JP2019052116A - Nitrogen-containing polycyclic compound - Google Patents

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Abstract

To provide a nitrogen-containing polycyclic compound that can be suitably used as an oxygen reduction catalyst.SOLUTION: A nitrogen-containing polycyclic compound is illustrated by the formula (5), where n is the number of 1 or more, normally 1000 or less.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、含窒素多環式化合物に関する。より詳しくは、酸素還元触媒として好適に用いることができる含窒素多環式化合物、その焼成体、及び、含窒素多環式化合物又は焼成体を含んで構成される酸素還元触媒に関する。 The present invention relates to a nitrogen-containing polycyclic compound. More specifically, the present invention relates to a nitrogen-containing polycyclic compound that can be suitably used as an oxygen reduction catalyst, a fired body thereof, and an oxygen reduction catalyst that includes the nitrogen-containing polycyclic compound or the fired body.

グラフェンナノリボン(GNR)は、sp結合で結合した炭素原子が平面上に並んだグラフェン様の構造をもつが、2次元的な平面状ではなく、リボンのような直線型やアームチェア型等の形状を有する。GNRは、その特異な構造や物性のために数多くの研究がなされ、種々の用途に用いられることが期待されている。例えばGNRには、平面状のグラフェンと異なり、短軸方向が有限であるため、バンドギャップが存在することから、半導体として用いることが期待されている。 Graphene nanoribbon (GNR) has a graphene-like structure in which carbon atoms bonded by sp 2 bonds are arranged on a plane, but it is not a two-dimensional plane, but a linear type such as a ribbon or an armchair type Has a shape. GNR has been researched for its unique structure and physical properties, and is expected to be used in various applications. For example, unlike planar graphene, GNR is expected to be used as a semiconductor because the short axis direction is finite and a band gap exists.

このようなGNRの合成方法は大きく分けて2つある。1つ目がカーボンナノチューブを軸方向に開く方法であり、例えばカーボンナノチューブを酸化剤により開環する方法が開示されている(例えば、非特許文献1参照)。2つ目が有機合成の手法を用いる方法である。有機合成の手法を用いる方法にも、前駆体までは有機合成の手法を用いて得、前駆体のGNR化は熱的(物理的)作用を利用するものと、GNRまで全て有機合成の手法を用いて得るものとがある。前者としては、例えば、前駆体となるブロモ体までは有機合成の手法を用いて合成し、ポリマー化及びGNR化は基板上での加熱で行って直線型GNR及びアームチェア型GNRを得、走査型トンネル顕微鏡を用いて同定したものが開示されている(例えば、非特許文献2参照)。後者としては、例えば、アームチェア型含窒素GNRを有機合成の手法により得たものが開示されている(例えば、非特許文献3参照)。 There are roughly two methods for synthesizing such GNR. The first is a method of opening a carbon nanotube in the axial direction. For example, a method of opening a carbon nanotube with an oxidizing agent is disclosed (for example, see Non-Patent Document 1). The second is a method using an organic synthesis method. In the method using the organic synthesis method, the precursor is obtained by using the organic synthesis method, and the GNR conversion of the precursor uses the thermal (physical) action, and all the organic synthesis methods up to the GNR are used. There is something to get by using. As the former, for example, a bromo compound as a precursor is synthesized using an organic synthesis method, and polymerization and GNR conversion are performed by heating on a substrate to obtain a linear GNR and an armchair GNR, and scanning. What was identified using the scanning tunnel microscope is disclosed (for example, refer nonpatent literature 2). As the latter, for example, an armchair type nitrogen-containing GNR obtained by an organic synthesis technique is disclosed (for example, see Non-Patent Document 3).

ところで、含窒素ナノカーボン材料と鉄等の金属とを混ぜて、酸素還元触媒として利用する例が開示されている(例えば、非特許文献4参照)。 By the way, an example in which a nitrogen-containing nanocarbon material and a metal such as iron are mixed and used as an oxygen reduction catalyst is disclosed (for example, see Non-Patent Document 4).

Dmitry V. Kosynkin, 他6名, Nature 458, 872-876 (2009)Dmitry V. Kosynkin, 6 others, Nature 458, 872-876 (2009) Jinming Cai, 他11名, Nature 466, 470-473 (2010)Jinming Cai, 11 others, Nature 466, 470-473 (2010) Timothy H. Vo, 他6名, Chem. Commun., 2014, 50, 4172-4174Timothy H. Vo, 6 others, Chem. Commun., 2014, 50, 4172-4174 Zimmermann G, 他2名, Top Curr. Chem., 1976, 61, 133-181Zimmermann G, 2 others, Top Curr. Chem., 1976, 61, 133-181

上記のとおり、GNRを種々の用途に用いることが検討されているが、GNRは幅の長さが異なるもの、直線型のものやアームチェア型のもの、他の元素をドープしたもの等、種々の構造のものが考えられ、まだ充分に検討が進んでいるとはいえず、更なるGNRを開発する余地がある。新たな構造のGNRを開発することは、今後の様々な用途への展開を検討するうえでも好ましい。 As described above, it has been studied to use GNR for various purposes, but GNR has various width lengths, linear type, armchair type, and other elements doped. The structure of this is considered, and it cannot be said that the examination is still sufficiently advanced, and there is room for further GNR development. It is preferable to develop a GNR having a new structure in consideration of future development for various uses.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、新規なGNRを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide a novel GNR.

本発明者らは、新規なGNRについて種々検討し、含窒素GNRであって、窒素の位置が特定された含窒素多環式化合物を合成した。本発明者らは、この含窒素多環式化合物を焼成・金属担持させたものが酸素還元反応活性に優れ、酸素還元触媒の原料として有用であることを見出し、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。 The present inventors have studied various novel GNRs and synthesized nitrogen-containing polycyclic compounds that are nitrogen-containing GNRs and in which the position of nitrogen is specified. The present inventors have found that this nitrogen-containing polycyclic compound calcined and metal-supported is excellent in oxygen reduction reaction activity and useful as a raw material for an oxygen reduction catalyst, and solves the above-mentioned problems brilliantly. Thus, the present invention has been achieved.

すなわち本発明は、下記一般式(1)で表される構造を含む構成単位を有することを特徴とする含窒素多環式化合物である。 That is, this invention is a nitrogen-containing polycyclic compound characterized by having the structural unit containing the structure represented by following General formula (1).

