JP2019081667A - Nitrogen-containing carbon material, production method thereof, and fuel cell electrode using the same - Google Patents

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健生 市原
綾一 小島
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綾一 小島
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Abstract

To provide a nitrogen-containing carbon material that has a high oxygen reducing activity and is capable of maintaining the activity, i.e., has durability.SOLUTION: A nitrogen-containing carbon material is provided in which the coefficient of moisture absorption at 70°C at a relative humidity 90% is less than 20%.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、窒素含有炭素材料及びその製造方法、並びにそれを用いた燃料電池電極に関する。   The present invention relates to a nitrogen-containing carbon material, a method of producing the same, and a fuel cell electrode using the same.

固体高分子形燃料電池は、発電効率が高く、出力密度が高く、急速な起動停止が可能であり、小型軽量化が可能である、といった利点があり、携帯用電源、移動用電源、及び小型定置用発電機等への適用が期待されている。
固体高分子形燃料電池では、その正極で起こる酸素還元反応を促進するために、一般に白金又は白金合金が触媒として用いられる。しかし、白金の資源量が極めて少なく、また高価であるために実用化への大きな障壁となっている。そこで、白金等の貴金属を必要としない燃料電池用電極触媒として窒素を含有することによって酸素還元活性を発現した炭素材料(以下、「窒素含有炭素材料」という。)が注目を集めている。
The polymer electrolyte fuel cell has advantages such as high power generation efficiency, high power density, rapid start / stop capability, small size and light weight, portable power source, mobile power source, and small size. Application to stationary generators etc. is expected.
In a polymer electrolyte fuel cell, platinum or a platinum alloy is generally used as a catalyst to promote the oxygen reduction reaction that occurs at the positive electrode. However, the amount of platinum resources is very small and expensive, which is a major barrier to practical use. Therefore, a carbon material (hereinafter referred to as "nitrogen-containing carbon material") that has developed oxygen reduction activity by containing nitrogen as a fuel cell electrode catalyst that does not require a noble metal such as platinum has attracted attention.

例えば、特許文献1においては、鉄フタロシアニン、コバルトフタロシアニン、銅フタロシアニン等の金属と窒素含有有機配位子とを有する遷移金属錯体と、フェノール樹脂の混合物を炭化して窒素含有炭素材料を合成し、これを燃料電池の電極触媒として用いることが提案されている。   For example, in Patent Document 1, a nitrogen-containing carbon material is synthesized by carbonizing a mixture of a transition metal complex having a metal such as iron phthalocyanine, cobalt phthalocyanine, copper phthalocyanine and the like and a nitrogen-containing organic ligand, and a phenol resin, It has been proposed to use this as an electrode catalyst of a fuel cell.

窒素含有炭素材料を電極触媒として用いた燃料電池は、経時的に発電性能が顕著に低下すること、すなわち、耐久性が低下することが知られている。その原因は必ずしも明らかではないが、発電時に発生する水が活性点近傍に蓄積し、活性点への酸素の供給が阻害される可能性が指摘されている。
燃料電池の耐久性を向上させるために、非特許文献1には、窒素含有炭素材料を高温で熱処理することにより窒素含有量を減らし、親水性を低減させる方法が開示されている。
It is known that in a fuel cell using a nitrogen-containing carbon material as an electrode catalyst, the power generation performance significantly decreases with time, that is, the durability decreases. Although the cause is not necessarily clear, it has been pointed out that water generated at the time of power generation may be accumulated near the active site and the supply of oxygen to the active site may be inhibited.
In order to improve the durability of a fuel cell, Non-Patent Document 1 discloses a method of reducing the nitrogen content and reducing the hydrophilicity by heat treating a nitrogen-containing carbon material at a high temperature.

特開2012−101155号公報JP 2012-101155 A

エレクトロキミカ アクタ、2015年、159号、184−197頁Electro-Kimika Actor, 2015, No. 159, pp. 184-197

非特許文献1における、窒素含有炭素材料の燃料電池の耐久性を向上させる方法では、高温処理を行うため、初期の酸素還元活性が低いという問題がある。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高い酸素還元活性を有し、当該活性を維持することができる、すなわち、耐久性を有する窒素含有炭素材料を提供することを目的とする。
In the method of improving the durability of a fuel cell of a nitrogen-containing carbon material in Non-Patent Document 1, there is a problem that the initial oxygen reduction activity is low because high temperature treatment is performed.
Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and has an object of providing a nitrogen-containing carbon material having high oxygen reduction activity and capable of maintaining the activity, that is, having durability. Do.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、70℃、相対湿度90%における吸湿率が特定範囲である窒素含有炭素材料は、高い酸素還元活性を有し、且つ、耐久性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that nitrogen-containing carbon materials having a specific range of moisture absorption at 70 ° C. and 90% relative humidity have high oxygen reduction activity, and And durability have been found, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、下記のとおりである。
[1]
70℃、相対湿度90%における吸湿率が、20%未満である、窒素含有炭素材料。
[2]
表面に疎水性官能基を有する、[1]に記載の窒素含有炭素材料。
[3]
疎水性官能基が、アルキル基及び/又はフルオロアルキル基である、[2]に記載の窒素含有炭素材料。
[4]
原料の窒素含有炭素材料を還元処理した後に、疎水性官能基を導入する工程を含む、[2]又は[3]に記載の窒素含有炭素材料の製造方法。
[5]
[1]〜[3]のいずれかに記載の窒素含有炭素材料を用いた、燃料電池電極。
That is, the present invention is as follows.
[1]
Nitrogen-containing carbon material whose moisture absorption rate at 70 ° C. and relative humidity 90% is less than 20%.
[2]
The nitrogen-containing carbon material according to [1], having a hydrophobic functional group on the surface.
[3]
The nitrogen-containing carbon material according to [2], wherein the hydrophobic functional group is an alkyl group and / or a fluoroalkyl group.
[4]
The method for producing a nitrogen-containing carbon material according to [2] or [3], including the step of introducing a hydrophobic functional group after reduction treatment of the nitrogen-containing carbon material of the raw material.
[5]
The fuel cell electrode using the nitrogen-containing carbon material in any one of [1]-[3].

本発明によると、高い酸素還元活性と耐久性とを両立した窒素含有炭素材料を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a nitrogen-containing carbon material in which high oxygen reduction activity and durability are compatible.

以下、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。   Hereinafter, although a mode for carrying out the present invention (hereinafter, simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made within the scope of the present invention. Variations are possible.

〔窒素含有炭素材料〕
本実施形態の窒素含有炭素材料は、70℃、相対湿度90%における吸湿率が20%未満である(以下、本実施形態の窒素含有炭素材料を「疎水的な窒素含有炭素材料」ともいう)。上記吸湿率は、好ましくは18%未満であり、より好ましくは15%未満である。
吸湿率の下限は、特に限定されず、耐久性の観点から、0%が理想であるが、5%以上であってもよい。
吸湿率が20%未満であることにより、燃料電池の電極として用いた際に耐久性が向上する傾向にある。この理由の詳細は明らかではないが、窒素含有炭素材料の活性点近傍への水の蓄積が抑制されるためと考えられる。
[Nitrogen-containing carbon material]
The nitrogen-containing carbon material of the present embodiment has a moisture absorption rate of less than 20% at 70 ° C. and 90% relative humidity (hereinafter, the nitrogen-containing carbon material of the present embodiment is also referred to as “hydrophobic nitrogen-containing carbon material”) . The moisture absorption rate is preferably less than 18%, more preferably less than 15%.
The lower limit of the moisture absorption rate is not particularly limited, and 0% is ideal from the viewpoint of durability, but may be 5% or more.
When the moisture absorption rate is less than 20%, the durability tends to be improved when used as an electrode of a fuel cell. Although the details of the reason are not clear, it is considered that water accumulation near the active point of the nitrogen-containing carbon material is suppressed.

吸湿率を20%未満にする方法としては、特に限定されないが、例えば、高い酸素還元活性と疎水性を両立する観点から、高い酸素還元活性を有する比較的親水的な窒素含有炭素材料(以下、「原料の窒素含有炭素材料」ともいう。)に、疎水性官能基を導入する方法等が挙げられる。
70℃、相対湿度90%における吸湿率は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
The method of making the moisture absorption rate less than 20% is not particularly limited. For example, from the viewpoint of achieving both high oxygen reduction activity and hydrophobicity, a relatively hydrophilic nitrogen-containing carbon material (hereinafter referred to as The method etc. which introduce | transduce a hydrophobic functional group are mentioned to "the nitrogen-containing carbon material of a raw material."
The moisture absorption rate at 70 ° C. and 90% relative humidity can be measured by the method described in the examples described later.

(原子比(N/C))
原料の窒素含有炭素材料及び疎水的な窒素含有炭素材料における、窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)は、好ましくは0.005〜0.300であり、より好ましくは0.010〜0.200であり、さらに好ましくは0.020〜0.150である。
原子比(N/C)が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより高くなる傾向にある。
原子比(N/C)は、後述する原料となる窒素含有炭素材料の製造方法において、炭素原料と窒素原料との比率を調整することにより、制御することができる。
原子比(N/C)は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
(Atomic ratio (N / C))
The atomic ratio (N / C) of nitrogen atom to carbon atom in the nitrogen-containing carbon material and the hydrophobic nitrogen-containing carbon material of the raw material is preferably 0.005 to 0.300, more preferably 0.010 It is -0.200, and more preferably 0.020 to 0.150.
When the atomic ratio (N / C) is in the above range, the oxygen reduction activity tends to be higher.
The atomic ratio (N / C) can be controlled by adjusting the ratio of the carbon source to the nitrogen source in the method for producing a nitrogen-containing carbon material serving as a source described later.
The atomic ratio (N / C) can be measured by the method described in the examples described later.

(遷移金属)
原料の窒素含有炭素材料及び疎水的な窒素含有炭素材料は、遷移金属をさらに含むことが好ましい。原料となる窒素含有炭素材料及び疎水的な窒素含有炭素材料は、窒素及び遷移金属を含むことによって、高い酸素還元活性が発揮される傾向にある。遷移金属原子としては、特に限定されないが、例えば、Fe,Co,Ni,Cu,Mn,及びCrが挙げられ、好ましくは、Fe,Co,及びCuであり、より好ましくはFe及びCoである。これらの遷移金属原子は、1種単独であってもよく、2種以上であってもよい。
(Transition metal)
It is preferable that the raw material nitrogen-containing carbon material and the hydrophobic nitrogen-containing carbon material further contain a transition metal. The nitrogen-containing carbon material and the hydrophobic nitrogen-containing carbon material, which are raw materials, tend to exhibit high oxygen reduction activity by containing nitrogen and a transition metal. The transition metal atom is not particularly limited, and examples thereof include Fe, Co, Ni, Cu, Mn and Cr, preferably Fe, Co and Cu, more preferably Fe and Co. These transition metal atoms may be used alone or in combination of two or more.

原料の窒素含有炭素材料及び疎水的な窒素含有炭素材料における、遷移金属原子の含有率は、それぞれ、好ましくは0.1〜20質量%であり、より好ましくは0.3〜15質量%であり、さらに好ましくは0.5〜10質量%、よりさらに好ましくは0.5〜3.0質量%である。
遷移金属原子の含有率が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより高くなる傾向にある。
遷移金属原子の含有率は、遷移金属原料の配合量を調整することにより制御することができる。
遷移金属原子の含有率は、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
The content of transition metal atoms in the nitrogen-containing carbon material and the hydrophobic nitrogen-containing carbon material of the raw material is preferably 0.1 to 20% by mass, more preferably 0.3 to 15% by mass, respectively. More preferably, it is 0.5 to 10% by mass, and still more preferably 0.5 to 3.0% by mass.
When the content of transition metal atoms is in the above range, the oxygen reduction activity tends to be higher.
The content rate of transition metal atoms can be controlled by adjusting the blending amount of transition metal raw materials.
The content of transition metal atoms can be measured by the method described in the examples below.

