JP2021130062A - Carbon catalyst carrying polyazine, and catalyst electrode therewith - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学的プロトン還元反応の過電圧を低減せしめる電極材料として有用な、ポリアジン化合物を担持したカーボン触媒に関するものである。 The present invention relates to a carbon catalyst carrying a polyazine compound, which is useful as an electrode material for reducing the overvoltage of an electrochemical proton reduction reaction.
トリアジン環を繰り返し単位に含む重合体であるポリアジン化合物は、二次元的な共役系に由来する半導体様の電子構造と、触媒活性点として機能するアジン環とを有しており、電極触媒として有用である。
特許文献1では、ポリアジン化合物と導電性カーボンとを組み合わせた本発明のカーボン触媒に類するハイブリッド材料を製造する方法、及び該ハイブリッド材料を電極触媒材料として応用する方法が開示されているが、該ハイブリッド材料が電極触媒として機能するためには金属元素の添加が必要であり、ポリアジン化合物と導電性カーボンのみからなる材料の電極触媒活性に関する記述はない。また、非特許文献1には、ポリアジン環化合物の酸素還元電極触媒としての応用について述べられているが、プロトン還元電極触媒としての応用については触れられていない。
A polyazine compound, which is a polymer containing a triazine ring as a repeating unit, has a semiconductor-like electronic structure derived from a two-dimensional conjugated system and an azine ring that functions as a catalytically active point, and is useful as an electrode catalyst. Is.
本発明の課題は、省資源低環境負荷な非金属元素のみで構成される、高活性なプロトン還元電極触媒を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a highly active proton-reducing electrode catalyst composed of only non-metal elements that are resource-saving and have a low environmental load.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ニトリル化合物と塩基との反応により得られるポリアジン化合物を担持したカーボン触媒が、非金属触媒として良好な電気化学的プロトン還元活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 diligent studies to solve the above problems, the present inventors have found that a carbon catalyst carrying a polyazine compound obtained by a reaction between a nitrile compound and a base has good electrochemical proton reduction activity as a non-metal catalyst. The present invention has been completed.
即ち本発明は、
(i) 一般式(1)
That is, the present invention
(I) General formula (1)
(ii)含窒素芳香族炭化水素基がピリジル基、ビピリジル基、ピリミジル基、ピラジル基、キノリニル基、フェナントロリニル基、シアノピリジル基、ジシアノピリジル基、カルバゾリル基、ジフェニルアミノ基である前記(i)に記載のカーボン触媒。
(iii)Arがシアノピリジル基である前記(i)又は(ii)に記載のカーボン触媒。
(iv)Arが水素原子である前記(i)又は(ii)に記載のカーボン触媒。
(v)ポリアジン化合物の熱分解点が350℃から700℃の範囲にある、前記(i)から(iv)のいずれか1項に記載のカーボン触媒 。
(vi)下記式(I)又は(II)に記載の分子構造を有するポリアジン化合物を担持した、前記(i)又は(ii)に記載のカーボン触媒。
(Ii) The nitrogen-containing aromatic hydrocarbon group is a pyridyl group, a bipyridyl group, a pyrimidyl group, a pyrazil group, a quinolinyl group, a phenanthrolinyl group, a cyanopyridyl group, a dicyanopyridyl group, a carbazolyl group, or a diphenylamino group. The carbon catalyst according to i).
(Iii) The carbon catalyst according to (i) or (ii) above, wherein Ar is a cyanopyridyl group.
(Iv) The carbon catalyst according to (i) or (ii) above, wherein Ar is a hydrogen atom.
(V) The carbon catalyst according to any one of (i) to (iv) above, wherein the pyrolysis point of the polyazine compound is in the range of 350 ° C. to 700 ° C.
(Vi) The carbon catalyst according to (i) or (ii) above, which carries a polyazine compound having a molecular structure according to the following formula (I) or (II).
(viii)ポリアジン化合物の含有量が、カーボンに対して0.01から50重量%の範囲にある前記(i)から(vii)のいずれか1項に記載のカーボン触媒。
(ix)カーボンが、アセチレンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、活性炭、カーボンナノチューブ及び黒鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種類である前記(i)から(viii)のいずれか1項に記載のカーボン触媒。
に関するものである。
(Vii) The carbon catalyst according to any one of (i) to (vii), wherein the content of the polyazine compound is in the range of 0.01 to 50% by weight with respect to carbon.
(Ix) The carbon catalyst according to any one of (i) to (viii) above, wherein the carbon is at least one selected from the group consisting of acetylene black, furnace black, carbon black, activated carbon, carbon nanotubes and graphite. ..