Figure 2019052116
Figure 2019052116

(式中、X及びXは、それぞれ、水素原子、ハロゲン原子、OTf基、OTs基、又は、該構成単位中の一般式(1)で表される構造以外の別の構造若しくは他の構成単位との結合部位を表し、Tfは、トリフルオロメチルスルホニル基を表し、Tsは、トシル基を表す。Y、Y、Y、及び、Yは、それぞれ、水素原子と結合した炭素原子、又は、該構成単位中の一般式(1)で表される構造以外の別の構造若しくは他の構成単位と結合した炭素原子を表す。Y及びY、Y及びYは、それぞれ、一方が窒素原子を表し、他方が水素原子と結合した炭素原子を表す。点線は、結合が形成されていてもよく、形成されていなくてもよいことを表す。)
以下に本発明を詳述する。
(In the formula, X 1 and X 2 are each a hydrogen atom, a halogen atom, an OTf group, an OTs group, another structure other than the structure represented by the general formula (1) in the structural unit, or other Represents a bonding site with a structural unit, Tf represents a trifluoromethylsulfonyl group, Ts represents a tosyl group, Y 1 , Y 2 , Y 7 , and Y 8 each bonded to a hydrogen atom. A carbon atom or a carbon atom bonded to another structure other than the structure represented by the general formula (1) in the structural unit or another structural unit is represented.Y 3 and Y 4 , Y 5 and Y 6 are And one represents a nitrogen atom and the other represents a carbon atom bonded to a hydrogen atom, and a dotted line represents that a bond may or may not be formed.)
The present invention is described in detail below.

本発明の含窒素多環式化合物は、上述の構成よりなり、本発明の含窒素多環式化合物を用いた高活性の酸素還元触媒を得ることができる。 The nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention has the above-described configuration, and a highly active oxygen reduction catalyst using the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention can be obtained.

本発明の含窒素多環式化合物についてMALDI−TOFMSを測定した結果を示す。The result of having measured MALDI-TOFMS about the nitrogen-containing polycyclic compound of this invention is shown. 本発明の含窒素多環式化合物及び焼成体についてICP−AES(誘導結合プラズマ発光分光分析法)及び元素分析を測定した結果を示す。The result of having measured ICP-AES (inductively coupled plasma emission spectrometry) and elemental analysis about the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention and the fired body is shown. 本発明の含窒素多環式化合物について熱重量測定を行った結果を示す。The result of having performed the thermogravimetric measurement about the nitrogen-containing polycyclic compound of this invention is shown. 本発明の含窒素多環式化合物についてX線光電子分光法を行った結果を示す。The result of having performed the X ray photoelectron spectroscopy about the nitrogen-containing polycyclic compound of this invention is shown. 本発明の焼成体についてX線光電子分光法を行った結果を示す。The result of having performed X-ray photoelectron spectroscopy about the sintered body of this invention is shown. 本発明の焼成体についてX線吸収微細構造を解析した結果を示す。The result of having analyzed X-ray absorption fine structure about the calcination object of the present invention is shown. 本発明の焼成体についてX線吸収微細構造を解析した結果を示す。The result of having analyzed X-ray absorption fine structure about the calcination object of the present invention is shown. 本発明の焼成体についての酸素還元反応活性を示す。The oxygen reduction reaction activity about the sintered body of this invention is shown. 本発明の焼成体及び比較例の焼成体についての酸素還元反応活性を示す。The oxygen reduction reaction activity about the sintered body of this invention and the sintered body of a comparative example is shown.

以下に本発明を詳述する。
なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい形態を2つ以上組み合わせたものもまた、本発明の好ましい形態である。
The present invention is described in detail below.
A combination of two or more preferred embodiments of the present invention described below is also a preferred embodiment of the present invention.

<含窒素多環式化合物>
本発明の含窒素多環式化合物は、上記一般式(1)で表される構造を含む構成単位を有する。本発明の含窒素多環式化合物が上記一般式(1)で表される構造を含む構成単位を有するとは、上記構成単位が、上記一般式(1)で表される構造であってもよく、上記一般式(1)で表される構造に、一般式(1)で表される構造以外の別の構造が付加したものであってもよい。
上記一般式(1)で表される構造以外の別の構造は、上記一般式(1)で表される構造に結合している原子又は原子団であって、上記一般式(1)で表される構造とともに上記構成単位を構成する。上記一般式(1)で表される構造に結合している原子又は原子団としては、平面上に並んだ構造を構成するsp結合で結合した炭素原子が好ましいが、窒素、酸素、硫黄、ケイ素、リン等の異種元素がドープされていても構わない。
<Nitrogen-containing polycyclic compound>
The nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention has a structural unit including the structure represented by the general formula (1). The nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention has a structural unit containing the structure represented by the general formula (1), even if the structural unit is a structure represented by the general formula (1). Alternatively, another structure other than the structure represented by the general formula (1) may be added to the structure represented by the general formula (1).
Another structure other than the structure represented by the general formula (1) is an atom or an atomic group bonded to the structure represented by the general formula (1), and is represented by the general formula (1). The structural unit is configured together with the structure to be formed. As the atom or atomic group bonded to the structure represented by the general formula (1), a carbon atom bonded by an sp 2 bond constituting a structure arranged on a plane is preferable, but nitrogen, oxygen, sulfur, Different elements such as silicon and phosphorus may be doped.

本発明の含窒素多環式化合物が有する上記構成単位の数は、1個であってもよく、2個以上が連結したものであってもよい。すなわち、本発明の含窒素多環式化合物は、含窒素GNRであってもよく、含窒素GNRの原料であるモノマー又はポリマーであってもよい。
本発明の含窒素多環式化合物は、GNR化により共役系を自在に伸ばすことができ、これにより、導電経路を広げることができ、酸素還元反応活性をより優れたものとすることができると考えられる。また、GNRやその原料であるモノマー又はポリマーは、そのエッジが基本的にいわゆるアームチェアエッジから構成されており、酸素に対して安定である。
The number of the structural units contained in the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention may be one, or two or more may be linked. That is, the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention may be a nitrogen-containing GNR, or a monomer or polymer that is a raw material of the nitrogen-containing GNR.
The nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention can freely extend the conjugated system by GNR conversion, thereby expanding the conductive path and improving the oxygen reduction reaction activity. Conceivable. Further, GNR and its raw material monomer or polymer are basically composed of so-called armchair edges, and are stable to oxygen.