(疎水性官能基)
本実施形態の窒素含有炭素材料は、高い酸素還元活性を有し、且つ、当該活性を維持する観点から、表面に疎水性官能基を有する窒素含有炭素材料であることが好ましい。
疎水性官能基としては、原料の窒素含有炭素材料の親水性を低下させるものであれば特に限定されないが、例えば、疎水性の高さから、アルキル基、及びフルオロアルキル基等が好適である。これらの疎水性官能基は、1種単独であってもよく、2種以上であってもよい。
(Hydrophobic functional group)
The nitrogen-containing carbon material of the present embodiment is preferably a nitrogen-containing carbon material having a hydrophobic functional group on the surface, from the viewpoint of having high oxygen reduction activity and maintaining the activity.
The hydrophobic functional group is not particularly limited as long as it reduces the hydrophilicity of the nitrogen-containing carbon material of the raw material, but, for example, an alkyl group, a fluoroalkyl group and the like are preferable because of their high hydrophobicity. These hydrophobic functional groups may be used alone or in combination of two or more.

アルキル基としては、例えば、炭素数1〜20のアルキル基を挙げることができ、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、ノナデシル基、エイコシル基等が挙げられる。
これらの中でも、好ましくは、炭素数4〜20のアルキル基であり、より好ましくは炭素数8〜20のアルキル基である。
As an alkyl group, a C1-C20 alkyl group can be mentioned, for example, Specifically, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, tert -Butyl group, pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group, tetradecyl group, pentadecyl group, hexadecyl group, heptadecyl group, nonadecyl Groups, eicosyl groups and the like.
Among these, preferred is an alkyl group having 4 to 20 carbon atoms, and more preferred is an alkyl group having 8 to 20 carbon atoms.

フルオロアルキル基とは、アルキル基の少なくとも一つの水素原子がフッ素原子で置換された基である。フルオロアルキル基としては、例えば、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロn−プロピル基、パーフルオロイソプロピル基、パーフルオロn−ブチル基、パーフルオロt−ブチル基、パーフルオロn−ヘキシル基、パーフルオロn−オクチル基、パーフルオロn−デシル基、及びパーフルオロn−ドデシル基等のパーフルオロアルキル基;並びに、パーフルオロエチル基、パーフルオロn−プロピル基、パーフルオロイソプロピル基、パーフルオロn−ブチル基、パーフルオロt−ブチル基、パーフルオロn−ヘキシル基、パーフルオロn−オクチル基、パーフルオロn−デシル基及びパーフルオロn−ドデシル基のいずれかを有する、メチル基、エチル基、又はn−プロピル基等のパーフルオロアルキルアルキル基;等が挙げられる。
これらの中でも、好ましくは、パーフルオロn−オクチル基を有するエチル基、すなわち、1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8−ヘプタデカフルオロデシル基である。
The fluoroalkyl group is a group in which at least one hydrogen atom of the alkyl group is substituted with a fluorine atom. As a fluoroalkyl group, for example, trifluoromethyl group, perfluoroethyl group, perfluoro n-propyl group, perfluoroisopropyl group, perfluoro n-butyl group, perfluoro t-butyl group, perfluoro n-hexyl group And perfluoroalkyl groups such as perfluoro n-octyl group, perfluoro n-decyl group, and perfluoro n-dodecyl group; and perfluoroethyl group, perfluoro n-propyl group, perfluoroisopropyl group, perfluoro A methyl group or an ethyl group having any one of n-butyl group, perfluoro t-butyl group, perfluoro n-hexyl group, perfluoro n-octyl group, perfluoro n-decyl group and perfluoro n-dodecyl group Or perfluoroalkylalkyl such as n-propyl group ; And the like.
Among these, an ethyl group having a perfluoro n-octyl group is preferable, that is, 1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7, 8,8-heptadecafluorodecyl group.

疎水性官能基を導入する方法としては特に限定されないが、例えば、原料の窒素含有炭素材料の表面にある酸素官能基と疎水性官能基を有する試薬とを反応させる方法等を好適に用いることができる。
酸素官能基としては、例えば、ヒドロキシ基、カルボキシ基、カルボニル基等が挙げられ、疎水性官能基を有する試薬との反応性の高さの観点から、好ましくはヒドロキシ基である。
The method for introducing the hydrophobic functional group is not particularly limited. For example, a method of reacting an oxygen functional group on the surface of the raw material nitrogen-containing carbon material with a reagent having a hydrophobic functional group is preferably used. it can.
As an oxygen functional group, a hydroxy group, a carboxy group, a carbonyl group etc. are mentioned, for example, From a high viewpoint of the reactivity with the reagent which has a hydrophobic functional group, it is preferably a hydroxy group.

〔窒素含有炭素材料の製造方法〕
本実施形態の窒素含有炭素材料の製造方法は、上記原料の窒素含有炭素材料に疎水性官能基を導入する工程を含むことが好ましい。
また、疎水基の導入量を増やす観点から、原料の窒素含有炭素材料の表面にあるカルボキシ基、カルボニル基、ラクトン構造、酸無水物構造を還元してヒドロキシ基とすることが好ましい。
すなわち、本実施形態の窒素含有炭素材料の製造方法は、原料である窒素含有炭素材料を還元処理した後に、疎水性官能基を導入する工程を含むことがより好ましい。
[Method of producing nitrogen-containing carbon material]
It is preferable that the manufacturing method of the nitrogen-containing carbon material of this embodiment includes the process of introduce | transducing a hydrophobic functional group into the nitrogen-containing carbon material of the said raw material.
Further, from the viewpoint of increasing the amount of introduced hydrophobic group, it is preferable to reduce the carboxy group, carbonyl group, lactone structure and acid anhydride structure on the surface of the nitrogen-containing carbon material of the raw material into a hydroxy group.
That is, it is more preferable that the manufacturing method of the nitrogen-containing carbon material of this embodiment includes the process of introduce | transducing a hydrophobic functional group, after carrying out the reduction process of the nitrogen-containing carbon material which is a raw material.

原料の窒素含有炭素材料は、炭素原料と、窒素原料と、必要に応じて遷移金属原料とから製造することができる。
原料の窒素含有炭素材料の製造方法は、例えば、炭素原料と、窒素原料と、必要に応じて遷移金属原料とを含む組成物から前駆体を調製する前駆体調製工程、前駆体を焼成して窒素含有炭素材料を得る熱処理工程、並びに炭素化物を粉砕して粒子径を調整する粒子径調整工程を有することが好ましい。
The nitrogen-containing carbon material as the raw material can be produced from the carbon raw material, the nitrogen raw material, and, if necessary, the transition metal raw material.
The method for producing the nitrogen-containing carbon material of the raw material is, for example, a precursor preparation step of preparing a precursor from a composition containing a carbon raw material, a nitrogen raw material, and, if necessary, a transition metal raw material, It is preferable to have a heat treatment step of obtaining a nitrogen-containing carbon material, and a particle diameter adjustment step of grinding the carbonized material to adjust the particle diameter.

〔前駆体調製工程〕
前駆体調製工程は、炭素原料及び窒素原料、又は、炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料を複合化して、前駆体を調製する工程である。
[Precursor preparation step]
The precursor preparation step is a step of preparing a precursor by combining a carbon source and a nitrogen source, or a carbon source, a nitrogen source and a transition metal source.

(前駆体)
前駆体は、炭素原料及び窒素原料を複合化したものであっても、炭素原料、窒素原料、及び遷移金属原料を複合化したものであってもよい。前駆体は、必要に応じて他の成分も含むことができる。他の成分としては、特に限定されないが、例えば、ホウ素及び/又はリンを含有する化合物等が挙げられる。
(precursor)
The precursor may be a composite of a carbon source and a nitrogen source, or may be a composite of a carbon source, a nitrogen source, and a transition metal source. The precursor can also contain other components as needed. The other component is not particularly limited, and examples thereof include compounds containing boron and / or phosphorus.

炭素原料、窒素原料、及び遷移金属原料は、それぞれ炭素原子、窒素原子、遷移金属原子を含有しているものであれば特に限定されず、一種類の化合物を複数の原子の原料としてもよく、ある原子の原料として複数の化合物を用いてもよい。一種類の化合物を複数の原子の原料とするとは、例えば、炭素原子、窒素原子及び遷移金属原子を含有する金属フタロシアニン等のみを前駆体の原料とすることである。また、ある原子の原料として複数の化合物を用いるとは、例えば、炭素原子を含有するカーボンブラックと、炭素原子及び窒素原子を含有するポリアニリンとを、前駆体の原料とすることである。。
ここで、「複合化」とは、炭素原料及び窒素原料、又は、炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料が物理的に混合している状態であってもよく、炭素原料及び窒素原料、又は、炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料が化学結合を形成している状態であってもよい。前駆体中の各原料は、それぞれが均一に分散していることが好ましい。
The carbon raw material, the nitrogen raw material, and the transition metal raw material are not particularly limited as long as they each contain a carbon atom, a nitrogen atom, and a transition metal atom, and one kind of compound may be used as a raw material of a plurality of atoms, A plurality of compounds may be used as a source of a certain atom. To use one kind of compound as a raw material of a plurality of atoms means, for example, to use only a metal phthalocyanine containing a carbon atom, a nitrogen atom and a transition metal atom as a precursor raw material. Moreover, using a plurality of compounds as a raw material of a certain atom means, for example, using carbon black containing carbon atoms and polyaniline containing carbon atoms and nitrogen atoms as raw materials of precursors. .
Here, “composite” may be a state in which the carbon raw material and the nitrogen raw material, or the carbon raw material, the nitrogen raw material, and the transition metal raw material are physically mixed, and the carbon raw material and the nitrogen raw material, or The carbon source, the nitrogen source and the transition metal source may form a chemical bond. It is preferable that each raw material in the precursor is uniformly dispersed.

(炭素原料)
炭素原料としては、特に限定されないが、例えば、炭素原子を有する有機化合物及び炭素材料そのものが挙げられる。炭素原子を有する有機化合物としては、窒素ガス流通下で、1000℃、1時間熱処理を施して得られる炭素材料の収率が1質量%以上である化合物が好ましい。
(Carbon raw material)
Although it does not specifically limit as a carbon raw material, For example, the organic compound which has a carbon atom, and carbon material itself are mentioned. As the organic compound having a carbon atom, a compound having a yield of 1% by mass or more of a carbon material obtained by heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour under nitrogen gas flow is preferable.

炭素原子を有する有機化合物としては、特に限定されないが、例えば、フェノール樹脂、ポリフルフリルアルコール、フラン、フラン樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、エポキシ樹脂、ポリ塩化ビニリデン、ポリチオフェン、ポリスルフォン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリエステル、ポリ乳酸、ポリエ−テル、ポリエーテルエーテルケトン、セルロース、カルボキシメチルセルロース、リグニン、ピッチ、ポリカルバゾール、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステル及びポリメタクリル酸等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   The organic compound having a carbon atom is not particularly limited, and examples thereof include: phenol resin, polyfurfuryl alcohol, furan, furan resin, phenol formaldehyde resin, epoxy resin, polyvinylidene chloride, polythiophene, polysulfone, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, Polyester, polylactic acid, polyether, polyetheretherketone, cellulose, carboxymethylcellulose, lignin, pitch, polycarbazole, polyacrylic acid, polyacrylic ester, polymethacrylic ester, polymethacrylic acid and the like can be mentioned. These may be used alone or in combinations of two or more.