It is about.
また本発明は、
(x)前記(i)から(ix)のいずれか1項に記載のカーボン触媒を含む触媒電極。
(xi)下記の三工程を経ることを特徴とする、前記(x)に記載の触媒電極の製造方法。
工程1:ポリアジン化合物をカーボンに担持し、カーボン触媒を製造する工程。
工程2:カーボン触媒、結着材及び分散媒から成る触媒インクを調製する工程。
工程3:工程2で調製した触媒インクを集電体上に塗布し、加熱硬化する工程。
(xii)前記(x)に記載の触媒電極をプロトン還元極とした水素の製造法。
(xiii)前記(x)に記載の触媒電極を含む燃料電池。
に関するものである。
Further, the present invention
(X) A catalyst electrode containing the carbon catalyst according to any one of (i) to (ix) above.
(Xi) The method for producing a catalyst electrode according to (x), wherein the catalyst electrode is manufactured through the following three steps.
Step 1: A step of supporting a polyazine compound on carbon to produce a carbon catalyst.
Step 2: A step of preparing a catalyst ink composed of a carbon catalyst, a binder and a dispersion medium.
Step 3: A step of applying the catalyst ink prepared in
(Xii) A method for producing hydrogen using the catalyst electrode according to (x) as a proton reducing electrode.
(Xiii) A fuel cell including the catalyst electrode according to (x) above.
It is about.
ポリアジン化合物を担持した本発明のカーボン触媒を、電極を構成する材料とすることで、プロトンの電気化学的還元のエネルギー効率を向上せしめることができる。 By using the carbon catalyst of the present invention carrying a polyazine compound as a material constituting an electrode, the energy efficiency of electrochemical reduction of protons can be improved.
以下に本発明をさらに詳細に説明する。 The present invention will be described in more detail below.
本発明のカーボン触媒に担持されるポリアジン化合物に繰り返し単位として含まれるアリーレン基(1)におけるXは、窒素原子又はC−Hを表し、合成が容易である点でXはC−Hであることが好ましい。アリーレン基(1)としては、具体的には、2,3−ピリジレン基、2,4−ピリジレン基、2,5−ピリジレン基、2,6−ピリジレン基、3,4−ピリジレン基、3,5−ピリジレン基、2,4−ピリミジレン基、2,5−ピリミジレン基、4,5−ピリミジレン基又は4,6−ピリミジレン基を例示することができ、合成が容易な点で2,4−ピリジレン基、2,5−ピリジレン基、2,6−ピリジレン基又は3,5−ピリジレン基が好ましく、触媒活性に優れる点で2,4−ピリジレン基又は2,6−ピリジレン基がさらに好ましい。 X in the arylene group (1) contained as a repeating unit in the polyazine compound supported on the carbon catalyst of the present invention represents a nitrogen atom or CH, and X is CH in that synthesis is easy. Is preferable. Specifically, the arylene group (1) includes a 2,3-pyridylene group, a 2,4-pyridylene group, a 2,5-pyridylene group, a 2,6-pyridylene group, a 3,4-pyridylene group, and 3, A 5-pyridylene group, a 2,4-pyrimidylene group, a 2,5-pyrimidylene group, a 4,5-pyrimidylene group or a 4,6-pyrimidylene group can be exemplified, and 2,4-pyridylene is easy to synthesize. A group, a 2,5-pyridylene group, a 2,6-pyridylene group or a 3,5-pyridylene group is preferable, and a 2,4-pyridylene group or a 2,6-pyridylene group is more preferable in terms of excellent catalytic activity.
本発明のカーボン触媒に担持されるポリアジン化合物に含まれる末端基(3)は、炭素数4から18の単環、連結環、若しくは縮合環の含窒素芳香族炭化水素基を表し、具体的には、ピロリル基、ピリジル基、ターピリジニル基、ビピリジル基、ピリミジル基、ピラジル基、キノリニル基、イソキノリニル基、フェナントロリニル基、インドリニル基、カルバゾリル基、フタラジニル基、ナフチリジニル基、キノキサリニル基、キナゾリニル基、アクリジニル基等を例示することができる。 The terminal group (3) contained in the polyazine compound supported by the carbon catalyst of the present invention represents a nitrogen-containing aromatic hydrocarbon group having a monocyclic ring, a linking ring, or a fused ring having 4 to 18 carbon atoms. Pyrrolyl group, pyridyl group, turpyridinyl group, bipyridyl group, pyrimidyl group, pyrazil group, quinolinyl group, isoquinolinyl group, phenanthrolinyl group, indolinyl group, carbazolyl group, phthalazinyl group, naphthyldinyl group, quinoxalinyl group, quinazolinyl group, An acridinyl group and the like can be exemplified.