上記一般式(1)中、Y及びY、Y及びYは、それぞれ、一方が窒素原子を表し、他方が水素原子と結合した炭素原子を表す。なお、言い換えると、Y及びYの一方が窒素原子を表し、他方が水素原子と結合した炭素原子を表すとともに、Y及びYの一方が窒素原子を表し、他方が水素原子と結合した炭素原子を表す。
中でも、Y及びYがそれぞれ水素原子と結合した炭素原子を表し、Y及びYがそれぞれ窒素原子を表すことが好ましい。これにより、金属元素をキレート化することが可能となり、酸素還元触媒において酸素還元反応活性がより優れたものとなる。
なお、上記一般式(1)中の少なくとも上側3つの点線に結合を形成して本発明の含窒素多環式化合物を得た場合、構成単位間でY及びY、Y及びYが逆転したモノマーの混合物やポリマー等が得られるときがある。このような形態も、構成単位の一部が、Y及びYがそれぞれ水素原子と結合した炭素原子を表し、Y及びYがそれぞれ窒素原子を表す構成単位であるため、本発明における好ましい形態の1つである。
In the general formula (1), Y 3 and Y 4 , Y 5 and Y 6 each represents a carbon atom in which one represents a nitrogen atom and the other is bonded to a hydrogen atom. In other words, one of Y 3 and Y 4 represents a nitrogen atom, the other represents a carbon atom bonded to a hydrogen atom, one of Y 5 and Y 6 represents a nitrogen atom, and the other bonded to a hydrogen atom. Represents a carbon atom.
Among them, it is preferable that Y 3 and Y 6 each represent a carbon atom bonded to a hydrogen atom, and Y 4 and Y 5 each represent a nitrogen atom. Thereby, it becomes possible to chelate the metal element, and the oxygen reduction reaction activity is more excellent in the oxygen reduction catalyst.
When the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention is obtained by forming bonds on at least the upper three dotted lines in the general formula (1), Y 3 and Y 4 , Y 5 and Y 6 are obtained between the structural units. In some cases, a mixture of monomers or a polymer obtained by reversing the above can be obtained. In such a form, part of the structural unit is a structural unit in which Y 3 and Y 6 each represent a carbon atom bonded to a hydrogen atom, and Y 4 and Y 5 each represent a nitrogen atom. This is one of the preferred forms.

上記一般式(1)中、X及びXが表すハロゲン原子は、塩素原子又は臭素原子であることが好ましく、臭素原子であることがより好ましい。 In the general formula (1), the halogen atom represented by X 1 and X 2 is preferably a chlorine atom or a bromine atom, and more preferably a bromine atom.

上記一般式(1)中、X及びXは、それぞれ、上記構成単位中の一般式(1)で表される構造以外の別の構造若しくは他の構成単位との結合部位を表し、Y、Y、Y、及び、Yは、それぞれ、上記構成単位中の一般式(1)で表される構造以外の別の構造若しくは他の構成単位と結合した炭素原子を表すことが本発明における好ましい形態の1つである。これにより、含窒素多環式化合物はアームチェア型の含窒素GNRとなる。 In the general formula (1), X 1 and X 2 each represent a binding site with another structure other than the structure represented by the general formula (1) in the structural unit or another structural unit, and Y 1 , Y 2 , Y 7 , and Y 8 each represent a carbon atom bonded to another structure other than the structure represented by the general formula (1) in the structural unit or another structural unit. This is one of the preferred forms in the present invention. As a result, the nitrogen-containing polycyclic compound becomes an armchair-type nitrogen-containing GNR.

本発明の含窒素多環式化合物が含窒素GNRの原料であるモノマーである場合、該モノマーとしては、例えば、下記一般式(2)で表されるものが好適なものとして挙げられる。 When the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention is a monomer that is a raw material of nitrogen-containing GNR, examples of the monomer include those represented by the following general formula (2).

Figure 2019052116
Figure 2019052116

上記一般式(2)中、X及びXは、それぞれ、水素原子、ハロゲン原子、OTf基、OTs基、アルキル基、又は、アリール基を表し、Tfは、トリフルオロメチルスルホニル基を表し、Tsは、トシル基を表す。Y及びY、Y及びYは、それぞれ、一方が窒素原子を表し、他方が水素原子と結合した炭素原子を表す。点線は、結合が形成されていてもよく、形成されていなくてもよいことを表す。 In the general formula (2), X 1 and X 2 each represent a hydrogen atom, a halogen atom, an OTf group, an OTs group, an alkyl group, or an aryl group, Tf represents a trifluoromethylsulfonyl group, Ts represents a tosyl group. Y 3 and Y 4 , Y 5 and Y 6 each represents a nitrogen atom and the other represents a carbon atom bonded to a hydrogen atom. A dotted line represents that a bond may or may not be formed.

及びXがハロゲン原子、OTf基、又は、OTs基等の脱離基である場合、これらに対し、鈴木カップリング、根岸カップリング、スティルカップリング等の反応でアルキル基やアリール基を導入することも可能である。これらの形態もまた、本発明の好適な形態である。 When X 1 and X 2 are a leaving group such as a halogen atom, an OTf group, or an OTs group, an alkyl group or an aryl group can be formed by a reaction such as Suzuki coupling, Negishi coupling, or Stille coupling. It is also possible to introduce. These forms are also preferred forms of the present invention.

本発明の含窒素多環式化合物が含窒素GNRの原料であるポリマーである場合、該ポリマーとしては、例えば、下記一般式(3)で表されるものが好適なものとして挙げられる。 When the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention is a polymer that is a raw material for nitrogen-containing GNR, examples of the polymer include those represented by the following general formula (3).

Figure 2019052116
Figure 2019052116

上記一般式(3)中、X及びXは、それぞれ、水素原子、ハロゲン原子、OTf基、OTs基、アルキル基、又は、アリール基を表し、Tfは、トリフルオロメチルスルホニル基を表し、Tsは、トシル基を表す。Y及びY、Y及びYは、それぞれ、一方が窒素原子を表し、他方が水素原子と結合した炭素原子を表す。点線は、結合が形成されていてもよく、形成されていなくてもよいことを表す。nは、1以上の数であり、通常は1000以下である。 In the general formula (3), X 1 and X 2 each represent a hydrogen atom, a halogen atom, an OTf group, an OTs group, an alkyl group, or an aryl group, Tf represents a trifluoromethylsulfonyl group, Ts represents a tosyl group. Y 3 and Y 4 , Y 5 and Y 6 each represents a nitrogen atom and the other represents a carbon atom bonded to a hydrogen atom. A dotted line represents that a bond may or may not be formed. n is a number of 1 or more, and is usually 1000 or less.

及びXがハロゲン原子、OTf基、又は、OTs基等の脱離基である場合、これらに対し、鈴木カップリング、根岸カップリング、スティルカップリング等の反応でアルキル基やアリール基を導入することも可能である。これらの官能基を導入することで、末端官能基の物性への影響を小さくすることができる。これらの形態もまた、本発明の好適な形態である。 When X 1 and X 2 are a leaving group such as a halogen atom, an OTf group, or an OTs group, an alkyl group or an aryl group can be formed by a reaction such as Suzuki coupling, Negishi coupling, or Stille coupling. It is also possible to introduce. By introducing these functional groups, the influence on the physical properties of the terminal functional group can be reduced. These forms are also preferred forms of the present invention.