炭素材料としては、特に限定されないが、例えば、黒鉛、活性炭、アモルファスカーボン、カーボンブラック、石炭、木炭、コークス、カーボンナノチューブ、フラーレン及びグラフェン等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   The carbon material is not particularly limited, and examples thereof include graphite, activated carbon, amorphous carbon, carbon black, coal, charcoal, coke, carbon nanotubes, fullerene, graphene and the like. These may be used alone or in combinations of two or more.

(窒素原料)
窒素原料としては、特に限定されないが、例えば、窒素原子を有する低分子の有機化合物、窒素原子を有する高分子の有機化合物を用いることができ、それらの2種以上の混合物であってもよい。
(Nitrogen source)
The nitrogen source is not particularly limited. For example, a low molecular weight organic compound having a nitrogen atom or a high molecular weight organic compound having a nitrogen atom may be used, and a mixture of two or more thereof may be used.

窒素原子を有する低分子の有機化合物としては、特に限定されないが、例えば、窒素原子を有する数平均分子量1000未満の有機化合物が挙げられる。窒素原子を有する低分子の有機化合物としては、具体的には、ジアミノマレオニトリル、フタロシアニン、ポルフィリン、フェナントロリン、メラミン、アクリロニトリル、ピロール、ピリジン、ビニルピリジン、アニリン、イミダゾール、1−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、ベンゾイミダゾール、ピリダジン、ピリミジン、ピペラジン、キノキサリン、ピラゾール、モルホリン、ヒドラジン、ヒドラジド、尿素、サレン、トリアジン及びシアヌル酸等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   Although it does not specifically limit as a low molecular weight organic compound which has a nitrogen atom, For example, the organic compound which has a number average molecular weight of less than 1000 which has a nitrogen atom is mentioned. Specific examples of the low molecular weight organic compound having a nitrogen atom include diaminomaleonitrile, phthalocyanine, porphyrin, phenanthroline, melamine, acrylonitrile, pyrrole, pyridine, vinylpyridine, aniline, imidazole, 1-methylimidazole, 2-methyl Imidazole, benzimidazole, pyridazine, pyrimidine, piperazine, quinoxaline, pyrazole, morpholine, hydrazine, hydrazide, urea, salen, triazine, cyanuric acid and the like. These may be used alone or in combinations of two or more.

窒素原子を有する高分子の有機化合物としては、特に限定されないが、例えば、窒素原子を有する数平均分子量1000以上の有機化合物が挙げられる。窒素原子を有する高分子の有機化合物としては、具体的には、アズルミン酸、ジアミノマレオニトリル重合体、メラミン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−ポリメタクリル酸共重合体、ポリピロール、ポリビニルピロール、ポリビニルピリジン、ポリアニリン、ポリベンゾイミダゾ−ル、ポリイミド、ポリアミド、キチン、キトサン、ポリアミノ酸、絹、毛、核酸、DNA、RNA、ポリウレタン、ポリアミドアミン、ポリカルボジイミド、ポリビスマレイミド及びポリアミノビスマレイミド等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   Although it does not specifically limit as a polymeric organic compound which has a nitrogen atom, For example, the organic compound which has a number average molecular weight 1000 or more which has a nitrogen atom is mentioned. Specific examples of the organic compound having a nitrogen atom include azulmic acid, diaminomaleonitrile polymer, melamine resin, polyamideimide resin, polyacrylonitrile, polyacrylonitrile-polymethacrylic acid copolymer, polypyrrole and polyvinylpyrrole. Polyvinylpyridine, polyaniline, polybenzimidazole, polyimide, polyamide, chitin, chitosan, polyamino acid, silk, hair, nucleic acid, DNA, RNA, polyurethane, polyamidoamine, polycarbodiimide, polybismaleimide, polyaminobismaleimide, etc. It can be mentioned. These may be used alone or in combinations of two or more.

本実施形態に用いる窒素含有炭素材料は、このような窒素原料を用いて製造することにより、原子比(N/C)を調整することができる。   The atomic ratio (N / C) of the nitrogen-containing carbon material used in the present embodiment can be adjusted by using such a nitrogen source.

このなかでも、窒素原料及び炭素原料としては、フェノール樹脂、並びに、アズルミン酸及び/又はジアミノマレオニトリルを含むことが好ましく、フェノール樹脂、ジアミノマレオニトリルがより好ましい。フェノール樹脂、並びに、アズルミン酸及び/又はジアミノマレオニトリルを含むことにより、窒素含有炭素材料粉体の酸素還元活性がより向上する傾向にある。また、溶媒への溶解性がより高いジアミノマレオニトリルを含むことにより、遷移金属と窒素原料及び炭素原料との錯体形成が好適に進行し、ひいては、遷移金属がより均等に分散した窒素含有炭素材料が得られるため、窒素含有炭素材料の酸素還元活性がより向上する傾向にある。   Among these, as the nitrogen raw material and the carbon raw material, it is preferable to contain a phenol resin and azulmic acid and / or diaminomaleonitrile, and a phenol resin and diaminomaleonitrile are more preferable. By containing a phenolic resin and azulmic acid and / or diaminomaleonitrile, the oxygen reduction activity of the nitrogen-containing carbon material powder tends to be further improved. In addition, by containing diaminomaleonitrile having higher solubility in a solvent, complex formation between the transition metal and the nitrogen source and the carbon source preferably proceeds, and thus, the nitrogen-containing carbon material in which the transition metal is more uniformly dispersed. As a result, the oxygen reduction activity of the nitrogen-containing carbon material tends to be further improved.

(遷移金属原料)
遷移金属原料としては、特に限定されないが、例えば、遷移金属塩、遷移金属錯体を用いることができ、それらの2種類以上の混合物であってもよい。遷移金属としては、特に限定されないが、例えば、Fe,Co,Ni,Cu,Mn,Cr等が挙げられ、Fe,Co,Cuが好ましく、Fe,Coがより好ましい。遷移金属塩としては、特に限定されないが、例えば、遷移金属の塩化物、臭化物、ヨウ化物、硝酸化物、硫酸化物、リン酸化物、酢酸化物、シアン化物等が挙げられる。遷移金属錯体としては、例えば、遷移金属のアセチルアセトン錯体、シクロペンタジエニル錯体、フタロシアニン錯体、ポルフィリン錯体、フェナントロリン錯体等が挙げられる。本実施形態の窒素含有炭素材料は、このような遷移金属を含むことにより、酸素還元活性がより向上する傾向にある。
(Transition metal raw materials)
The transition metal source is not particularly limited. For example, transition metal salts and transition metal complexes can be used, and a mixture of two or more of them may be used. The transition metal is not particularly limited, and examples thereof include Fe, Co, Ni, Cu, Mn, and Cr. Fe, Co, and Cu are preferable, and Fe and Co are more preferable. The transition metal salt is not particularly limited, and examples thereof include chloride, bromide, iodide, nitrate, sulfate, phosphorus oxide, acetate, cyanide and the like of the transition metal. Examples of transition metal complexes include acetylacetone complexes of transition metals, cyclopentadienyl complexes, phthalocyanine complexes, porphyrin complexes, phenanthroline complexes and the like. The nitrogen-containing carbon material of the present embodiment tends to further improve the oxygen reduction activity by including such a transition metal.

鉄(Fe)塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化鉄(II)、塩化鉄(II)四水和物、塩化鉄(III)、塩化鉄(III)六水和物、臭化鉄(II)、臭化鉄(II)六水和物、臭化鉄(III)、臭化鉄(III)六水和物、ヘキサシアノ鉄(II)酸アンモニウム三水和物、ヘキサシアノ鉄(II)酸カリウム三水和物、ヘキサシアノ鉄(III)酸アンモニウム、ヘキサシアノ鉄(III)カリウム、ヘキサシアノ鉄(II)酸ナトリウム十水和物、ヘキサシアノ鉄(III)酸ナトリウム一水和物、硝酸鉄(II)六水和物、硝酸鉄(III)九水和物、チオシアン酸鉄(III)、炭酸鉄(II)、炭酸鉄(II)一水和物、ヘキサクロロ鉄(III)酸メチルアンモニウム、テトラクロロ鉄(II)酸テトラメチルアンモニウム、ペンタシアノニトロシル鉄(III)酸カリウム二水和物、ヘキサシアノ鉄(II)酸カリウム鉄(III)水和物、ペンタシアノニトロシル鉄(III)酸ナトリウム二水和物、アンミンペンタシアノ鉄(II)酸ナトリウム三水和物、アクアペンタシアノ鉄(II)酸ナトリウム七水和物、チオシアン酸鉄(II)三水和物、酢酸鉄、シュウ酸鉄(III)五水和物、シュウ酸鉄(II)二水和物、クエン酸鉄(III)三水和物、ヨウ化鉄(II)、ヨウ化鉄(II)四水和物、硫酸鉄(III)、硫酸鉄(III)九水和物、テトラクロロ鉄(II)酸アンモニウム、過塩素酸鉄(II)六水和物、過塩素酸鉄(III)六水和物、アクアペンタフルオロ鉄(III)酸カリウム、硫酸カリウム鉄(III)十二水和物、ビス(スルファト)鉄(II)二アンモニウム六水和物、トリス(硫酸)鉄(III)酸ナトリウム三水和物、リン酸鉄(III)二水和物、リン酸鉄(II)八水和物、硫酸鉄(II)七水和物等が挙げられる。これらの中でも、好ましくは、塩化鉄(II)、塩化鉄(III)、臭化鉄(II)、臭化鉄(III)、硝酸鉄(III)九水和物である。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   The iron (Fe) salt is not particularly limited. For example, iron (II) chloride, iron (II) chloride tetrahydrate, iron (III) chloride, iron (III) chloride hexahydrate, iron bromide (II), iron (II) bromide hexahydrate, iron (III) bromide, iron (III) bromide hexahydrate, ammonium hexacyanoferrate (II) trihydrate, hexacyanoferrate (II) Potassium trihydrate hydrate, ammonium hexacyanoferrate (III), potassium hexacyanoferrate (III), sodium hexacyanoferrate (II) decahydrate, sodium hexacyanoferrate (III) monohydrate, iron nitrate (II ) Hexahydrate, iron (III) nitrate nonahydrate, iron (III) thiocyanate, iron (II) carbonate, iron (II) carbonate monohydrate, methyl ammonium hexachloroferrate (III), tetrachloro Iron (II) acid tetramethyl Ammonium, potassium pentacyanonitrosylferrate (III) dihydrate, potassium hexacyanoferrate (II) iron (III) hydrate, sodium pentacyanonitrosylferrate (III) dihydrate, ammine pentacyanoferrate ( II) Sodium acid trihydrate, sodium aquapentacyanoferrate (II) heptahydrate, iron thiocyanate iron (II) trihydrate, iron acetate, iron oxalate pentahydrate, oxalic acid Iron (II) dihydrate, iron (III) citrate trihydrate, iron (II) iodide, iron (II) iodide tetrahydrate, iron (III) sulfate, iron (III) sulfate Hydrate, ammonium tetrachloroferrate (II), iron (II) perchlorate hexahydrate, iron (III) perchlorate hexahydrate, potassium aquapentafluoroferrate (III), potassium iron sulfate (III) Twelve Water , Bis (sulfato) iron (II) diammonium hexahydrate, tris (sulfate) iron (III) trihydrate, iron (III) phosphate dihydrate, iron (II) phosphate Hydrates, iron (II) sulfate heptahydrate and the like can be mentioned. Among these, preferred are iron (II) chloride, iron (III) chloride, iron (II) bromide, iron (III) bromide, iron (III) nitrate nonahydrate. These may be used alone or in combinations of two or more.