該含窒素芳香族炭化水素基は、炭素数1から6のアルキル基で置換されていてもよい。該アルキル基は、直鎖状、分岐状又は環状アルキル基のいずれでもよく、具体的にはメチル基、シクロヘキシルメチル基、エチル基、2−シクロペンチルエチル基、プロピル基、2,2−ジメチルプロピル基、3−シクロプロピルプロピル基、1−メチルエチル基、シクロプロピル基、ブチル基、2−メチルブチル基、3−メチルブチル基、2−ブチル基、3−メチルブタン−2−イル基、tert−ブチル基、シクロブチル基、ペンチル基、2−メチルペンチル基、2−ペンチル基、2−メチルペンタン−2−イル基、3−ペンチル基、シクロペンチル基、2−メチルシクロペンチル基、3−メチルシクロペンチル基、ヘキシル基、2−ヘキシル基、3−ヘキシル基、シクロヘキシル基等を例示することができる。 The nitrogen-containing aromatic hydrocarbon group may be substituted with an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. The alkyl group may be a linear, branched or cyclic alkyl group, and specifically, a methyl group, a cyclohexylmethyl group, an ethyl group, a 2-cyclopentylethyl group, a propyl group or a 2,2-dimethylpropyl group. , 3-Cyclopropylpropyl group, 1-methylethyl group, cyclopropyl group, butyl group, 2-methylbutyl group, 3-methylbutyl group, 2-butyl group, 3-methylbutane-2-yl group, tert-butyl group, Cyclobutyl group, pentyl group, 2-methylpentyl group, 2-pentyl group, 2-methylpentane-2-yl group, 3-pentyl group, cyclopentyl group, 2-methylcyclopentyl group, 3-methylcyclopentyl group, hexyl group, Examples thereof include 2-hexyl group, 3-hexyl group, cyclohexyl group and the like.
末端基(3)としては、高分子量の分子の合成が容易な点で、シアノ基を有する炭素数5から10の含窒素芳香族炭化水素基が好ましく、シアノピリジル基又はジシアノピリジル基がさらに好ましい。 As the terminal group (3), a nitrogen-containing aromatic hydrocarbon group having a cyano group and having 5 to 10 carbon atoms is preferable, and a cyanopyridyl group or a dicyanopyridyl group is more preferable, because it is easy to synthesize a high molecular weight molecule. ..
末端基(3)としては水素原子が好ましい。 A hydrogen atom is preferable as the terminal group (3).
本発明のカーボン触媒に担持されるポリアジン化合物は、熱安定性に優れる点で、200℃から700℃の範囲に熱分解点を有することが好ましく、300℃から700℃の範囲に熱分解点を有することさらに好ましく、300℃から600℃の範囲に熱分解点を有することがことさら好ましい。 The polyazine compound supported on the carbon catalyst of the present invention preferably has a thermal decomposition point in the range of 200 ° C. to 700 ° C., and has a thermal decomposition point in the range of 300 ° C. to 700 ° C. in terms of excellent thermal stability. It is even more preferable to have a thermal decomposition point in the range of 300 ° C. to 600 ° C.
本発明のカーボン触媒に担持されるポリアジン化合物は、以下の式(I)又は(II)に示される構造を有することが好ましい。 The polyazine compound supported on the carbon catalyst of the present invention preferably has a structure represented by the following formula (I) or (II).
本発明のカーボン触媒に担持されるポリアジン化合物は、グリニャール試薬による求核置換反応(例えば、特許文献2に開示されている反応)、クロスカップリング反応(例えば、非特許文献1に開示されている反応)、ニトリル化合物の3量化によるトリアジン環形成反応等により製造することができるが、反応操作が簡便な点でトリアジン環形成反応が好ましい。トリアジン環形成反応として、ニトリル化合物を、塩化亜鉛融液と混合加熱する手法(例えば、非特許文献2に開示されている手法)、強酸と混合加熱する手法(例えば、非特許文献1に開示されている手法)、塩基と混合加熱する手法(例えば、非特許文献3に開示されている手法)などが知られているが、収率が高い点で、ニトリル化合物と塩基とを混合加熱する手法が好ましい。この際、用いるニトリル化合物は当業者の良く知る方法で製造することができる。また、市販品を用いてもよい。 The polyazine compound supported by the carbon catalyst of the present invention is disclosed in a nucleophilic substitution reaction (for example, a reaction disclosed in Patent Document 2) and a cross-coupling reaction (for example, Non-Patent Document 1) using a Grignard reagent. The reaction can be produced by a triazine ring formation reaction by quantifying a nitrile compound or the like, but the triazine ring formation reaction is preferable because the reaction operation is simple. As a triazine ring forming reaction, a method of mixing and heating a nitrile compound with a zinc chloride melt (for example, a method disclosed in Non-Patent Document 2) and a method of mixing and heating with a strong acid (for example, disclosed in Non-Patent Document 1). (Method), a method of mixing and heating with a base (for example, a method disclosed in Non-Patent Document 3), etc., but a method of mixing and heating a nitrile compound and a base in terms of high yield Is preferable. At this time, the nitrile compound used can be produced by a method familiar to those skilled in the art. Moreover, you may use a commercially available product.