本発明の含窒素多環式化合物が含窒素GNRである場合、含窒素GNRは、アームチェア型であることが好ましく、例えば、下記一般式(4)で表される骨格を有する含窒素GNRであることが好ましい。 When the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention is a nitrogen-containing GNR, the nitrogen-containing GNR is preferably an armchair type, for example, a nitrogen-containing GNR having a skeleton represented by the following general formula (4) Preferably there is.

Figure 2019052116
Figure 2019052116

上記一般式(4)中、Y及びY、Y及びYは、それぞれ、式(3)において上述したものと同様である。nは、1以上の数であり、通常は1000以下である。
なお、本明細書中、上記一般式(4)で表される骨格を有する含窒素GNRを、下記一般式(5)で簡略化して表すことがある。
In the general formula (4), Y 3 and Y 4 , Y 5 and Y 6 are the same as those described above in the formula (3). n is a number of 1 or more, and is usually 1000 or less.
In the present specification, the nitrogen-containing GNR having a skeleton represented by the general formula (4) may be simplified and represented by the following general formula (5).

Figure 2019052116
Figure 2019052116

上記一般式(5)中、nは、1以上の数であり、通常は1000以下である。
なお、上述した含窒素GNRやその原料モノマー、原料ポリマーは、例えば、下記反応式で表される反応を用いて得ることができる。
In the general formula (5), n is a number of 1 or more, and is usually 1000 or less.
In addition, the nitrogen-containing GNR, the raw material monomer, and the raw material polymer described above can be obtained using, for example, a reaction represented by the following reaction formula.

Figure 2019052116
Figure 2019052116

上記反応式中、Xは、水素原子又はハロゲン原子を表す。ハロゲン原子は、例えば臭素原子であることが好ましい。得られた生成物は、含窒素GNRの原料モノマーであり、そのうちXが水素原子を表すものは、本明細書中、PPyTP(1,4−diPhenyl−2,3−diPyridylTriPhenylene)とも言う。 In the above reaction formula, X represents a hydrogen atom or a halogen atom. The halogen atom is preferably, for example, a bromine atom. The obtained product is a raw material monomer of nitrogen-containing GNR, of which X represents a hydrogen atom, is also referred to as PPyTP (1,4-diphenyl-2,3-diPyrylTriPhenylene) in the present specification.

Figure 2019052116
Figure 2019052116

上記反応式中、Xは、ハロゲン原子を表す。ハロゲン原子は、例えば臭素原子であることが好ましい。Y及びYの一方が窒素原子を表し、他方が水素原子と結合した炭素原子を表す。Y及びYの一方が窒素原子を表し、他方が水素原子と結合した炭素原子を表す。n及びpは、それぞれ、1以上の数であり、通常は1000以下である。[PPyTP]は、含窒素GNRの原料ポリマーであり、BPy−GNRは、含窒素GNRである。
上記反応式で表される反応において、反応温度、反応時間は、適宜設定することができる。
In the above reaction formula, X represents a halogen atom. The halogen atom is preferably, for example, a bromine atom. One of Y 3 and Y 4 represents a nitrogen atom, and the other represents a carbon atom bonded to a hydrogen atom. One of Y 5 and Y 6 represents a nitrogen atom, and the other represents a carbon atom bonded to a hydrogen atom. Each of n and p is a number of 1 or more, and is usually 1000 or less. [PPyTP] n is a raw material polymer of nitrogen-containing GNR, and BPy-GNR is nitrogen-containing GNR.
In the reaction represented by the above reaction formula, the reaction temperature and reaction time can be appropriately set.

本発明の含窒素多環式化合物は、更に、上記構成単位に担持された、周期表の第7〜11族に属する金属元素から選ばれる少なくとも1種の元素を有することが好ましい。なお、このように金属元素が担持された含窒素多環式化合物を金属複合体と言うこともできる。これにより、酸素還元触媒としての酸素還元反応活性をより優れたものとすることができる。該元素は、原子の状態であってもよく、カチオンであってもよい。また、クラスターや粒子の形態であっても構わない。
周期表の第7〜11族に属する金属元素の中でも、第8〜11族に属する金属元素が好ましく、Fe、Co、Ni、Cuがより好ましい。
また上述した一般式(1)で表される構造中の窒素原子に金属元素が配位していることが好ましく、中でも、式(1)中のY及びYがそれぞれ窒素原子を表し、該窒素原子に金属元素が配位していることがより好ましい。これにより、金属元素がキレートされて安定化するとともに、本発明の効果がより顕著なものとなる。
窒素原子に金属元素が配位していることは、X線光電子分光法、広域X線吸収微細構造解析法(EXAFS法)を用いる実施例の方法で測定することができる。
The nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention preferably further has at least one element selected from metal elements belonging to Groups 7 to 11 of the periodic table supported on the above structural unit. A nitrogen-containing polycyclic compound in which a metal element is supported in this way can also be called a metal complex. Thereby, the oxygen reduction reaction activity as an oxygen reduction catalyst can be made more excellent. The element may be in an atomic state or a cation. Further, it may be in the form of clusters or particles.
Among metal elements belonging to Groups 7 to 11 of the periodic table, metal elements belonging to Groups 8 to 11 are preferable, and Fe, Co, Ni, and Cu are more preferable.
Moreover, it is preferable that the metal element is coordinated to the nitrogen atom in the structure represented by the general formula (1) described above. Among them, Y 4 and Y 5 in the formula (1) each represent a nitrogen atom, More preferably, a metal element is coordinated to the nitrogen atom. Thereby, the metal element is chelated and stabilized, and the effect of the present invention becomes more remarkable.
The fact that a metal element is coordinated to a nitrogen atom can be measured by the method of an embodiment using X-ray photoelectron spectroscopy or a broad X-ray absorption fine structure analysis method (EXAFS method).

金属元素の含有量は、本発明の含窒素多環式化合物100質量%中、0.1質量%以上であることが好ましく、0.3質量%以上であることがより好ましく、0.5質量%以上であることが更に好ましい。また、該含有量は、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、3質量%以下であることが更に好ましい。
金属元素の含有量は、誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES法)により実施例の方法で測定することができる。
The content of the metal element is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.3% by mass or more, in 100% by mass of the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention, and 0.5% by mass. % Or more is more preferable. The content is preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and further preferably 3% by mass or less.
The content of the metal element can be measured by the method of the example by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES method).