コバルト(Co)塩としては、特に限定されないが、例えば、ヘキサシアノコバルト(III)酸カリウム、硝酸コバルト(II)六水和物、フッ化コバルト(II)、臭化コバルト(II)、臭化コバルト(II)六水和物、炭酸コバルト(II)、チオシアン酸コバルト(II)三水和物、酢酸コバルト(II)四水和物、酢酸コバルト(III)、塩化コバルト(II)、塩化コバルト(II)六水和物、テトラクロロコバルト(II)酸セシウム、ヘキサフルオロコバルト(III)酸カリウム、ヨウ化コバルト(II)、ヨウ化コバルト(II)六水和物、ヘキサニトロコバルト(III)酸カリウム、リン酸コバルト(II)、リン酸コバルト(II)八水和物、硫酸コバルト(II)、硫酸コバルト(II)七水和物等が挙げられる。これらの中でも、好ましくは、塩化コバルト(II)、臭化コバルト(II)、硝酸コバルト(II)六水和物である。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   The cobalt (Co) salt is not particularly limited. For example, potassium hexacyanocobalt (III), cobalt (II) nitrate hexahydrate, cobalt (II) fluoride, cobalt (II) bromide, cobalt bromide (II) Hexahydrate, cobalt (II) carbonate, cobalt (II) thiocyanate trihydrate, cobalt (II) acetate tetrahydrate, cobalt (III) acetate, cobalt (II) chloride, cobalt chloride II) Hexahydrate, cesium tetrachlorocobalt (II), potassium hexafluorocobalt (III), cobalt (II) iodide, cobalt (II) iodide hexahydrate, hexanitrocobalt (III) Examples include potassium, cobalt (II) phosphate, cobalt (II) phosphate octahydrate, cobalt (II) sulfate, cobalt (II) sulfate heptahydrate, etc. It is. Among these, preferred are cobalt (II) chloride, cobalt (II) bromide and cobalt (II) nitrate hexahydrate. These may be used alone or in combinations of two or more.

ニッケル(Ni)塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化ニッケル(II)、塩化ニッケル(II)六水和物、臭化ニッケル(II)、硝酸ニッケル(II)六水和物等が挙げられる。
銅(Cu)塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化銅(II)、塩化銅(II)二水和物、臭化銅(II)、硝酸銅(II)二水和物等が挙げられる。
マンガン(Mn)塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化マンガン(II)、臭化マンガン(II)、硝酸マンガン(II)四水和物等が挙げられる。
クロム(Cr)塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化クロム(III)、臭化クロム(III)、硝酸クロム(III)九水和物等が挙げられる。
これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
The nickel (Ni) salt is not particularly limited, and examples thereof include nickel (II) chloride, nickel (II) chloride hexahydrate, nickel (II) bromide, nickel (II) nitrate hexahydrate and the like. Be
The copper (Cu) salt is not particularly limited, and examples thereof include copper (II) chloride, copper (II) chloride dihydrate, copper (II) bromide, copper (II) nitrate dihydrate and the like. Be
The manganese (Mn) salt is not particularly limited, and examples thereof include manganese (II) chloride, manganese (II) bromide, manganese (II) nitrate tetrahydrate and the like.
The chromium (Cr) salt is not particularly limited, and examples thereof include chromium (III) chloride, chromium (III) bromide, and chromium (III) nitrate nonahydrate.
These may be used alone or in combinations of two or more.

前駆体中の遷移金属原子の含有量は、好ましくは0.01質量%〜10質量%であり、より好ましくは0.03質量%〜5質量%であり、さらに好ましくは0.05質量%〜3質量%である。前駆体中の遷移金属原子の含有量が上記範囲内であることにより、窒素含有炭素材料の酸素還元活性がより向上する傾向にある。   The content of transition metal atoms in the precursor is preferably 0.01% by mass to 10% by mass, more preferably 0.03% by mass to 5% by mass, still more preferably 0.05% by mass It is 3% by mass. When the content of transition metal atoms in the precursor is in the above range, the oxygen reduction activity of the nitrogen-containing carbon material tends to be further improved.

また、用いる炭素原料及び窒素原料によって、熱処理工程によって得られる窒素含有炭素材料中の窒素含有量が大きく異なるため、窒素含有炭素材料の窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)が所望の範囲になるよう、炭素原料と窒素原料との比率を調整することが好ましい。
原子比(N/C)は、原子比(N/C)の高い窒素原料を用いる及び/又は前駆体中の窒素原料の比率を上げることにより、大きくするように制御することができ、原子比(N/C)の低い窒素原料を用いる及び/又は前駆体中の窒素原料の比率を下げることにより、小さくするように制御することができる。
In addition, since the nitrogen content in the nitrogen-containing carbon material obtained by the heat treatment step is largely different depending on the carbon raw material and the nitrogen raw material used, the atomic ratio (N / C) of nitrogen atom to carbon atom of nitrogen-containing carbon material is desired It is preferable to adjust the ratio of the carbon source and the nitrogen source so as to be in the range of
The atomic ratio (N / C) can be controlled to increase by using a nitrogen source having a high atomic ratio (N / C) and / or increasing the ratio of the nitrogen source in the precursor, the atomic ratio It can be controlled to be small by using a low (N / C) nitrogen source and / or reducing the ratio of the nitrogen source in the precursor.

窒素原料、炭素原料、及び遷移金属原料の複合化の方法としては、特に限定されないが、例えば、各原料が予め複合化した原料を前駆体として用いる方法、各原料を溶媒に溶かした後に蒸発乾固する方法、各原料をボールミル等で物理混合する方法等が挙げられる。
また、複合化方法としては、特に限定されないが、例えば、一つの溶媒に全ての原料を溶解させてもよく、それぞれ異なる溶媒に各原料を溶解させた後に各溶媒を混合してもよい。「各原料が予め複合化した」原料とは、例えば、鉄フタロシアニン錯体のように単独の化合物で窒素原料、炭素原料及び遷移金属原料になるものを前駆体等を指す。
The method of combining the nitrogen source, carbon source, and transition metal source is not particularly limited. For example, a method in which each source is used in advance as a precursor is used as a precursor, and after each source is dissolved in a solvent, it is evaporated to dryness. The method of hardening, the method of physically mixing each raw material with a ball mill etc., etc. are mentioned.
The method for forming a composite is not particularly limited. For example, all the raw materials may be dissolved in one solvent, or the respective raw materials may be mixed after being dissolved in different solvents. The raw material “each raw material is complexed in advance” means, for example, a precursor such as an iron phthalocyanine complex which is a single compound to be a nitrogen raw material, a carbon raw material, and a transition metal raw material.

溶媒として、特に限定されず、各原料の溶解度が高い溶媒を適宜選択すればよい。溶媒は、1種類を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   The solvent is not particularly limited, and a solvent having high solubility of each raw material may be appropriately selected. The solvents may be used alone or in combination of two or more.

〔熱処理工程〕
熱処理工程は、炭素原料と、窒素原料と、を含む前駆体を熱処理して、窒素含有炭素材料を得る工程である。熱処理工程は、一段階の熱処理であってもよく、二段階以上の熱処理であってもよい。
また、熱処理工程を二段階以上で行う場合は、その間に他の工程を組み込んでもよい。
熱処理工程は、前記前駆体を不活性ガス雰囲気下で熱処理する第1の熱処理工程と、前記第1の熱処理工程で処理された前駆体をアンモニア含有ガス雰囲気下で熱処理する第2の熱処理工程と、を含むことが好ましい。
このなかでも、熱処理工程において、前駆体を不活性ガス雰囲気下で熱処理する第1の熱処理工程と、前記第1の熱処理工程で得られた窒素含有炭素材料を粉砕して平均粒子径を調整する粒子径調整工程と、前記平均粒子径を調整した窒素含有炭素材料粉体をアンモニア含有ガス雰囲気下で熱処理する第2の熱処理工程とをこの順に行なうことが好ましい。不活性ガス雰囲気下における第1の熱処理工程は主に炭素化を目的とするものであり、アンモニア含有ガス雰囲気下における第2の熱処理工程は主に賦活化を目的とするものであり、このような熱処理工程を行うことで、酸素還元活性により優れる窒素含有炭素材料粉体が得られる傾向にある。
[Heat treatment process]
The heat treatment step is a step of heat treating a precursor containing a carbon source and a nitrogen source to obtain a nitrogen-containing carbon material. The heat treatment process may be a one-step heat treatment, or two or more heat treatments.
In addition, when the heat treatment step is performed in two or more steps, another step may be incorporated therebetween.
The heat treatment step includes a first heat treatment step of heat treating the precursor in an inert gas atmosphere, and a second heat treatment step of heat treating the precursor treated in the first heat treatment step in an ammonia-containing gas atmosphere Preferably,.
Among them, in the heat treatment step, the nitrogen-containing carbon material obtained in the first heat treatment step of heat-treating the precursor in an inert gas atmosphere and the first heat treatment step is pulverized to adjust the average particle diameter. It is preferable that the particle diameter adjusting step and the second heat treatment step of heat treating the nitrogen-containing carbon material powder whose average particle diameter is adjusted in an ammonia-containing gas atmosphere be performed in this order. The first heat treatment step in an inert gas atmosphere mainly aims at carbonization, and the second heat treatment step in an ammonia-containing gas atmosphere mainly aims at activation, By performing the heat treatment step, a nitrogen-containing carbon material powder which is more excellent in oxygen reduction activity tends to be obtained.

(第1の熱処理工程)
第1の熱処理工程は、前記前駆体を不活性ガス雰囲気下で熱処理する。上記不活性ガスとしては、特に限定されないが、例えば、窒素、希ガス、真空等を用いることができる。不活性ガス雰囲気下における熱処理温度は、好ましくは400〜1500℃であり、より好ましくは500〜1400℃であり、さらに好ましくは550〜1300℃である。熱処理温度が400℃以上であることにより、前駆体の炭素化が十分に進行する傾向にある。また、熱処理温度が1500℃以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。
不活性ガス雰囲気下における熱処理時間は、好ましくは5分〜50時間であり、より好ましくは10分〜20時間であり、さらに好ましくは20分〜10時間である。熱処理時間が5分以上であることにより、前駆体の炭素化が十分に進行する傾向にある。また、熱処理時間が50時間以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。
(First heat treatment process)
In the first heat treatment step, the precursor is heat-treated under an inert gas atmosphere. The inert gas is not particularly limited, and, for example, nitrogen, a rare gas, vacuum or the like can be used. The heat treatment temperature under an inert gas atmosphere is preferably 400 to 1500 ° C., more preferably 500 to 1400 ° C., and still more preferably 550 to 1300 ° C. When the heat treatment temperature is 400 ° C. or more, carbonization of the precursor tends to proceed sufficiently. Further, when the heat treatment temperature is 1500 ° C. or less, a sufficient yield tends to be obtained.
The heat treatment time under an inert gas atmosphere is preferably 5 minutes to 50 hours, more preferably 10 minutes to 20 hours, and still more preferably 20 minutes to 10 hours. When the heat treatment time is 5 minutes or more, carbonization of the precursor tends to proceed sufficiently. In addition, when the heat treatment time is 50 hours or less, a sufficient yield tends to be obtained.

