black contents. From the results shown in this figure, when carbon black was added so as to have a predetermined content as in Examples 1 to 3, the oxygen reduction starting potential was as high as 500 mV or more, and the differential current value (I diff at a potential of 0 mV). = 0 ) is −2.0 × 10 −4 A or less, indicating that the oxygen reduction activity is high. On the other hand, in Comparative Example 1 that does not contain carbon black and Comparative Example 2 in which the content of carbon black is low, the oxygen reduction starting potential is lower than in Examples 1 to 3, and the differential current value (I diff = 0). ) Was high, it was found that the oxygen reduction activity was low compared to these Examples.

11.王水処理
実施例1の触媒材料0.3gを王水2.5mLに溶解する王水処理により金属を除去した。ろ過・洗浄・乾燥後に、同様にインク液を作製し、LSV測定を行い、金属を除去した脱金属触媒について活性を評価した。
11. Aqua regia treatment The metal was removed by aqua regia treatment in which 0.3 g of the catalyst material of Example 1 was dissolved in 2.5 mL of aqua regia. After filtration, washing, and drying, an ink solution was similarly prepared, LSV measurement was performed, and the activity of the demetallized catalyst from which the metal was removed was evaluated.

図10に、実施例1のP1[Co−Co]の焼成後及び王水処理後のボルタモグラムを示す。この図の結果から、王水処理前後で酸素還元開始電位の値はほぼ同じであったが、電位0mVにおける差分電流値(Idiff=0)は王水処理後の方が値が優れていたことから、王水処理によって酸素還元活性が高くなることがわかった。 In FIG. 10, the voltammogram after baking of P1 [Co-Co] of Example 1 and after aqua regia treatment is shown. From the result of this figure, the value of the oxygen reduction starting potential was almost the same before and after the aqua regia treatment, but the difference current value (I diff = 0 ) at the potential of 0 mV was superior after the aqua regia treatment. From this, it was found that oxygen reduction activity was increased by aqua regia treatment.

Claims (13)

一般式(1a)で表される構造単位と、一般式(2a)で表される構造単位とがアミド結合した繰り返し構造単位を有する金属フタロシアニンポリマーと、炭素材料とを含有し、前記金属フタロシアニンポリマーと前記炭素材料との配合比が重量基準で1:1〜25:1の範囲内であることを特徴とする金属フタロシアニンポリマー複合体。
Figure 2018184532

(一般式(1a)中、Lは長周期型周期表の第3〜第5周期に属する2価又は3価の金属イオンである。)
Figure 2018184532

(一般式(2a)中、Mは長周期型周期表の第3〜第5周期に属する2価又は3価の金属イオンである。)
A metal phthalocyanine polymer having a repeating structural unit in which a structural unit represented by the general formula (1a) and a structural unit represented by the general formula (2a) are amide-bonded, and a carbon material, the metal phthalocyanine polymer The metal phthalocyanine polymer composite is characterized in that the blending ratio of the carbon material and the carbon material is in the range of 1: 1 to 25: 1 on a weight basis.
Figure 2018184532

(In general formula (1a), L is a divalent or trivalent metal ion belonging to the third to fifth periods of the long-period periodic table.)
Figure 2018184532