上述した含窒素GNRやその原料モノマー、原料ポリマーと、金属元素を有する化合物とを混合し、加熱等することで、上記構成単位に担持された、上記金属元素を有する本発明の含窒素多環式化合物を得ることができる。金属担持における加熱の温度・時間等の好ましい条件は、後述する焼成における好ましい条件と同様である。また、後述するように、金属担持と焼成とを同時に行っても構わない。
混合に用いる金属元素を有する化合物としては、例えば、金属元素のハロゲン化物等が好ましい。
The nitrogen-containing polycycle of the present invention having the above-mentioned metal element supported on the above-mentioned structural unit by mixing the above-mentioned nitrogen-containing GNR, its raw material monomer, raw material polymer, and a compound having a metal element, and heating. Formula compounds can be obtained. Preferable conditions such as heating temperature and time in the metal loading are the same as the preferable conditions in firing described later. Further, as will be described later, metal loading and firing may be performed simultaneously.
As a compound having a metal element used for mixing, for example, a halide of a metal element is preferable.

(焼成体)
本発明は、本発明の含窒素多環式化合物の焼成体でもある。
本発明の焼成体は、本発明の含窒素多環式化合物である、含窒素GNR、その原料モノマー若しくは原料ポリマー、又は、これらの金属担持体(金属複合体)を焼成して得られるものであり、中でも、炭素材料とともに焼成して得られるものであることが好ましい。本明細書中、本発明の含窒素多環式化合物を炭素材料とともに焼成することを炭素化とも言う。
なお、金属元素を担持させ、かつ炭素化した本発明の焼成体を得るうえで、金属元素を担持させることと炭素化とは同時であってもよく、同時でなくてもよい。金属元素を担持させることと炭素化とが同時でない場合、その前後は特に限定されず、金属元素を担持させた後に炭素化を行ってもよく、炭素化の後に金属元素を担持させてもよい。
中でも、簡便性の観点から、金属元素を担持させることと炭素化とは同時であることが特に好ましい。すなわち、上述した含窒素GNR、又は、その原料モノマー若しくは原料ポリマーを、炭素材料及び金属元素を有する化合物とともに焼成することが特に好ましい。
本発明の含窒素多環式化合物、焼成体は、上記金属元素を担持させることにより、酸素還元触媒としての活性がより優れたものとなる。
(Fired body)
The present invention is also a fired product of the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention.
The fired body of the present invention is obtained by firing the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention, the nitrogen-containing GNR, its raw material monomer or raw material polymer, or a metal carrier (metal composite) thereof. Among them, it is preferable that the carbon material is obtained by firing together. In the present specification, firing the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention together with a carbon material is also referred to as carbonization.
In addition, in obtaining the fired body of the present invention in which the metal element is supported and carbonized, the support of the metal element and the carbonization may or may not be performed simultaneously. When the loading of the metal element and the carbonization are not simultaneous, there is no particular limitation before and after that, carbonization may be performed after the metal element is loaded, or the metal element may be loaded after the carbonization. .
Among these, from the viewpoint of simplicity, it is particularly preferable that the metal element is supported and the carbonization is performed at the same time. That is, it is particularly preferable that the above-described nitrogen-containing GNR, or its raw material monomer or raw material polymer is baked together with the carbon material and the compound having a metal element.
The nitrogen-containing polycyclic compound and the fired body of the present invention have a more excellent activity as an oxygen reduction catalyst by supporting the metal element.

炭素材料としては、特に限定されないが、活性炭、カーボンブラック等を用いることができ、例えばVulcan XC−72R(キャボット社製)等の導電性カーボンブラックを好適に用いることができる。
炭素材料の使用量は、例えば、本発明の含窒素多環式化合物100質量%に対し、1〜1000質量%であることが好ましく、5〜500質量%であることがより好ましく、10〜300質量%であることが更に好ましく、30〜200質量%であることが特に好ましい。
Although it does not specifically limit as a carbon material, Activated carbon, carbon black, etc. can be used, for example, conductive carbon black, such as Vulcan XC-72R (made by Cabot Corporation), can be used conveniently.
The amount of the carbon material used is, for example, preferably 1 to 1000% by mass, more preferably 5 to 500% by mass, and more preferably 10 to 300% with respect to 100% by mass of the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention. It is more preferable that it is mass%, and it is especially preferable that it is 30-200 mass%.

焼成温度としては、例えば200〜3000℃が好ましく、350〜2500℃がより好ましく、500〜2000℃が更に好ましい。
焼成時間としては、例えば10分〜24時間が好ましく、30分〜18時間がより好ましく、2〜12時間が更に好ましい。
焼成は、例えば空気中、又は、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行うことができる。また、焼成における圧力条件は特に限定されず、加圧条件下、常圧条件下、減圧条件下で行うことができる。
なお、焼成前に、焼成温度以下の温度で適宜予備焼成を行ってもよい。焼成後は、酸洗や水洗、乾燥等を適宜行うことができる。
As a calcination temperature, 200-3000 degreeC is preferable, for example, 350-2500 degreeC is more preferable, and 500-2000 degreeC is still more preferable.
As a baking time, 10 minutes-24 hours are preferable, for example, 30 minutes-18 hours are more preferable, and 2-12 hours are still more preferable.
Firing can be performed, for example, in air or in an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium, or argon. Moreover, the pressure conditions in baking are not specifically limited, It can carry out on pressurization conditions, a normal pressure condition, and pressure reduction conditions.
In addition, you may perform preliminary | backup baking suitably at the temperature below baking temperature before baking. After firing, pickling, washing with water, drying and the like can be performed as appropriate.

(酸素還元触媒)
本発明は、本発明の含窒素多環式化合物、又は、本発明の焼成体を含んで構成される酸素還元触媒でもある。
(Oxygen reduction catalyst)
The present invention is also an oxygen reduction catalyst comprising the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention or the fired product of the present invention.

本発明の酸素還元触媒は、本発明の含窒素多環式化合物、又は、本発明の焼成体以外のその他の成分を含んでいてもよい。その他の成分の含有割合は、本発明の酸素還元触媒100質量%中、30質量%以下が好ましく、10質量%以下がより好ましく、1質量%以下が更に好ましい。また、その他の成分を実質的に含有しないことが特に好ましい。 The oxygen reduction catalyst of the present invention may contain other components other than the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention or the fired product of the present invention. The content of other components is preferably 30% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and still more preferably 1% by mass or less in 100% by mass of the oxygen reduction catalyst of the present invention. Further, it is particularly preferable that other components are not substantially contained.

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「質量部」を、「%」は「質量%」を意味するものとする。
なお、CODは、1,5−シクロオクタジエンを意味する。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples. Unless otherwise specified, “part” means “part by mass” and “%” means “% by mass”.
COD means 1,5-cyclooctadiene.