(第2の熱処理工程)
第2の熱処理工程は、第1の熱処理工程で処理された前駆体をアンモニア含有ガス雰囲気下で熱処理する。第2の熱処理工程における熱処理の対象は、上述したとおり細孔形成工程を行った後の窒素含有炭素材料粉体であってもよい。
アンモニア含有ガスとしては、特に限定されないが、例えば、アンモニアのみ、又はアンモニアを窒素や希ガスで希釈したガスを用いることが好ましい。アンモニア含有ガス雰囲気下における熱処理温度は、好ましくは600〜1200℃であり、より好ましくは700〜1100℃であり、さらに好ましくは800〜1050℃である。熱処理温度が600℃以上であることにより、前記細孔を形成した窒素含有炭素材料粉体の賦活化が十分に進行し、酸素還元活性により優れる窒素含有炭素材料粉体が得られる傾向にある。また、熱処理温度が1200℃以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。
(Second heat treatment process)
In the second heat treatment step, the precursor treated in the first heat treatment step is heat-treated in an ammonia-containing gas atmosphere. The target of the heat treatment in the second heat treatment step may be the nitrogen-containing carbon material powder after performing the pore forming step as described above.
The ammonia-containing gas is not particularly limited. For example, it is preferable to use only ammonia or a gas obtained by diluting ammonia with nitrogen or a rare gas. The heat treatment temperature in the ammonia-containing gas atmosphere is preferably 600 to 1200 ° C., more preferably 700 to 1100 ° C., and still more preferably 800 to 1050 ° C. When the heat treatment temperature is 600 ° C. or more, activation of the nitrogen-containing carbon material powder in which the pores are formed is sufficiently advanced, and a nitrogen-containing carbon material powder having excellent oxygen reduction activity tends to be obtained. In addition, when the heat treatment temperature is 1200 ° C. or less, a sufficient yield tends to be obtained.

アンモニア含有ガス雰囲気下における熱処理時間は、好ましくは5分〜5時間であり、より好ましくは10分〜3時間であり、さらに好ましくは15分〜2時間である。熱処理時間が5分以上であることにより、前記細孔を形成した窒素含有炭素材料粉体の賦活化が十分に進行し、酸素還元活性により優れる窒素含有炭素材料粉体が得られる傾向にある。また、熱処理時間が5時間以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。   The heat treatment time in the ammonia-containing gas atmosphere is preferably 5 minutes to 5 hours, more preferably 10 minutes to 3 hours, and still more preferably 15 minutes to 2 hours. When the heat treatment time is 5 minutes or more, activation of the nitrogen-containing carbon material powder in which the pores are formed is sufficiently advanced, and a nitrogen-containing carbon material powder which is excellent in oxygen reduction activity tends to be obtained. In addition, when the heat treatment time is 5 hours or less, a sufficient yield tends to be obtained.

(遷移金属除去工程)
不活性ガス雰囲気下における第1の熱処理工程及び/又はアンモニア含有ガス雰囲気下における第2の熱処理工程の前後には、塩酸や硫酸等を用いて遷移金属の一部を除去してもよい。特に、熱処理によって表面に遷移金属粒子が生成する場合には、結晶化度増大の抑制の観点から、該熱処理工程後に遷移金属粒子を除去することが好ましい。遷移金属粒子のできやすさは遷移金属の種類、濃度、分散性、又は熱処理温度等によって変化する。また、遷移金属粒子の除去率を高めるために、不活性ガス雰囲気下での第1の熱処理工程及び/又はアンモニア含有ガス雰囲気下での第2の熱処理工程を複数のサブ工程に分割し、熱処理工程と遷移金属除去工程とを繰り返し行うことも好ましい。
(Transition metal removal process)
Before or after the first heat treatment step in an inert gas atmosphere and / or the second heat treatment step in an ammonia-containing gas atmosphere, part of the transition metal may be removed using hydrochloric acid, sulfuric acid, or the like. In particular, when transition metal particles are formed on the surface by heat treatment, it is preferable to remove the transition metal particles after the heat treatment step from the viewpoint of suppressing the increase in the degree of crystallinity. The ease of transition metal particles varies depending on the type, concentration, dispersibility, or heat treatment temperature of the transition metal. In order to increase the removal rate of transition metal particles, the first heat treatment step under an inert gas atmosphere and / or the second heat treatment step under an ammonia-containing gas atmosphere is divided into a plurality of sub-steps, and heat treatment is performed. It is also preferable to repeat the process and the transition metal removal process.

〔平均粒子径調整工程〕
窒素含有炭素材料の平均粒子径(体積平均粒子径)は、電極触媒としての活性と電極内の物質輸送との観点から、1nm以上100μm以下であることが好ましく、5nm以上10μm以下であることがより好ましく、10nm以上1μm以下であることが更に好ましい。窒素含有炭素材料の粒子径を調整する方法は特に限定されず、前駆体調製工程において前駆体の平均粒子径を制御してもよいし、熱処理工程後の窒素含有炭素材料を粉砕して調整してもよい。前駆体調製工程において前駆体の平均粒子径を制御する場合は、特に限定されないが、例えば、炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料を含む溶液をスプレードライヤーにて造粒する方法や、重合によって微粒子を得る方法を用いることができる。また、粉砕方法としては、特に限定されないが、例えば、前駆体又は窒素含有炭素材料を、乾式ボールミル、乾式ジェットミル、湿式ビーズミル、湿式ジェットミル等にて粉砕する方法が挙げられる。
[Average particle diameter adjustment step]
The average particle size (volume average particle size) of the nitrogen-containing carbon material is preferably 1 nm or more and 100 μm or less, and preferably 5 nm or more and 10 μm or less, from the viewpoint of activity as an electrode catalyst and material transport in the electrode. The thickness is more preferably 10 nm or more and 1 μm or less. The method of adjusting the particle diameter of the nitrogen-containing carbon material is not particularly limited, and the average particle diameter of the precursor may be controlled in the precursor preparation step, and the nitrogen-containing carbon material after the heat treatment step is pulverized and adjusted. May be When controlling the average particle size of the precursor in the precursor preparation step, there is no particular limitation. For example, a method of granulating a solution containing a carbon raw material, a nitrogen raw material and a transition metal raw material by a spray dryer, Can be used. Further, the method for pulverization is not particularly limited, and examples thereof include a method of pulverizing the precursor or the nitrogen-containing carbon material by a dry ball mill, a dry jet mill, a wet bead mill, a wet jet mill or the like.

〔疎水化工程〕
本実施形態の窒素含有炭素材料の製造方法は、上述したように、上記原料の窒素含有炭素材料に疎水性官能基を導入する工程を含むことが好ましく、原料の窒素含有炭素材料に疎水性官能基を有する試薬を接触させることにより、当該原料の窒素含有炭素材料の表面にある酸素官能基と、当該試薬とを反応させる。
また、本実施形態の窒素含有炭素材料の製造方法は、上述したように、原料の窒素含有炭素材料を還元処理することが好ましい。
Hydrophobing step
As described above, the method for producing a nitrogen-containing carbon material of the present embodiment preferably includes the step of introducing a hydrophobic functional group into the nitrogen-containing carbon material of the above-mentioned raw material. By contacting the reagent having a group, the oxygen functional group on the surface of the nitrogen-containing carbon material of the raw material is reacted with the reagent.
Further, in the method for producing a nitrogen-containing carbon material of the present embodiment, as described above, it is preferable to subject the nitrogen-containing carbon material of the raw material to reduction treatment.

原料の窒素含有炭素材料の還元処理では、原料の窒素含有炭素材料を、溶媒の存在下又は非存在下、還元剤と反応させる。
還元剤としては、原料の窒素含有炭素材料の表面に存在する、カルボキシ基、カルボニル基、ラクトン構造、酸無水物構造等の官能基を還元してヒドロキシ基とできるものであれば特に限定されないが、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、ボラン−テトラヒドロフラン錯体、水素化アルミニウムリチウム等が挙げられる。反応後に副生する塩の除去の容易性の観点から、これらの中でも、水素化ホウ素ナトリウム及びボラン−テトラヒドロフラン錯体が好ましい。
還元剤の量は、特に限定されないが、原料の窒素含有炭素材料の質量に対して、通常0.1〜100質量倍であり、好ましくは0.5〜10質量倍であり、より好ましくは0.5〜5.0質量倍である。
In the reduction treatment of the nitrogen-containing carbon material of the raw material, the nitrogen-containing carbon material of the raw material is reacted with a reducing agent in the presence or absence of a solvent.
The reducing agent is not particularly limited as long as it can be converted to a hydroxy group by reducing a functional group such as a carboxy group, a carbonyl group, a lactone structure or an acid anhydride structure present on the surface of the nitrogen-containing carbon material of the raw material. For example, sodium borohydride, borane-tetrahydrofuran complex, lithium aluminum hydride and the like can be mentioned. Among these, sodium borohydride and borane-tetrahydrofuran complex are preferable from the viewpoint of the ease of removal of the salt by-produced after the reaction.
The amount of the reducing agent is not particularly limited, but is usually 0.1 to 100 times by mass, preferably 0.5 to 10 times by mass, more preferably 0 based on the mass of the nitrogen-containing carbon material of the raw material. It is .5-5.0 mass times.

還元剤と反応させるときの温度は、使用する還元剤に応じて適宜調整すればよいが、還元反応を進行させる観点から、通常−20℃〜100℃であり、好ましくは0℃〜80℃であり、より好ましくは0℃〜40℃である。また、還元剤を安全に取扱い、還元反応を穏やかに進行させる観点から、温度を、原料の窒素含有炭素材料に還元剤を添加する時は4℃以下とし、徐々に昇温してもよい。
還元剤との反応時間は、使用する還元剤に応じて適宜調整すればよいが、通常0.5時間〜3日であり、好ましくは1時間〜2日であり、より好ましくは5時間〜24時間である。
The temperature when reacting with the reducing agent may be appropriately adjusted according to the reducing agent used, but from the viewpoint of promoting the reduction reaction, it is usually -20 ° C to 100 ° C, preferably 0 ° C to 80 ° C. C., more preferably 0.degree. C. to 40.degree. In order to handle the reducing agent safely and to allow the reduction reaction to proceed mildly, the temperature may be gradually raised to 4 ° C. or less when adding the reducing agent to the nitrogen-containing carbon material of the raw material.
The reaction time with the reducing agent may be appropriately adjusted depending on the reducing agent used, but is usually 0.5 hours to 3 days, preferably 1 hour to 2 days, more preferably 5 hours to 24 It's time.

還元反応は停止せずに、続く疎水性官能基を導入する工程を行ってよく、反応混合物より還元剤を除去することや、塩酸水溶液等の酸水溶液を添加し還元剤を失活させること等によって、反応を停止した後に続く疎水性官能基を導入する工程を行ってもよい。
還元処理後の原料の窒素含有炭素材料は、濾過、水による洗浄、乾燥等によって適宜精製した後に、疎水性官能基を導入する工程に供することが好ましい。
The process of introducing a hydrophobic functional group may be performed without stopping the reduction reaction, removing the reducing agent from the reaction mixture, adding an aqueous acid solution such as aqueous hydrochloric acid to deactivate the reducing agent, etc. The reaction may be terminated and then the subsequent step of introducing a hydrophobic functional group may be performed.
The nitrogen-containing carbon material of the raw material after the reduction treatment is preferably purified by filtration, washing with water, drying and the like, and then subjected to the step of introducing a hydrophobic functional group.