ニトリル化合物と塩基とを混合加熱する手法にて用いる塩基は無機塩基又は有機塩基のいずれでもよく、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム等の金属水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸セシウム等の金属炭酸塩、酢酸カリウム、酢酸ナトリウム等の金属酢酸塩、リン酸カリウム、リン酸ナトリウム等の金属リン酸塩、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化セシウム等の金属フッ化物塩、ナトリウムメトキシド、カリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カリウムイソプロピルオキシド、カリウムtert−ブトキシド等の金属アルコキシド、トリリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、トリブチルアミン、N−メチルピロリジン、N−メチルピペリジン、N,N’−ジメチルピペラジン、N−メチルモルホリン、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン、N,N−ジメチルアニリン、N,N−ジエチルアニリン、N,N−ジエチルトルイジン、ピリジン、ピコリン等のアミン、リチウムアミド、ナトリウムアミド、カリウムアミド、リチウムジイソプロピルアミド、ナトリウムジイソプロピルアミド、リチウムビス(トリメチルシリル)アミド、ナトリウムビス(トリメチルシリル)アミド、カリウムビス(トリメチルシリル)アミドなどの金属アミドを挙げることができる。これらのうち、精製が容易である点で無機塩基が好ましく、収率がよい点で金属水酸化物がさらに好ましく、安価である点で水酸化ナトリウムがことさら好ましい。 The base used in the method of mixing and heating the nitrile compound and the base may be either an inorganic base or an organic base, for example, sodium hydroxide, potassium hydroxide, cesium hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, barium hydroxide. Metal hydroxides such as sodium carbonate, potassium carbonate, lithium carbonate, cesium carbonate and other metal carbonates, potassium acetate, sodium acetate and other metal acetates, potassium phosphate, sodium phosphate and other metal phosphates, bases, etc. Metal fluoride salts such as sodium, potassium fluoride, cesium fluoride, metal amides such as sodium methoxydo, potassium methoxydo, sodium ethoxydo, potassium isopropyl oxide, potassium tert-butoxide, trilyethylamine, diisopropylethylamine, tributylamine , N-methylpyrrolidin, N-methylpiperidine, N, N'-dimethylpiperazin, N-methylmorpholin, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane, 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-Undecene, N, N-dimethylaniline, N, N-diethylaniline, N, N-diethyltoluidine, pyridine, amines such as picolin, lithium amide, sodium amide, potassium amide, lithium diisopropyl amide, sodium diisopropyl amide, Examples thereof include metal amides such as lithium bis (trimethylsilyl) amide, sodium bis (trimethylsilyl) amide, and potassium bis (trimethylsilyl) amide. Of these, inorganic bases are preferable in terms of ease of purification, metal hydroxides are more preferable in terms of good yield, and sodium hydroxide is particularly preferable in terms of low cost.
ニトリル化合物と塩基とを混合加熱する手法において、用いる塩基のニトリル化合物に対する当量は0.001〜0.8モル当量の範囲にあることが好ましく、収率が良い点で0.02〜0.20モル当量の範囲にあることがさらに好ましい。
ニトリル化合物と塩基とを混合加熱する手法において、反応収率を向上させる目的でクラウンエーテルを加えてもよい。クラウンエーテルとしては、1,4,7−トリオキサシクロナン、1,4,7,10−テトラオキサシクロドデカン、1,4,7,10,13−ペンタオキサシクロペンタデカン、1,4,7,10,13,16−ヘキサオキサシクロオクタデカン、1,4,7,10,13,16,19,22−オクタオキサシクロテトラコサン等を例示することができ、塩基が金属水酸化物である場合にはその金属イオンのイオン半径に合致したクラウンエーテルを適宜選択して用いればよい。用いるクラウンエーテルは、塩基に対して1〜2当量の範囲にあることが好ましい。
In the method of mixing and heating a nitrile compound and a base, the equivalent of the base used with respect to the nitrile compound is preferably in the range of 0.001 to 0.8 molar equivalents, and 0.02 to 0.20 in terms of good yield. It is more preferably in the range of molar equivalents.