下記実施例及び比較例においては、次のようにして分析し、評価を行った。
<MALDI−TOF MS(マトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型質量分析法)による測定方法>
サンプルとマトリックス(ジスラノール)をそれぞれTHF(テトラヒドロフラン)に溶解し、混合した。混合溶液をプレートに滴下し乾燥させ、Bruker autoflex III(Bruker社製)を用いて測定を行った。
In the following Examples and Comparative Examples, analysis and evaluation were performed as follows.
<Measurement Method by MALDI-TOF MS (Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry)>
The sample and the matrix (disranol) were dissolved in THF (tetrahydrofuran) and mixed. The mixed solution was dropped on a plate and dried, and measurement was performed using a Bruker autoflex III (manufactured by Bruker).

<誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES法)>
サンプル(約0.5mg)を、濃硝酸(1ml)中に分散し、105℃で3時間加熱した。加熱終了後、40℃まで放冷した後、過酸化水素を2滴加えた。超純水(2ml)を加えたのち、濾過により炭素材料を除去、金属を含む測定試料溶液を得た。S試料溶液を25mLにメスアップし、SHIMADZU ICPS−8100(株式会社島津製作所製)を用いて、検量線法により鉄の含有量を評価した。測定は各試料に対して3回行い、平均値を鉄の質量濃度として示した。
<Inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES method)>
A sample (about 0.5 mg) was dispersed in concentrated nitric acid (1 ml) and heated at 105 ° C. for 3 hours. After the completion of heating, the mixture was allowed to cool to 40 ° C., and 2 drops of hydrogen peroxide was added. After adding ultrapure water (2 ml), the carbon material was removed by filtration to obtain a measurement sample solution containing metal. The S sample solution was made up to 25 mL, and the iron content was evaluated by a calibration curve method using SHIMADZU ICPS-8100 (manufactured by Shimadzu Corporation). The measurement was performed three times for each sample, and the average value was shown as the iron mass concentration.

<元素分析法>
vario EL cube CHNS(elementer社製)を用いてCHNの質量濃度を測定した。
<熱重量測定>
ThermoPlusEVOII(株式会社リガク製)を用いて窒素気流下、昇温速度10℃/minの条件で行った。
<X線光電子分光法>
SHIMADZU KRAROSAXIS−165x(株式会社島津製作所製)を用いてX線源Mg−Kα、パスエネルギー40kVの条件下で行った。
<Elemental analysis method>
The mass concentration of CHN was measured using vario EL cube CHNS (manufactured by elementer).
<Thermogravimetry>
ThermoPlus EVO II (manufactured by Rigaku Co., Ltd.) was used under a nitrogen stream under the condition of a heating rate of 10 ° C./min.
<X-ray photoelectron spectroscopy>
This was performed under the conditions of an X-ray source Mg-Kα and a path energy of 40 kV using SHIMADZU KRAROSAXIS-165x (manufactured by Shimadzu Corporation).

<X線吸収端近傍構造解析法(XANES法)>
金属含有量は1−5wt%程度、また、金属成分以外は全てCHNOの軽元素であるため全て厚み計算したペレットを作製し、室温大気下の通常の透過法で測定した。測定データは、Fe−K吸収端付近のXFSデータ(pre−edgeピーク強度、吸収端の位置、White Line強度、EXAFS振動,測定範囲:6800〜8200eV。SAGA−LS BL12にて測定を実施した。
<X-ray absorption near edge structure analysis method (XANES method)>
The metal content was about 1-5 wt%, and all the components other than the metal component were light elements of CHNO. Therefore, pellets whose thicknesses were all calculated were prepared and measured by a normal permeation method at room temperature. The measurement data were XFS data in the vicinity of the Fe-K absorption edge (pre-edge peak intensity, absorption edge position, White Line intensity, EXAFS vibration, measurement range: 6800 to 8200 eV. Measurement was performed with SAGA-LS BL12.

<広域X線吸収微細構造解析法(EXAFS法)>
金属含有量は1−5wt%程度、また、金属成分以外は全てCHNOの軽元素であるため全て厚み計算したペレットを作製し、室温大気下の通常の透過法で測定した。測定データは、Fe−K吸収端付近のXFSデータ(EXAFS振動,測定範囲:6800〜8200eV。SAGA−LS BL12にて測定を実施した。
<Wide-area X-ray absorption fine structure analysis method (EXAFS method)>
The metal content was about 1-5 wt%, and all the components other than the metal component were light elements of CHNO. Therefore, pellets whose thicknesses were all calculated were prepared and measured by a normal permeation method at room temperature. The measurement data were XFS data (EXAFS vibration, measurement range: 6800-8200 eV near the Fe-K absorption edge. Measurement was performed with SAGA-LS BL12.

<酸素還元反応活性の測定>
カーボン触媒(4mg)と5wt%Nafion(登録商標)溶液(100μl)を撹拌混合した後に、30分間、氷浴下でソニケーションを行い、カーボン触媒分散液を得た。回転リングディスク電極には、グラッシーカーボン(直径5.0mm)及び白金リングホルダー(Pt純度99.99%、ID6.5mm、OD7.5mm)を使用した。研磨したディスク電極上にカーボン触媒分散液(10μl)をゆっくりと滴下し、Nafion溶液を入れた容器とあわせて、ガラス容器を被せて静置し、乾燥させた。作用極に上述で調製した触媒担持電極、対極に白金メッシュ、参照電極に銀塩化銀電極(+0.199V vsNHE)を用いた。回転リングディスク電極(RRDE)を用い、酸素飽和HClO溶液(pH1)、25℃、電極回転速度2000rpm、回収効率26%、リング電極の電位Ering=1.2Vの条件下で測定した。測定は酸素飽和の電解液中、ディスク電極の電位を1.0〜0.0V(vs RHE)の電位範囲で負から正方向に5mV/sの速度で掃引した。窒素飽和条件における測定結果バックグラウンドとした。
<Measurement of oxygen reduction reaction activity>
A carbon catalyst (4 mg) and a 5 wt% Nafion (registered trademark) solution (100 μl) were mixed with stirring, and then sonicated for 30 minutes in an ice bath to obtain a carbon catalyst dispersion. Glassy carbon (diameter 5.0 mm) and platinum ring holder (Pt purity 99.99%, ID 6.5 mm, OD 7.5 mm) were used for the rotating ring disk electrode. A carbon catalyst dispersion (10 μl) was slowly dropped onto the polished disk electrode, and the glass container was put together with the container containing the Nafion solution, and allowed to stand and dried. The catalyst-supporting electrode prepared above was used as the working electrode, the platinum mesh as the counter electrode, and the silver-silver chloride electrode (+0.199 V vs NHE) as the reference electrode. Using a rotating ring disk electrode (RRDE), measurement was performed under the conditions of an oxygen saturated HClO 4 solution (pH 1), 25 ° C., electrode rotation speed 2000 rpm, recovery efficiency 26%, and ring electrode potential E ring = 1.2V. The measurement was performed by sweeping the potential of the disk electrode in the oxygen-saturated electrolyte from 1.0 to 0.0 V (vs RHE) in a negative to positive direction at a rate of 5 mV / s. It was set as the measurement result background in nitrogen saturation conditions.