疎水性官能基を導入する工程では、溶媒の存在下又は非存在下、若しくは、塩基の存在か又は非存在か、還元処理後の原料の窒素含有炭素材料と、疎水性官能基を有する試薬とを接触させる。   In the step of introducing a hydrophobic functional group, the nitrogen-containing carbon material of the raw material after reduction treatment in the presence or absence of a solvent or in the presence or absence of a base, a reagent having a hydrophobic functional group, and Contact

疎水性官能基を有する試薬としては、例えば、ヒドロキシ基との反応性の高いハロゲン化物が好ましい。
疎水性官能基を有する試薬としては、アルキル基を導入する場合、例えば、ヨウ化メチル、ヨウ化エチル、1−ヨウ化プロピル等のヨウ化アルキル等が挙げられる。
疎水性官能基を有する試薬としては、フルオロアルキル基を導入する場合、例えば、ヨウ化パーフルオロアルキルや、1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8−ヘプタデカフルオロ−10−ヨードデカン等のヨウ化パーフルオロアルキルアルキル等が挙げられる。
疎水性官能基を有する試薬の量は、特に限定されないが、原料の窒素含有炭素材料の質量に対して、通常0.1〜100質量倍であり、好ましくは0.5〜10質量倍であり、より好ましくは0.5〜5.0質量倍である。
As the reagent having a hydrophobic functional group, for example, a halide having high reactivity with a hydroxy group is preferable.
As a reagent which has a hydrophobic functional group, when introduce | transducing an alkyl group, alkyl iodides, such as methyl iodide, an ethyl iodide, 1-i-propyl iodide etc., are mentioned, for example.
When a fluoroalkyl group is introduced as a reagent having a hydrophobic functional group, for example, perfluoroalkyl iodide or 1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6 And perfluoroalkylalkyl iodides such as 6,7,7,8,8,8-heptadecafluoro-10-iododecane and the like.
The amount of the reagent having a hydrophobic functional group is not particularly limited, but is usually 0.1 to 100 times by mass, preferably 0.5 to 10 times by mass the mass of the nitrogen-containing carbon material of the raw material. And more preferably 0.5 to 5.0 times by mass.

塩基としては、原料の窒素含有炭素材料に含まれる水酸基の水素を引き抜くことができるものであれば特に限定されないが、例えば、水素化ナトリウム、リチウムジイソプロピルアミド(LDA)、ナトリウムビス(トリメチルシリル)アミド(NaHMDS)等が挙げられる。これらの中でも、好ましくは水素化ナトリウムである。
塩基の量は、特に限定されないが、原料の窒素含有炭素材料の質量に対して、通常0.1〜100質量倍であり、好ましくは0.5〜10質量倍であり、より好ましくは0.5〜5.0質量倍である。
The base is not particularly limited as long as it can extract hydrogen of the hydroxyl group contained in the nitrogen-containing carbon material of the raw material, and examples thereof include sodium hydride, lithium diisopropylamide (LDA) and sodium bis (trimethylsilyl) amide ( NaHMDS) and the like. Among these, preferred is sodium hydride.
The amount of the base is not particularly limited, but is usually 0.1 to 100 times by mass, preferably 0.5 to 10 times by mass, more preferably 0. 1 to 10 times by mass the mass of the nitrogen-containing carbon material of the raw material. It is 5 to 5.0 mass times.

疎水性官能基を導入する工程における反応温度は、使用する疎水性官能基を有する試薬や塩基に応じて適宜調整すればよいが、反応を進行させる観点から、通常−20℃〜100℃であり、好ましくは0℃〜80℃であり、より好ましくは0℃〜40℃である。また、塩基を安全に取扱い、反応を穏やかに進行させる観点から、温度を、原料の窒素含有炭素材料に、疎水性官能基を有する試薬や塩基を添加する時は4℃以下とし、徐々に昇温してもよい。
反応時間は、使用する疎水性官能基を有する試薬や塩基に応じて適宜調整すればよいが、通常0.5時間〜24時間であり、好ましくは1時間〜12時間であり、より好ましくは1時間〜10時間である。
The reaction temperature in the step of introducing a hydrophobic functional group may be appropriately adjusted according to the reagent or base having a hydrophobic functional group to be used, but from the viewpoint of advancing the reaction, it is usually -20 ° C to 100 ° C. Preferably it is 0 degreeC-80 degreeC, More preferably, it is 0 degreeC-40 degreeC. In addition, from the viewpoint of handling the base safely and allowing the reaction to proceed gently, the temperature should be 4 ° C or lower when adding a reagent or base with a hydrophobic functional group to the nitrogen-containing carbon material of the raw material. May warm.
The reaction time may be appropriately adjusted according to the reagent or base having a hydrophobic functional group to be used, but is usually 0.5 hour to 24 hours, preferably 1 hour to 12 hours, and more preferably 1 It is 10 hours.

反応終了後、反応混合物より塩基を除去することや、塩酸水溶液等の酸水溶液を添加し塩基を中和すること等によって、反応を停止してもよい。
また、得られた窒素含有炭素材料は、濾過、水による洗浄、乾燥等によって適宜精製した後に、疎水化した窒素含有炭素材料としてもよい。
After completion of the reaction, the reaction may be stopped by removing the base from the reaction mixture or by adding an aqueous acid solution such as aqueous hydrochloric acid to neutralize the base.
In addition, the nitrogen-containing carbon material obtained may be appropriately purified by filtration, washing with water, drying, and the like, and then made to be a nitrogen-containing carbon material that has been made hydrophobic.

〔燃料電池〕
疎水的な窒素含有炭素材料は、固体高分子形燃料電池やアニオン交換膜形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等の正極に用いることができる。燃料電池の構造は特に限定されないが、主に膜電極接合体(MEA)と正極セパレータと負極セパレータとからなる。
〔Fuel cell〕
The hydrophobic nitrogen-containing carbon material can be used for the positive electrode of a polymer electrolyte fuel cell, an anion exchange membrane fuel cell, a direct methanol fuel cell or the like. Although the structure of the fuel cell is not particularly limited, it mainly comprises a membrane electrode assembly (MEA), a positive electrode separator and a negative electrode separator.

〔MEAの製法〕
MEAの製造方法は特に限定されず、例えば、触媒層(正極触媒層、負極触媒層を総称して触媒層という。)の構成成分を溶媒中に分散させたインクを負極側、正極側の両方用意し、高分子電解質膜の片方の主面ともう片方の主面にそれぞれ塗布して乾燥させ、乾燥後にマイクロポーラス層付きガス拡散層を圧着する方法が挙げられる。また、前記インクをポリテトラフルオロエチレン等のフィルムに塗布・乾燥し、負極側と正極側で高分子電解質膜を挟んで熱圧着した後に両側の該フィルムを剥がし、マイクロポーラス層付きガス拡散層を圧着する方法が挙げられる。また、前記インクをマイクロポーラス層付きガス拡散層に塗布・乾燥し、負極側と正極側で高分子電解質膜を挟んで熱圧着する方法等の一般的な方法を用いることができる。前述の項に記載したように、マイクロポーラス層付きガス拡散層は市販のものを使用することができる。
[Manufacturing method of MEA]
The method for producing MEA is not particularly limited, and, for example, both the negative electrode side and the positive electrode side of an ink in which the components of the catalyst layer (positive electrode catalyst layer and negative electrode catalyst layer are collectively referred to as catalyst layer) are dispersed in a solvent A method may be prepared, applied to each of the one main surface and the other main surface of the polymer electrolyte membrane and dried, and pressure-bonded to the gas diffusion layer with a microporous layer after drying. In addition, the ink is applied to a film such as polytetrafluoroethylene and dried, and the polymer electrolyte membrane is sandwiched between the negative electrode side and the positive electrode side by thermocompression bonding, and then the films on both sides are peeled off to form a gas diffusion layer with a microporous layer. The method of crimping is mentioned. In addition, a general method such as a method of applying and drying the above-mentioned ink on a gas diffusion layer with a microporous layer, and thermocompression bonding sandwiching a polymer electrolyte membrane on the negative electrode side and the positive electrode side can be used. As described in the above section, the microporous layer-provided gas diffusion layer can be a commercially available one.

〔負極の製法〕
負極触媒層の電極触媒としては、特に限定されないが、例えば、白金微粒子をカーボンブラックに担持した触媒、白金ルテニウム合金の微粒子をカーボンブラックに担持した触媒等の直接メタノール形燃料電池の一般的な負極の電極触媒を用いることができる。高分子電解質としてはナフィオン分散液を好ましく用いることができる。溶媒としては、水、低級アルコール(メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコール等)及びその混合物を好ましく用いることができる。(高分子電解質重量)/(触媒重量)の比率は、0.1〜2が好ましく、0.2〜1がより好ましく、0.3〜0.8が更に好ましい。溶媒と固形分の比率は特に限定されず、用いる塗布装置に適した粘度に調整することが好ましい。塗布装置は特に限定されず、例えば、バーコーター、スプレーコーター、スクリーンプリンター等の一般的な方法を用いることができる。
[Manufacturing method of negative electrode]
The electrode catalyst of the negative electrode catalyst layer is not particularly limited, but, for example, a general negative electrode of a direct methanol fuel cell such as a catalyst having platinum fine particles supported on carbon black, a catalyst having fine particles of platinum ruthenium alloy supported on carbon black Electrode catalysts can be used. As the polymer electrolyte, Nafion dispersion can be preferably used. As the solvent, water, lower alcohols (methanol, ethanol, isopropyl alcohol, normal propyl alcohol and the like) and mixtures thereof can be preferably used. 0.1-2 are preferable, 0.2-1 are more preferable, and, as for the ratio of (polyelectrolyte weight) / (catalyst weight), 0.3-0.8 are still more preferable. The ratio of the solvent to the solid content is not particularly limited, and it is preferable to adjust to a viscosity suitable for the coating apparatus to be used. The coating apparatus is not particularly limited, and for example, general methods such as a bar coater, a spray coater, and a screen printer can be used.

〔正極の製法〕
疎水的な窒素含有炭素材料は正極触媒として用いることができる。高分子電解質としてはナフィオン分散液を好ましく用いることができる。溶媒としては、水、低級アルコール(メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコール等)及びその混合物を好ましく用いることができる。(高分子電解質重量)/(触媒重量)の比率は、0.1〜5が好ましく、0.2〜3がより好ましく、0.3〜2が更に好ましい。溶媒と固形分の比率は特に限定されず、用いる塗布装置に適した粘度に調整することが好ましい。塗布装置は特に限定されず、例えば、バーコーター、スプレーコーター、スクリーンプリンター等の一般的な方法を用いることができる。
[Manufacturing method of positive electrode]
Hydrophobic nitrogen-containing carbon materials can be used as positive electrode catalysts. As the polymer electrolyte, Nafion dispersion can be preferably used. As the solvent, water, lower alcohols (methanol, ethanol, isopropyl alcohol, normal propyl alcohol and the like) and mixtures thereof can be preferably used. 0.1-5 are preferable, 0.2-3 are more preferable, and, as for the ratio of (polymer electrolyte weight) / (catalyst weight), 0.3-2 are still more preferable. The ratio of the solvent to the solid content is not particularly limited, and it is preferable to adjust to a viscosity suitable for the coating apparatus to be used. The coating apparatus is not particularly limited, and for example, general methods such as a bar coater, a spray coater, and a screen printer can be used.

〔用途〕
上述の疎水的な窒素含有炭素材料は固体高分子形燃料電池の正極触媒として用いることができる。
[Use]
The above-mentioned hydrophobic nitrogen-containing carbon material can be used as a positive electrode catalyst of a polymer electrolyte fuel cell.

以下に実施例等を挙げて本実施形態をさらに詳細に説明するが、これらは例示的なものであり、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。当業者は、以下に示す実施例に様々な変更を加えて本実施形態として実施することができ、係る変更は本発明の範囲に包含される。   The present embodiment will be described in more detail by way of examples and the like, but these are illustrative, and the present embodiment is not limited to the following examples. Those skilled in the art can implement the present embodiment as various modifications to the examples shown below, and such modifications are included in the scope of the present invention.

分析方法は以下のとおりとした。   The analysis method was as follows.