In the method of mixing and heating a nitrile compound and a base, crown ether may be added for the purpose of improving the reaction yield. Crown ethers include 1,4,7-trioxacyclonan, 1,4,7,10-tetraoxacyclododecane, 1,4,7,10,13-pentaoxacyclopentadecane, 1,4,7, Examples thereof include 10,13,16-hexaoxacyclooctadecane, 1,4,7,10,13,16,19,22-octaoxacyclotetracosan, and when the base is a metal hydroxide. May be used by appropriately selecting a crown ether that matches the ionic radius of the metal ion. The crown ether used is preferably in the range of 1-2 equivalents with respect to the base.
ニトリル化合物と塩基とを混合加熱する手法において、加熱温度は収率が良い点で100〜400℃の範囲から適宜選ばれた温度が好ましく、150〜300℃がさらに好ましい。 In the method of mixing and heating a nitrile compound and a base, the heating temperature is preferably a temperature appropriately selected from the range of 100 to 400 ° C., more preferably 150 to 300 ° C., in terms of good yield.
次に、本発明のカーボン触媒、並びに本発明のカーボン触媒を含む触媒電極(以下、本発明の電極と称することがある。)の製造方法について説明する。 Next, a method for producing the carbon catalyst of the present invention and a catalyst electrode containing the carbon catalyst of the present invention (hereinafter, may be referred to as an electrode of the present invention) will be described.
本発明のカーボン触媒および本発明の電極は、以下の三工程を経ることで得られる。
工程1:ポリアジン化合物をカーボンに担持し、カーボン触媒を製造する工程。
工程2:カーボン触媒、結着材及び分散媒から成る触媒インクを調製する工程。
工程3:工程2で調製した触媒インクを集電体上に塗布し、加熱硬化する工程。
The carbon catalyst of the present invention and the electrode of the present invention can be obtained through the following three steps.
Step 1: A step of supporting a polyazine compound on carbon to produce a carbon catalyst.
Step 2: A step of preparing a catalyst ink composed of a carbon catalyst, a binder and a dispersion medium.
Step 3: A step of applying the catalyst ink prepared in
工程1は、ポリアジン化合物及びカーボンを有機溶媒に分散又は溶解した後、有機溶媒を除去することで本発明のカーボン触媒を製造する工程である。
工程1に用いるカーボンは、アセチレンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、活性炭、カーボンナノチューブ又は黒鉛等を例示することができ、2種以上のカーボンを組み合わせて用いることができる。カーボンは、触媒の活性が高い点で、アセチレンブラックであることがさらに好ましい。
工程1に用いるポリアジン化合物は、カーボンに対して材料の導電性が高い点で0.005重量%から99重量%の範囲にあることが好ましく、触媒活性が高い点で0.01重量%から50重量%重量の範囲にあることがさらに好ましい。
Examples of the carbon used in
The polyazine compound used in
工程1に用いる有機溶媒に特に制限は無く、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール等のモノアルコール、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−ブトキシエタノール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、シクロペンチルメチルエーテル(CPME)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジメトキシエタン等のエーテル、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、ニトロベンゼン、テトラリン、アニソール等の芳香族炭化水素、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、1,1,2,2−テトラクロロエタン、ジクロロベンゼン、クロロベンゼン、トリクロロベンゼン、1−クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、4−フルオロエチレンカーボネート等の炭酸エステル、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、γ−ラクトン等のエステル、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチルピロリドン(NMP)等のアミドを例示することができ、これらを任意の比で混合して用いてもよい。ポリアジン化合物の溶解性又は分散性が良い点で、トルエン、クロロホルム、DMF、NMPが好ましく、除去が容易な点でクロロホルム又はDMFがさらに好ましい。有機溶媒の使用量に特に制限は無く、分散液におけるポリアジン化合物の含有量が、好ましくは0.01〜90重量%、さらに好ましくは0.1〜50重量%から適宜選ばれた含有量となる量を用いることができる。
The organic solvent used in
工程1において、触媒の活性を向上させる目的で、添加材を加えてもよい。この添加材は、3族から12族の元素を含む錯体又は塩であって、具体的には、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、白金、金等の錯体又は塩を例示することができる。
In
工程1において、ポリアジン化合物等を有機溶媒に溶解又は分散する方法に制限は無く、例えば、加熱撹拌、振盪、ボールミル、超音波照射等、当業者の良く知る方法を用いることができる。ポリアジン化合物等の分散性が良い点で、加熱撹拌又は超音波照射が好ましい。
In
本発明のカーボン触媒は、溶解又は分散操作の終了後に、ろ過、遠心分離等により有機溶媒を除去することで得られる。得られたカーボン触媒は必要に応じて60℃から450℃の範囲から適宜選ばれた温度にて加熱乾燥してもよく、触媒活性が向上する点で、200〜400℃で加熱処理を行うことが好ましい。 The carbon catalyst of the present invention can be obtained by removing the organic solvent by filtration, centrifugation or the like after the dissolution or dispersion operation is completed. The obtained carbon catalyst may be heat-dried at a temperature appropriately selected from the range of 60 ° C. to 450 ° C., if necessary, and heat-treated at 200 to 400 ° C. in terms of improving the catalytic activity. Is preferable.