(In general formula (2a), M is a divalent or trivalent metal ion belonging to the third to fifth periods of the long-period periodic table.)
前記L及び前記Mはそれぞれ独立にCo2+、Ni2+、Fe2+からなる群より選択される金属イオンであることを特徴とする請求項1に記載の金属フタロシアニンポリマー複合体。 2. The metal phthalocyanine polymer composite according to claim 1, wherein L and M are each independently a metal ion selected from the group consisting of Co 2+ , Ni 2+ , and Fe 2+ . 前記L及び前記MはCo2+であることを特徴とする請求項1に記載の金属フタロシアニンポリマー複合体。 The metal phthalocyanine polymer composite according to claim 1, wherein L and M are Co 2+ . 前記LはCo2+であり、前記MはNi2+であることを特徴とする請求項1に記載の金属フタロシアニンポリマー複合体。 The metal phthalocyanine polymer composite according to claim 1, wherein L is Co 2+ and M is Ni 2+ . 前記LはCo2+であり、前記MはFe2+であることを特徴とする請求項1に記載の金属フタロシアニンポリマー複合体。 The metal phthalocyanine polymer composite according to claim 1, wherein L is Co 2+ and M is Fe 2+ . 前記炭素材料がカーボンブラックであることを特徴とする請求項1に記載の金属フタロシアニンポリマー複合体。   The metal phthalocyanine polymer composite according to claim 1, wherein the carbon material is carbon black. 請求項1に記載の金属フタロシアニンポリマー複合体の焼成物を含む電極触媒であって、
該電極触媒をディスク電極に塗布した作用電極を用いたリニアスイープボルタンメトリーにおいて、電解液として酸素飽和時及び窒素飽和時の0.5M硫酸水溶液、補助電極として白金板、基準電極としてAg/AgCl電極を用い、酸素飽和時の前記電解液及び窒素飽和時の前記電解液のそれぞれに対して、前記ディスク電極の回転速度2000rpmの条件下で、掃引範囲950mVから−400mVへ掃引速度1mV/秒で掃引したときに、下記(a)及び(b)の条件を満たす電極特性を有することを特徴とする電極触媒。
<電極特性>
酸素飽和時の前記電解液を測定したときの電流値と窒素飽和時の前記電解液を測定したときの電流値との差分の電流値を差分電流値(Idiff)としたときに、
(a)前記差分電流値(Idiff)が−1.0×10−6Aとなる酸素還元開始電位(E)が500mV以上である、
(b)電位0mVにおける前記差分電流値(Idiff=0)が−2.0×10−4A以下である。
An electrode catalyst comprising a fired product of the metal phthalocyanine polymer composite according to claim 1,
In linear sweep voltammetry using a working electrode in which the electrode catalyst is applied to a disk electrode, 0.5M sulfuric acid aqueous solution at the time of oxygen saturation and nitrogen saturation as an electrolyte, a platinum plate as an auxiliary electrode, and an Ag / AgCl electrode as a reference electrode Used, the electrolyte solution at the time of oxygen saturation and the electrolyte solution at the time of nitrogen saturation were swept from a sweep range of 950 mV to −400 mV at a sweep speed of 1 mV / sec under the condition of a rotational speed of the disk electrode of 2000 rpm. An electrode catalyst characterized by having electrode characteristics that satisfy the following conditions (a) and (b).
<Electrode characteristics>
When the current value of the difference between the current value when measuring the electrolytic solution at the time of oxygen saturation and the current value when measuring the electrolytic solution at the time of nitrogen saturation is the differential current value (I diff ),
(A) The oxygen reduction starting potential (E 0 ) at which the differential current value (I diff ) is −1.0 × 10 −6 A is 500 mV or more,
(B) The differential current value (I diff = 0 ) at a potential of 0 mV is −2.0 × 10 −4 A or less.
請求項1に記載の金属フタロシアニンポリマー複合体を還元性ガス雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下、650〜1500℃において焼成することにより製造されることを特徴とする電極触媒。   An electrode catalyst produced by firing the metal phthalocyanine polymer composite according to claim 1 at 650 to 1500 ° C in a reducing gas atmosphere or an inert gas atmosphere. 請求項1に記載の金属フタロシアニンポリマー複合体を還元性ガス雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下、650〜1500℃において焼成することにより製造することを特徴とする電極触媒の製造方法。   A method for producing an electrode catalyst, comprising producing the metal phthalocyanine polymer composite according to claim 1 by firing at 650 to 1500 ° C in a reducing gas atmosphere or in an inert gas atmosphere. 前記焼成が還元性ガス雰囲気下、800〜1000℃において行われることを特徴とする請求項9に記載の電極触媒の製造方法。   The method for producing an electrode catalyst according to claim 9, wherein the calcination is performed at 800 to 1000 ° C. in a reducing gas atmosphere. 焼成後の金属フタロシアニンポリマー複合体をさらに酸処理することを特徴とする請求項9に記載の電極触媒の製造方法。   The method for producing an electrode catalyst according to claim 9, wherein the metal phthalocyanine polymer composite after calcination is further acid-treated. 前記酸が希塩酸、濃塩酸、希硫酸、濃硫酸、希硝酸、濃硝酸及び王水からなる群より選択される少なくとも1種類であることを特徴とする請求項11に記載の電極触媒の製造方法。   The method for producing an electrode catalyst according to claim 11, wherein the acid is at least one selected from the group consisting of dilute hydrochloric acid, concentrated hydrochloric acid, dilute sulfuric acid, concentrated sulfuric acid, dilute nitric acid, concentrated nitric acid, and aqua regia. . 前記酸が王水であることを特徴とする請求項12に記載の電極触媒の製造方法。   The method for producing an electrocatalyst according to claim 12, wherein the acid is aqua regia.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113889630A (en) * 2021-09-29 2022-01-04 陕西科技大学 Preparation method of composite structure oxygen reduction electrocatalyst for fuel cell cathode

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