(吸湿率)
実施例及び比較例で得られた窒素含有炭素材料を、リガク製のTG−DTA/HUM−1に導入し、まずはサンプルを窒素ガス流通下100℃で1時間乾燥した。その後、サンプル温度を70℃に下げ、70℃で相対湿度90%まで加湿した窒素ガスを流通し、2時間保持し、下記式(1)の通り吸湿率を測定した。
吸湿率(%)={(加湿サンプル質量)−(乾燥サンプル質量)}/(乾燥サンプル質量)×100・・・式(1)
(Hygroscopicity)
The nitrogen-containing carbon material obtained in Examples and Comparative Examples was introduced into TG-DTA / HUM-1 manufactured by Rigaku, and first, the sample was dried at 100 ° C. for 1 hour under nitrogen gas flow. Thereafter, the sample temperature was lowered to 70 ° C., nitrogen gas humidified to 70% relative humidity at 90 ° C. was circulated, and held for 2 hours, and the moisture absorption rate was measured according to the following formula (1).
Moisture absorption rate (%) = {(humidified sample mass)-(dry sample mass)} / (dry sample mass) x 100 ... Formula (1)

(N/C)
JIS M8819「石炭類及びコークス類−機器分析装置による元素分析方法」に従って実施例及び比較例で得られた窒素含有炭素材料中の炭素及び窒素の質量濃度を測定した。これを原子比に換算したものをN/Cとした。
測定装置にはヤナコテクニカルサイエンス製のCHNコーダーMT−6を使用した。
(N / C)
The mass concentrations of carbon and nitrogen in the nitrogen-containing carbon materials obtained in Examples and Comparative Examples were measured according to JIS M 8819 "Coals and cokes-Elemental analysis method by instrumental analyzer". The atomic ratio was converted to N / C.
As a measuring apparatus, CHN coder MT-6 manufactured by Yanako Technical Science was used.

(遷移金属の含有率)
実施例及び比較例で得られた窒素含有炭素材料を、空気流通下900℃で1時間熱処理して炭素及び窒素を焼き飛ばし、残渣を王水に溶解させてICP発光分光分析することによって窒素含有炭素材料中の遷移金属の含有率を測定した。
測定装置にはエスアイアイ・ナノテクノロジー製のSPS3520UV−DDを使用した。
(Content of transition metal)
The nitrogen-containing carbon material obtained in the examples and comparative examples is heat-treated at 900 ° C. for 1 hour in an air stream to burn off carbon and nitrogen, and the residue is dissolved in aqua regia and subjected to ICP emission spectral analysis. The content of transition metal in the carbon material was measured.
As a measuring apparatus, SPS3520UV-DD made by SII Nano Technology was used.

(酸素還元活性測定)
実施例及び比較例で用いた、電極作製法及び回転電極法によるリニアスイープボルタンメトリーの測定(北斗電工の回転リングディスク電極装置「HR−301」、ポテンショスタット「HZ−5000」を使用。)は、以下のとおり行った。
まず、バイアル瓶に、実施例又は比較例で作製した窒素含有炭素材料5mgを秤取し、そこに、ガラスビーズをスパチュラ一杯、5質量%ナフィオン分散液(シグマアルドリッチジャパン製)を50μL、並びにイオン交換水及びエタノールをそれぞれ150μLずつ添加し、それらの混合物に20分間超音波を照射してスラリーを作製した。
このスラリーを4μL秤取し、回転電極のガラス状炭素上(0.2828cm2)に塗布し、真空乾燥した。乾燥後の回転電極を作用極とし、可逆水素電極(RHE)を参照極として、炭素電極を対極とした。0.5M硫酸を電解液とし、その電解液にまず窒素を30分間バブリングした後、掃引速度5mV/s、回転速度1500rpmで1.1Vから0Vまで掃引してボルタモグラムを得た。
続いて酸素を30分間バブリングした後、先ほどと同条件でボルタモグラムを得た。酸素下のボルタモグラムと窒素下のボルタモグラムの差分が酸素還元電流であり、酸素還元電流が−10μA/cm2になる電位を開始電位とした。
(Oxygen reduction activity measurement)
Measurement of linear sweep voltammetry by an electrode production method and a rotating electrode method (using a rotating ring disk electrode device "HR-301" and a potentiostat "HZ-5000" by Hokuto Denko) used in Examples and Comparative Examples is as follows. It went as follows.
First, 5 mg of the nitrogen-containing carbon material prepared in Example or Comparative Example is weighed into a vial, and a glass spatula is filled with glass beads, and 50 μL of 5 mass% Nafion dispersion (manufactured by Sigma Aldrich Japan) and ions 150 μL each of exchange water and ethanol were added, and the mixture was irradiated with ultrasonic waves for 20 minutes to prepare a slurry.
4 μL of this slurry was weighed, applied onto glassy carbon (0.2828 cm 2 ) of a rotating electrode, and vacuum dried. The rotating electrode after drying was used as a working electrode, and the reversible hydrogen electrode (RHE) was used as a reference electrode, and the carbon electrode was used as a counter electrode. 0.5 M sulfuric acid was used as an electrolyte, and nitrogen was first bubbled in the electrolyte for 30 minutes, and then sweeping from 1.1 V to 0 V at a sweep rate of 5 mV / s and a rotational speed of 1500 rpm to obtain a voltammogram.
Subsequently, after bubbling oxygen for 30 minutes, a voltammogram was obtained under the same conditions as above. The difference between the voltammogram under oxygen and the voltammogram under nitrogen is the oxygen reduction current, and the potential at which the oxygen reduction current becomes −10 μA / cm 2 is the initiation potential.

(耐久性測定)
<MEA作製>
実施例又は比較例で作製した窒素含有炭素材料から以下の方法でMEAを作製した。まず窒素含有炭素材料50mg、エタノール200mg及び1mmφジルコニアビーズ1.5gをマイクロ遠心チューブに入れ、ディスラプターホモジナイザー(サイエンティフィックインダストリーズ社製)を用いて、2850rpmで10分間撹拌した。次に、I/C(=ナフィオンの質量/窒素含有炭素材料の質量)が所定の値となるように20%ナフィオン溶液(和光純薬(株)製、DE2021CS)を添加し、ディスラプターホモジナイザーを用いて、2850rpmで15分間撹拌し、正極インクを作製した。なお、用いる窒素含有炭素材料ごとにMEAの発電量が最大となるようI/Cを調整した。この正極インクをスクリーン印刷機(ミタニマイクロニクス社製、MEC−2400)にてマイクロポーラス層付きガス拡散層(SGL製、29BC)に塗布し、120℃で30分間乾燥した。窒素含有炭素材料の塗布量は2mg/cm2とした。このように作製した正極触媒層−正極マイクロポーラス層−正極ガス拡散層の上に、ナフィオン膜(デュポン製、NR211)、白金−ルテニウム担持触媒付きガス拡散層((株)ケミックス製、白金−ルテニウム0.5mg/cm2担持)を載せ、150℃、0.2MPaにて熱圧着し、MEAを得た。
<燃料電池運転>
上記のMEAの発電評価をポテンショガルバノスタット(ソーラトロン社製、1285A)にて実施した。負極には水素(0.2MPa、80℃、相対湿度100%、流量300cc/min)を供給し、正極には空気(0.2MPa、80℃、相対湿度40%、流量300cc/min)大気圧を供給し、セル温度は80℃にし、0.4Vで100時間連続運転を行った。電流保持率(%)=(連続運転後の0.4Vでの電流値)/(連続運転前の0.4Vでの電流値)×100とし、これを耐久性の指標とした。
(Durability measurement)
<MEA production>
An MEA was produced by the following method from the nitrogen-containing carbon material produced in Examples or Comparative Examples. First, 50 mg of a nitrogen-containing carbon material, 200 mg of ethanol and 1.5 g of 1 mmφ zirconia beads were placed in a microcentrifuge tube and stirred for 10 minutes at 2850 rpm using a disrupter homogenizer (manufactured by Scientific Industries). Next, add a 20% Nafion solution (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., DE 2021 CS) so that I / C (= mass of Nafion / mass of nitrogen-containing carbon material) becomes a predetermined value, and then add Disruptor Homogenizer The mixture was stirred for 15 minutes at 2850 rpm to prepare a positive electrode ink. In addition, I / C was adjusted so that the electric power generation amount of MEA became the maximum for every nitrogen containing carbon material to be used. This positive electrode ink was applied to a gas diffusion layer with a microporous layer (SGL, 29BC) with a screen printer (MEC-2400, manufactured by Mitani Micronics, Inc.), and dried at 120 ° C. for 30 minutes. The application amount of the nitrogen-containing carbon material was 2 mg / cm 2 . On the positive electrode catalyst layer-positive electrode microporous layer-positive electrode gas diffusion layer thus prepared, Nafion membrane (manufactured by DuPont, NR211), platinum-ruthenium supported catalyst-attached gas diffusion layer (Kycoms Co., Ltd., platinum-ruthenium) 0.5 mg / cm 2 loading was placed thereon, and thermocompression bonding was performed at 150 ° C. and 0.2 MPa to obtain MEA.
<Fuel cell operation>
The above-mentioned power generation evaluation of MEA was carried out with a potential galvanostat (manufactured by Solartron, 1285A). Hydrogen (0.2MPa, 80 ° C, relative humidity 100%, flow rate 300cc / min) is supplied to the negative electrode, and air (0.2MPa, 80 ° C, relative humidity 40%, flow rate 300cc / min) atmospheric pressure to the positive electrode The cell temperature was brought to 80 ° C., and continuous operation was performed at 0.4 V for 100 hours. The current holding ratio (%) = (current value at 0.4 V after continuous operation) / (current value at 0.4 V before continuous operation) × 100, which was used as an indicator of durability.

[比較例1]
<前駆体調製工程>
1Lのナス型フラスコにジアミノマレオニトリル6g、フェノール樹脂(群栄化学工業(株)製、レヂトップPSK−2320)6g、塩化鉄(II)0.082g及びメタノール400ccを加え、室温で各成分が溶解するまで撹拌した。その後、60℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させて前駆体を得た。
<第1の熱処理工程>
調製した前駆体12gをアルミナボートに載置し、それをボックス炉に収容した。炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持することで6.6gのサンプルを得た。
<平均粒子径調整工程>
上記第1の熱処理工程サンプルを遊星ボールミル(フリッチュ・ジャパン(株)製のPulverisette−5を使用)にて直径10mmのジルコニアボールを用いて乾式粉砕することにより、平均粒子径を980nmに調整したサンプルを得た。
<第2の熱処理工程>
上記の平均粒子径を調整したサンプル6.6gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容した。炉内を大気圧、2NL/minのアンモニアガス流通下で60分間かけて室温から975℃まで昇温し、975℃のまま1時間保持することで3.3gの窒素含有炭素材料を得た。
<物性評価>
前述の方法にて、吸湿率測定、N/C測定、遷移金属の含有率測定、酸素還元活性測定を実施した。結果を表1に示す。
<耐久性評価>
前述の方法にて、MEAを作製し(I/C=1.25)、耐久性測定を実施した。電流保持率は36%だった。
Comparative Example 1
<Precursor preparation process>
6 g of diaminomaleonitrile, 6 g of phenol resin (Gunei Chemical Industries, Ltd., Redtop PSK-2320), 0.082 g of iron (II) chloride and 400 cc of methanol are added to a 1 L eggplant type flask, and the components are dissolved at room temperature Stir until until. After that, the solvent was removed using a rotary evaporator in a water bath at 60 ° C., and dried at 80 ° C. for 2 hours in a vacuum dryer to obtain a precursor.
<First heat treatment process>
12 g of the prepared precursor was placed on an alumina boat, which was housed in a box furnace. The temperature in the furnace was raised from room temperature to 800 ° C. over 60 minutes under nitrogen flow at atmospheric pressure and 1 NL / min, and held at 800 ° C. for 1 hour to obtain 6.6 g of a sample.
<Average particle diameter adjustment process>
A sample in which the average particle diameter is adjusted to 980 nm by dry-grinding the first heat treatment step sample with a planetary ball mill (using Pulverisette-5 manufactured by Fritsch Japan Ltd.) using zirconia balls of 10 mm in diameter I got
<Second heat treatment process>
The above-mentioned 6.6 g of the sample adjusted to the average particle size was placed on a quartz boat, and it was housed in a quartz tubular furnace with an inner diameter of 36 mm. The temperature in the furnace was raised from room temperature to 975 ° C. over 60 minutes under ammonia gas flow at atmospheric pressure and 2 NL / min, and held at 975 ° C. for 1 hour to obtain 3.3 g of a nitrogen-containing carbon material.
<Physical evaluation>
The moisture absorption rate measurement, the N / C measurement, the transition metal content measurement, and the oxygen reduction activity measurement were performed by the above-mentioned method. The results are shown in Table 1.
<Durability evaluation>
MEA was produced (I / C = 1.25) by the above-mentioned method, and endurance measurement was performed. The current retention rate was 36%.