(製造例1〜3)
下記反応式により、実施例1の含窒素多環式化合物(モノマー)であるPPyTP(X=H)、実施例2の含窒素多環式化合物(ポリマー)である[PPyTP]、実施例3の含窒素多環式化合物(含窒素GNR)であるBPy−GNRを合成した。
(Production Examples 1 to 3)
According to the following reaction formula, PPyTP (X = H) which is the nitrogen-containing polycyclic compound (monomer) of Example 1, and [PPyTP] n which is the nitrogen-containing polycyclic compound (polymer) of Example 2 and Example 3 BPy-GNR, which is a nitrogen-containing polycyclic compound (nitrogen-containing GNR), was synthesized.

Figure 2019052116
Figure 2019052116

実施例2の含窒素多環式化合物(ポリマー)である[PPyTP]を得る反応について、以下に詳しく説明する。 The reaction for obtaining [PPyTP] n which is the nitrogen-containing polycyclic compound (polymer) of Example 2 is described in detail below.

Figure 2019052116
Figure 2019052116

2ツ口フラスコに、Ni(COD)(304mg、0.90mmol)、2,2’−ビピリジル(140mg、0.90mmol)、COD(160μL、0.9mmol)、脱気DMF(5mL)を加え、55℃で30分間撹拌して反応を行った。
この反応液を、シュレンクフラスコ内の本発明の含窒素多環式化合物のブロモ体(160mg、0.23mmol)及び脱気トルエン(5mL)の混合液に滴下し、2日間80℃で加熱して撹拌した。
メタノール中で沈殿させ、ろ過し、メタノール、濃塩酸、水、水酸化ナトリウムのメタノール溶液(0.5M)、メタノール、アセトンで洗浄し、黄色粉末([PPyTP]、110mg)を得た。
To a two-necked flask, Ni (COD) 2 (304 mg, 0.90 mmol), 2,2′-bipyridyl (140 mg, 0.90 mmol), COD (160 μL, 0.9 mmol), and degassed DMF (5 mL) were added. The reaction was carried out with stirring at 55 ° C. for 30 minutes.
This reaction solution was added dropwise to a mixture of the bromo compound (160 mg, 0.23 mmol) of the nitrogen-containing polycyclic compound of the present invention and degassed toluene (5 mL) in a Schlenk flask, and heated at 80 ° C. for 2 days. Stir.
Precipitation in methanol, filtration, and washing with methanol, concentrated hydrochloric acid, water, a methanol solution of sodium hydroxide (0.5 M), methanol, and acetone gave a yellow powder ([PPyTP] n , 110 mg).

実施例3の含窒素多環式化合物(含窒素GNR)であるアームチェア型のBPy−GNR(以下、単にBPy−GNRとも言う。)を以下の反応式で表される反応により得た。 The armchair type BPy-GNR (hereinafter also simply referred to as BPy-GNR), which is the nitrogen-containing polycyclic compound (nitrogen-containing GNR) of Example 3, was obtained by the reaction represented by the following reaction formula.

Figure 2019052116
Figure 2019052116

シュレンクフラスコ内に、[PPyTP](500mg)、ジクロロメタン(250mL)、ニトロメタン中のFeCl(2.5g)を滴下し、窒素バブリングしながら24時間撹拌した。反応液をろ過し、メタノール、濃塩酸、水、水酸化ナトリウムのメタノール溶液(0.5M)、メタノール、アセトンで洗浄し、茶色粉末(BPy−GNR、400mg)を得た。 In the Schlenk flask, [PPyTP] n (500 mg), dichloromethane (250 mL), FeCl 3 (2.5 g) in nitromethane were added dropwise and stirred for 24 hours while bubbling nitrogen. The reaction solution was filtered and washed with methanol, concentrated hydrochloric acid, water, a methanol solution of sodium hydroxide (0.5 M), methanol and acetone to obtain a brown powder (BPy-GNR, 400 mg).

(焼成)
酢酸エチル中、PPyTP、[PPyTP]、BPy−GNR(それぞれ0.1mmol)と、メタノール中のFeCl・4HO(0.1mmol)と、炭素材料であるVulcan XC−72R(キャボット社製、33.3mg)とを、窒素気流下の電気炉中で、1時間で300℃まで昇温後、2時間300℃で保持、さらに、1時間で1000℃まで昇温後、2時間1000℃で焼成した。その後、80℃で3時間、0.5M硫酸を用いて洗浄し、脱イオン水で洗浄し、乾燥した。得られた焼成体をそれぞれFe/PPyTP@VC(実施例4)、Fe/[PPyTP]@VC(実施例5)、Fe/BPy−GNR@VC(実施例6)とも表記する。
(Baking)
PPyTP, [PPyTP] n , BPy-GNR (each 0.1 mmol) in ethyl acetate, FeCl 2 .4H 2 O (0.1 mmol) in methanol, and Vulcan XC-72R (made by Cabot Corporation) as a carbon material. 33.3 mg) in an electric furnace under a nitrogen stream, heated to 300 ° C. in 1 hour, held at 300 ° C. for 2 hours, further heated to 1000 ° C. in 1 hour, then 1000 ° C. for 2 hours. Baked with. Thereafter, it was washed with 0.5 M sulfuric acid at 80 ° C. for 3 hours, washed with deionized water, and dried. The obtained fired bodies are also referred to as Fe / PPyTP @ VC (Example 4), Fe / [PPyTP] n @VC (Example 5), and Fe / BPy-GNR @ VC (Example 6), respectively.

(同定)
図1は、[PPyTP]、BPy−GNRについてMALDI−TOFMSを測定した結果を示す。図2は、[PPyTP]、BPy−GNR、Fe/PPyTP@VC、Fe/[PPyTP]@VC、Fe/BPy−GNR@VCそれぞれについて誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES)及び元素分析を測定した結果を示す。図3は、PPyTP、[PPyTP]、BPy−GNRについて熱重量測定を行った結果を示す。この他、H−NMR、13C−NMRにより各化合物の合成を確認した。
(Identification)
FIG. 1 shows the results of measuring MALDI-TOFMS for [PPyTP] n and BPy-GNR. FIG. 2 shows inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES) and [PPyTP] n , BPy-GNR, Fe / PPyTP @ VC, Fe / [PPyTP] n @ VC, and Fe / BPy-GNR @ VC, respectively. The result of having measured elemental analysis is shown. FIG. 3 shows the results of thermogravimetric measurements on PPyTP, [PPyTP] n and BPy-GNR. In addition, the synthesis of each compound was confirmed by 1 H-NMR and 13 C-NMR.