工程2は、本発明のカーボン触媒及び結着材を分散媒に分散し、本発明の電極の製造に用いる触媒インク(以下、本発明の触媒インクと称することがある。)を調整する工程であり、例えば、特許文献2に開示されている方法を用いることができる。
工程2で用いる結着材はカーボン触媒と集電体とを結着する機能を有するものであればよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオリドなどの疎水性樹脂、セルロースファイバー、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどの親水性樹脂、アンバーライト(オルガノ社製)、ナフィオン(デュポン社製)、レバチット(ランクセス社製)などの陽イオン交換樹脂を例示することができ、プロトンの伝導性に優れる点で、陽イオン交換樹脂が好ましく、ナフィオンがさらに好ましい。結着材の使用量に特に制限は無く、触媒インクにおける結着材の含有量が、好ましくは0.01〜20重量%、さらに好ましくは0.01〜10重量%から適宜選ばれた含有量となる量を用いることができる。
The binder used in
工程2に用いる分散媒としては、水、有機溶媒、高分子分散媒等を利用することができ、分散性が良い点で有機溶媒が好ましい。有機溶媒としては、具体的には、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール等のモノアルコール、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−ブトキシエタノール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、シクロペンチルメチルエーテル(CPME)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジメトキシエタン等のエーテル、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、ニトロベンゼン、テトラリン、アニソール等の芳香族炭化水素、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、1,1,2,2−テトラクロロエタン、ジクロロベンゼン、クロロベンゼン、トリクロロベンゼン、1−クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、4−フルオロエチレンカーボネート等の炭酸エステル、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、γ−ラクトン等のエステル、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチルピロリドン(NMP)等のアミドを例示することができ、これらを任意の比で混合して用いてもよい。結着材の分散性が良い点で、水、モノアルコールが好ましく、水、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、又はこれらの混合溶媒がさらに好ましく、除去が容易な点でメタノール又はエタノールがことさら好ましい。分散媒の使用量に特に制限は無く、分散液におけるポリアジン化合物の含有量が、好ましくは0.01〜90重量%、さらに好ましくは0.1〜50重量%から適宜選ばれた含有量となる量を用いることができる。
As the dispersion medium used in the
工程2において、本発明のカーボン触媒等を分散媒に分散させる方法としては、工程1にて例示した方法と同様のものを例示することができ、分散性が良い点で超音波照射が好ましい。分散操作後に得られた分散液は、触媒インクとして次工程に供することができる。
In
工程3は、本発明の触媒インクを集電体に塗布した後、加熱硬化し、本発明の電極を得る工程である。
工程3に用いる集電体としては、白金、金、銀、ロジウム、ルテニウム等の貴金属、ステンレス、鉄、アルミ、銅、チタン等の卑金属、ガラス状カーボン、カーボン不織布などのカーボン材料が挙げられる。これらのうち、安価で耐酸性が高い点から、貴金属又はカーボン材料が好ましく、ガラス状カーボンがさらに好ましい。
Examples of the current collector used in
工程3にて、本発明の触媒インクを集電体に塗布する方法としては、湿式法による薄膜作製プロセスにおいて一般的な方法を用いることができる。具体的には、キャストコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、スプレーコーティング法、フローコーティング法、ロールコーティング法、カーテンコーティング法、バーコーティング法、超音波コーティング法、スクリーン印刷法、刷毛塗り、スポンジ塗りなどを例示することができる。安価であり、平滑な膜を作製することができる点で、キャストコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、スプレーコーティング法が好ましく、簡便である点でキャストコーティング法がさらに好ましい。
As a method of applying the catalyst ink of the present invention to the current collector in
工程3における加熱硬化の温度は、本発明の触媒インクの塗膜より分散媒が揮発し、分散質からなる触媒層が形成される温度であればよく、好ましくは40〜400℃、触媒の熱分解を抑制可能な点で好ましくは50〜250℃の範囲から適宜選択した温度で加熱を行うことが好ましい。
The temperature of heat curing in
工程3における加熱硬化の時間は、本発明の触媒インクの塗膜より分散媒が揮発し、分散質からなる触媒層が形成される時間であればよく、好ましくは1分〜5時間、さらに好ましくは5〜30分の範囲から適宜選択した時間で焼成を行うことが好ましい。
The heat curing time in