[実施例1]
<還元処理工程>
比較例1で得られた窒素含有炭素材料を原料の窒素含有炭素材料とした。
まず、50mLのナス型フラスコに原料の窒素含有炭素材料50mgとテトラヒドロフラン20mLを加え、0℃に冷却した。そこに、水素化ホウ素ナトリウム56mgを少しずつ添加した後、室温に戻して一晩撹拌した。その後、フラスコを氷冷しながら数滴のイオン交換水を滴下し、pH=3の塩酸水溶液を30mL加え、室温に戻した後3時間撹拌し、メンブレンフィルターで濾過を行った。フィルター上の残渣をpH3の塩酸水溶液50mL、イオン交換水50mLで洗浄後、室温で減圧乾燥し、51mgの還元処理サンプルを得た。
<疎水化工程>
50mLのナス型フラスコに上記の還元処理サンプル15mgとテトラヒドロフラン10mLを加え、0℃に冷却し、水素化ナトリウム22mg及びヨウ化メチル27μLを加えた。室温に戻して3時間撹拌後、イオン交換水を10mL滴下し、メンブレンフィルターで濾過を行った。フィルター上の残渣をヘキサン100mL、エタノール100mLで洗浄後、室温で減圧乾燥し、室温で減圧乾燥し、疎水化した窒素含有炭素材料を15mg得た。
<物性評価>
前述の方法にて、吸湿率測定、N/C測定、遷移金属の含有率測定、酸素還元活性測定を実施した。結果を表1に示す。
<耐久性評価>
前述の方法にて、MEAを作製し(I/C=0.73)、耐久性測定を実施した。電流保持率は44%だった。
Example 1
<Reduction treatment process>
The nitrogen-containing carbon material obtained in Comparative Example 1 was used as a nitrogen-containing carbon material as a raw material.
First, 50 mg of a nitrogen-containing carbon material as a raw material and 20 mL of tetrahydrofuran were added to a 50 mL eggplant type flask and cooled to 0 ° C. After 56 mg of sodium borohydride was added little by little there, it returned to room temperature and stirred overnight. Thereafter, while the flask was ice-cooled, several drops of ion exchange water were added dropwise, 30 mL of a hydrochloric acid aqueous solution of pH = 3 was added, the solution was returned to room temperature, stirred for 3 hours, and filtration was performed with a membrane filter. The residue on the filter was washed with 50 mL of pH 3 aqueous hydrochloric acid solution and 50 mL of ion-exchanged water, and then dried under reduced pressure at room temperature to obtain 51 mg of a reduced sample.
Hydrophobing process
15 mg of the above-mentioned reduced sample and 10 mL of tetrahydrofuran were added to a 50 mL eggplant type flask, cooled to 0 ° C., 22 mg of sodium hydride and 27 μL of methyl iodide were added. After returning to room temperature and stirring for 3 hours, 10 mL of ion exchange water was dropped, and filtration was performed with a membrane filter. The residue on the filter was washed with 100 mL of hexane and 100 mL of ethanol, dried at room temperature under reduced pressure, and dried at room temperature under reduced pressure to obtain 15 mg of a hydrophobicized nitrogen-containing carbon material.
<Physical evaluation>
The moisture absorption rate measurement, the N / C measurement, the transition metal content measurement, and the oxygen reduction activity measurement were performed by the above-mentioned method. The results are shown in Table 1.
<Durability evaluation>
An MEA was produced (I / C = 0.73) by the above-mentioned method, and the durability measurement was performed. The current retention rate was 44%.

[比較例2]
<疎水化工程>
比較例1で得られた窒素含有炭素材料を原料の窒素含有炭素材料とした。
まず、50mLのナス型フラスコに原料の窒素含有炭素材料15mgとアセトン20mLを加え、0℃に冷却し、水素化ナトリウム10mg及びヨウ化メチル2.7μLを加えた。室温に戻して3時間撹拌後、イオン交換水を10mL滴下し、メンブレンフィルターで濾過を行った。フィルター上の残渣をイオン交換水50mLで洗浄後、室温で減圧乾燥し、15mgのサンプルを得た。
<物性評価>
前述の方法にて、吸湿率測定、N/C測定、遷移金属の含有率測定、酸素還元活性測定を実施した。結果を表1に示す。
Comparative Example 2
Hydrophobing process
The nitrogen-containing carbon material obtained in Comparative Example 1 was used as a nitrogen-containing carbon material as a raw material.
First, 15 mg of a nitrogen-containing carbon material as raw material and 20 mL of acetone were added to a 50 mL eggplant type flask, cooled to 0 ° C., and 10 mg of sodium hydride and 2.7 μL of methyl iodide were added. After returning to room temperature and stirring for 3 hours, 10 mL of ion exchange water was dropped, and filtration was performed with a membrane filter. The residue on the filter was washed with 50 mL of ion exchanged water and then dried under reduced pressure at room temperature to obtain 15 mg of a sample.
<Physical evaluation>
The moisture absorption rate measurement, the N / C measurement, the transition metal content measurement, and the oxygen reduction activity measurement were performed by the above-mentioned method. The results are shown in Table 1.

[比較例3]
<物性評価>
実施例1の還元処理工程で得られた還元処理サンプルを、前述の方法にて、吸湿率測定、N/C測定、遷移金属の含有率測定、酸素還元活性測定を実施した。結果を表1に示す。
Comparative Example 3
<Physical evaluation>
The reduction treatment sample obtained in the reduction treatment step of Example 1 was subjected to the measurement of moisture absorption, measurement of N / C, measurement of transition metal content, and measurement of oxygen reduction activity by the method described above. The results are shown in Table 1.

[実施例2]
<還元処理工程>
比較例1で得られた窒素含有炭素材料を原料の窒素含有炭素材料とした。
まず、50mLのナス型フラスコに原料となる窒素含有炭素材料50mgとテトラヒドロフラン20mLを加え、0℃に冷却した。そこに、ボラン−テトラヒドロフラン錯体(8.5%テトラヒドロフラン溶液)0.31mLを少しずつ添加した後、室温に戻して4時間撹拌した。その後、フラスコを氷冷しながらイオン交換水50mLを滴下し、メンブレンフィルターで濾過を行った。フィルター上の残渣をイオン交換水300mLで洗浄後、室温で減圧乾燥し、51mgのサンプルを得た。
<疎水化工程>
実施例1の疎水化工程と同様の方法で疎水化を実施した。
<物性評価>
前述の方法にて、吸湿率測定、N/C測定、遷移金属の含有率測定、酸素還元活性測定を実施した。結果を表1に示す。
Example 2
<Reduction treatment process>
The nitrogen-containing carbon material obtained in Comparative Example 1 was used as a nitrogen-containing carbon material as a raw material.
First, 50 mg of a nitrogen-containing carbon material as a raw material and 20 mL of tetrahydrofuran were added to a 50 mL eggplant type flask and cooled to 0 ° C. To this, 0.31 mL of borane-tetrahydrofuran complex (8.5% tetrahydrofuran solution) was added little by little, and then returned to room temperature and stirred for 4 hours. Thereafter, while the flask was ice-cooled, 50 mL of ion exchanged water was dropped, and filtration was performed with a membrane filter. The residue on the filter was washed with 300 mL of ion exchanged water and then dried under reduced pressure at room temperature to obtain 51 mg of a sample.
Hydrophobing process
The hydrophobization was carried out in the same manner as the hydrophobization step of Example 1.
<Physical evaluation>
The moisture absorption rate measurement, the N / C measurement, the transition metal content measurement, and the oxygen reduction activity measurement were performed by the above-mentioned method. The results are shown in Table 1.

[実施例3]
実施例1におけるヨウ化メチルをヨウ化t−ブチルに変えた以外は実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料を合成し、物性評価を実施した。結果を表1に示す。
[Example 3]
A nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1 except that methyl iodide in Example 1 was changed to t-butyl iodide, and the physical properties were evaluated. The results are shown in Table 1.

[実施例4]
実施例1におけるヨウ化メチルをヨウ化n−デシルに変えた以外は実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料を合成し、物性評価を実施した。結果を表1に示す。
Example 4
A nitrogen-containing carbon material was synthesized by the same method as in Example 1 except that methyl iodide in Example 1 was changed to n-decyl iodide, and physical property evaluation was performed. The results are shown in Table 1.

[実施例5]
実施例1におけるヨウ化メチルを1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8−ヘプタデカフルオロ−10−ヨードデカンに変えた以外は実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料を合成し、物性評価を実施した。結果を表1に示す。
また、前述の方法にて、MEAを作製し(I/C=0.53)、耐久性測定を実施した。電流保持率は48%だった。
[Example 5]
Example 1 methyl iodide to 1,1,1,2,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8-heptadecafluoro-10-iododecane A nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1 except for the change, and the physical properties were evaluated. The results are shown in Table 1.
Moreover, MEA was produced by the above-mentioned method (I / C = 0.53), and durability measurement was implemented. The current retention rate was 48%.

本発明の窒素含有炭素材料は、燃料電池用電極として産業上の利用可能性を有する。   The nitrogen-containing carbon material of the present invention has industrial applicability as a fuel cell electrode.

Claims (5)

70℃、相対湿度90%における吸湿率が、20%未満である、窒素含有炭素材料。   Nitrogen-containing carbon material whose moisture absorption rate at 70 ° C. and relative humidity 90% is less than 20%. 表面に疎水性官能基を有する、請求項1に記載の窒素含有炭素材料。   The nitrogen-containing carbon material according to claim 1, having a hydrophobic functional group on the surface. 疎水性官能基が、アルキル基及び/又はフルオロアルキル基である、請求項2に記載の窒素含有炭素材料。   The nitrogen-containing carbon material according to claim 2, wherein the hydrophobic functional group is an alkyl group and / or a fluoroalkyl group. 原料の窒素含有炭素材料を還元処理した後に、疎水性官能基を導入する工程を含む、請求項2又は3に記載の窒素含有炭素材料の製造方法。   The method for producing a nitrogen-containing carbon material according to claim 2 or 3, further comprising the step of introducing a hydrophobic functional group after reduction treatment of the raw material nitrogen-containing carbon material. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒素含有炭素材料を用いた、燃料電池電極。   A fuel cell electrode using the nitrogen-containing carbon material according to any one of claims 1 to 3.
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