(ピリジン型窒素と鉄とのFe−N結合の確認)
図4は、BPy−GNRとBPy−GNRに鉄イオンを添加したものについてX線光電子分光法を行った結果を示す。鉄イオンを添加したものでは、結合エネルギー400.2eVにピリジン型窒素と鉄とのFe−N結合由来のピークを確認した。
図5は、Fe/PPyTP@VC、Fe/[PPyTP]@VC、Fe/BPy−GNR@VCについてX線光電子分光法を行った結果を示す。結合エネルギー400.2eVにおけるFe−N結合由来のピークが、それぞれ11.8%、35.7%、40.7%確認され、ピリジン型窒素に鉄が配位していることが確認された。
(Confirmation of Fe-N bond between pyridine nitrogen and iron)
FIG. 4 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy performed on BPy-GNR and BPy-GNR added with iron ions. In the case of adding iron ions, a peak derived from the Fe—N bond between pyridine nitrogen and iron was confirmed at a binding energy of 400.2 eV.
FIG. 5 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy for Fe / PPyTP @ VC, Fe / [PPyTP] n @VC, and Fe / BPy-GNR @ VC. Peaks derived from Fe—N bonds at a binding energy of 400.2 eV were confirmed to be 11.8%, 35.7%, and 40.7%, respectively, and it was confirmed that iron was coordinated to pyridine type nitrogen.

図6及び図7は、Fe/PPyTP@VC、Fe/[PPyTP]@VC、Fe/BPy−GNR@VCについてX線吸収微細構造を解析した結果を示す。これら焼成体について、Fe−N結合由来のピークが観察できた。なお、図6中、FeTPPは、Fe−N結合を有するポルフィリン鉄錯体を表す。 6 and 7 show the results of analyzing the X-ray absorption fine structure for Fe / PPyTP @ VC, Fe / [PPyTP] n @VC, and Fe / BPy-GNR @ VC. About these baked bodies, the peak derived from a Fe-N bond has been observed. In FIG. 6, FeTPP represents a porphyrin iron complex having an Fe—N bond.

(酸素還元反応活性)
図8は、Fe/PPyTP@VC、Fe/[PPyTP]@VC、Fe/BPy−GNR@VCについての酸素還元反応活性を示す。それぞれのEonsetは0.87V、0.88V、0.86Vと高い値を示した。このような焼成体は、酸素還元に必要な活性化エネルギーを充分に下げることができると考えられる。なお、図8中、n=4.0は、還元電子数が4個であることを表す。
(Oxygen reduction reaction activity)
FIG. 8 shows oxygen reduction reaction activity for Fe / PPyTP @ VC, Fe / [PPyTP] n @VC, and Fe / BPy-GNR @ VC. Each E onset showed a high value of 0.87V, 0.88V, and 0.86V. Such a fired body is considered to be able to sufficiently reduce the activation energy required for oxygen reduction. In FIG. 8, n = 4.0 indicates that the number of reduced electrons is four.

図9は、実施例4のFe/PPyTP@VCと、比較例であるFe/1@VC(比較例1)、Fe/2@VC(比較例2)、Fe/3@VC(比較例3)についての酸素還元反応活性を示す。Fe/1@VC、Fe/2@VC、Fe/3@VCは、それぞれ、図9に示す化合物を、本実施例と同じ方法で鉄を担持させ、焼成したものである。実施例の焼成体は、原料であるグラフェンナノリボンを構成する構成単位中の窒素原子の位置及び数が特定されていることにより、非常に優れた酸素還元反応活性を示すことが分かった。 FIG. 9 shows Fe / PPyTP @ VC of Example 4, and Fe / 1 @ VC (Comparative Example 1), Fe / 2 @ VC (Comparative Example 2), and Fe / 3 @ VC (Comparative Example 3) which are comparative examples. ) Shows oxygen reduction reaction activity. Fe / 1 @ VC, Fe / 2 @ VC, and Fe / 3 @ VC are obtained by firing the compound shown in FIG. 9 with iron supported thereon in the same manner as in this example. It was found that the fired bodies of the examples exhibited very excellent oxygen reduction reaction activity by specifying the position and number of nitrogen atoms in the structural unit constituting the graphene nanoribbon as a raw material.

Claims (4)

下記一般式(1)で表される構造を含む構成単位を有することを特徴とする含窒素多環式化合物。
Figure 2019052116
(式中、X及びXは、それぞれ、水素原子、ハロゲン原子、OTf基、OTs基、又は、該構成単位中の一般式(1)で表される構造以外の別の構造若しくは他の構成単位との結合部位を表し、Tfは、トリフルオロメチルスルホニル基を表し、Tsは、トシル基を表す。Y、Y、Y、及び、Yは、それぞれ、水素原子と結合した炭素原子、又は、該構成単位中の一般式(1)で表される構造以外の別の構造若しくは他の構成単位と結合した炭素原子を表す。Y及びY、Y及びYは、それぞれ、一方が窒素原子を表し、他方が水素原子と結合した炭素原子を表す。点線は、結合が形成されていてもよく、形成されていなくてもよいことを表す。)
A nitrogen-containing polycyclic compound having a structural unit including a structure represented by the following general formula (1).
Figure 2019052116
(In the formula, X 1 and X 2 are each a hydrogen atom, a halogen atom, an OTf group, an OTs group, another structure other than the structure represented by the general formula (1) in the structural unit, or other Represents a bonding site with a structural unit, Tf represents a trifluoromethylsulfonyl group, Ts represents a tosyl group, Y 1 , Y 2 , Y 7 , and Y 8 each bonded to a hydrogen atom. A carbon atom or a carbon atom bonded to another structure other than the structure represented by the general formula (1) in the structural unit or another structural unit is represented.Y 3 and Y 4 , Y 5 and Y 6 are And one represents a nitrogen atom and the other represents a carbon atom bonded to a hydrogen atom, and a dotted line represents that a bond may or may not be formed.)
前記含窒素多環式化合物は、更に、前記構成単位に担持された、周期表の第7〜11族に属する金属元素から選ばれる少なくとも1種の元素を有することを特徴とする請求項1に記載の含窒素多環式化合物。 The nitrogen-containing polycyclic compound further has at least one element selected from metal elements belonging to Groups 7 to 11 of the periodic table supported on the structural unit. The nitrogen-containing polycyclic compound described. 請求項1又は2に記載の含窒素多環式化合物の焼成体。 A fired body of the nitrogen-containing polycyclic compound according to claim 1 or 2. 請求項1又は2に記載の含窒素多環式化合物、又は、請求項3に記載の焼成体を含んで構成されることを特徴とする酸素還元触媒。 An oxygen reduction catalyst comprising the nitrogen-containing polycyclic compound according to claim 1 or 2 or the fired product according to claim 3.
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