工程3の終了後、所望の膜厚の触媒膜を得るために工程2および3を繰り返して行ってもよい。
本発明のカーボン触媒は、非金属材料としてはプロトン還元過電圧が小さいため、省資源なプロトン還元触媒電極として利用できる。本発明のカーボン触媒は、省資源で効率よく水を電気分解することができるため、エネルギー変換の分野に応用される可能性がある。
After the completion of
Since the carbon catalyst of the present invention has a small proton reduction overvoltage as a non-metal material, it can be used as a resource-saving proton reduction catalyst electrode. Since the carbon catalyst of the present invention can efficiently electrolyze water with resource saving, it may be applied to the field of energy conversion.
本発明のカーボン触媒を、水素製造装置のための電極触媒として用いる場合、該電極における集電体、導電助剤、結着剤は、用いられる電解液の種類及び電解条件に応じて、該技術分野において公知の材料を用いることができる。また、該電極の作製方法についても、該技術分野において慣行されている方法を用いることができる。 When the carbon catalyst of the present invention is used as an electrode catalyst for a hydrogen production apparatus, the current collector, the conductive auxiliary agent, and the binder in the electrode are selected according to the type of electrolytic solution used and the electrolytic conditions. Materials known in the field can be used. Further, as a method for producing the electrode, a method practiced in the art can be used.
本発明のカーボン触媒を、燃料電池の水素極として用いる場合、該電極における集電体、導電助剤、結着剤は、用いられる電解質の種類及び作動条件に応じて、該技術分野において公知の材料を用いることができる。また、該電極の作製方法についても、該技術分野において慣行されている方法を用いることができる。 When the carbon catalyst of the present invention is used as a hydrogen electrode of a fuel cell, the current collector, the conductive auxiliary agent, and the binder at the electrode are known in the art depending on the type of electrolyte used and the operating conditions. Materials can be used. Further, as a method for producing the electrode, a method practiced in the art can be used.
以下、実施例、比較例及び参考例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定して解釈されるものではない。
[1H−NMR測定]
1H−NMRの測定には、Bruker ASCEND HD(400MHz;BRUKER製)を用いた。1H−NMRは、重クロロホルム(CDCl3)を測定溶媒とし、内部標準物質としてテトラメチルシラン(TMS)を用いて測定した。また、試薬類は市販品を用いた。
[赤外分光測定]
赤外分光スペクトルの測定は、粉末状の化合物を用いて、フーリエ変換型赤外分光測定装置(HORIBA,FT−720)を用いたATR法により行い、600cm−1から4000cm−1の範囲のスペクトルを測定した。
[TG/DTA測定]
熱分解温度の測定は、熱重量分析装置(日立ハイテクノロジーズ,TG/DTA−6200)を用いて、乾燥空気雰囲気下での熱重量分析により行った。粉末状の化合物(約5mg)を用いて、30℃から800℃の温度範囲、及び昇温速度10℃min−1で測定を行った。
[プロトン還元活性評価]
プロトン還元反応の活性評価は、ポテンショスタット(北斗電工,HSV−100)を用いたリニアスイープボルタンメトリーにより行った。作用極には表面に電極触媒層を形成したグラッシーカーボン電極(GC電極)、参照極には内部液を飽和塩化カリウム溶液とした銀−塩化銀電極、対極にはPtワイヤ、電解液には0.5molcm−3の硫酸水溶液を用いた。掃引範囲は0Vから−1.2V(vs.Ag/AgCl)とし、電位掃引速度を50mVsec−1 として測定を行った。
得られた電位とプロトン還元電流のプロットより、−0.2mAcm−2到達電位(Onset,[Vvs.SHE])、−5mAcm−2到達電位(E5mA,[Vvs.SHE])、Tafel slope(TS,[mVdecade−1])を算出した。
参考例−1
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, Comparative Examples and Reference Examples, but the present invention is not construed as being limited thereto.
[ 1 1 H-NMR measurement]
1 Bruker ASCEND HD (400 MHz; manufactured by BRUKER) was used for 1 H-NMR measurement. 1 1 H-NMR was measured using deuterated chloroform (CDCl 3 ) as a measurement solvent and tetramethylsilane (TMS) as an internal standard substance. In addition, commercially available reagents were used.
[Infrared spectroscopy]
Measurement of the infrared spectrum, using a powdery compound, carried out by ATR method using a Fourier transform infrared spectrometer (HORIBA, FT-720), spectrum in the range from 600 cm -1 to 4000 cm -1 Was measured.
[TG / DTA measurement]
The thermal decomposition temperature was measured by thermogravimetric analysis in a dry air atmosphere using a thermogravimetric analyzer (Hitachi High-Technologies Corporation, TG / DTA-6200). Measurements were carried out using a powdery compound (about 5 mg) in a temperature range of 30 ° C. to 800 ° C. and a heating rate of 10 ° C. min- 1.
[Evaluation of proton reduction activity]
The activity of the proton reduction reaction was evaluated by linear sweep voltammetry using a potentiostat (Hokuto Denko, HSV-100). The working electrode is a glassy carbon electrode (GC electrode) with an electrode catalyst layer formed on the surface, the reference electrode is a silver-silver chloride electrode with a saturated potassium chloride solution as the internal solution, the counter electrode is a Pt wire, and the electrolytic solution is 0. A 5 molcm- 3 sulfuric acid solution was used. The sweep range was 0 V to −1.2 V (vs. Ag / AgCl), and the potential sweep rate was 50 mVsec -1 .
From the obtained potential and proton reduction current plots, -0.2 mAcm -2 reach potential (Onset, [Vvs. SHE]), -5 mA cm -2 reach potential (E 5 mA , [V vs. SHE]), Tafel slope ( TS, [mVdecade -1 ]) was calculated.
Reference example-1
1HNMR(CDCl3):δ7.54(t,J=4.9Hz,3H),9.13(dd,J=4.9Hz,0.7Hz,6H).
参考例−2
1 1 HNMR (CDCl3): δ7.54 (t, J = 4.9Hz, 3H), 9.13 (dd, J = 4.9Hz, 0.7Hz, 6H).
Reference example-2
1HNMR(CDCl3):δ7.37(m,3H),7.86(m,3H),8.01 (t,3H),8.25(dd,J=7.7,1.1Hz,3H),8.40(m,3H),8.62 (dd,J=7.7,1.1Hz,3H),8.70(m,3H).
参考例−3
1 1 HNMR (CDCl3): δ7.37 (m, 3H), 7.86 (m, 3H), 8.01 (t, 3H), 8.25 (dd, J = 7.7, 1.1Hz, 3H) ), 8.40 (m, 3H), 8.62 (dd, J = 7.7, 1.1Hz, 3H), 8.70 (m, 3H).
Reference example-3
この生成物を粉砕した後、赤外分光スペクトルを測定したところ(図1)、波数1580cm−1付近にトリアジン環に由来する吸収ピーク[a1]が現れたことから、目的のポリアジン化合物(I)であることを確かめた。
After pulverizing this product, the infrared spectroscopic spectrum was measured (FIG. 1). As a result, an absorption peak [a1] derived from the triazine ring appeared near the wave number of 1580 cm -1, and thus the target polyazine compound (I) was found. I confirmed that.
化合物(I)の熱分解温度は約400℃であった(図3)。
参考例−4
The thermal decomposition temperature of compound (I) was about 400 ° C. (FIG. 3).
Reference example-4
この生成物を粉砕した後、赤外分光スペクトルを測定したところ(図3)、波数1580cm−1付近にトリアジン環に由来する吸収ピーク[a1]が現れたことから、目的のポリアジン化合物(II)であることを確かめた。
After pulverizing this product, the infrared spectroscopic spectrum was measured (Fig. 3). As a result, an absorption peak [a1] derived from the triazine ring appeared near the wave number of 1580 cm -1, and thus the target polyazine compound (II) was obtained. I confirmed that.
化合物(II)の熱分解温度は約600℃であった(図4)。
実施例−1
カーボン触媒の製造
化合物(A−3)(1mg)およびアセチレンブラック(デンカ,Li−100,5mg)をクロロホルム(1mL)に加えた後、超音波分散した。分散質をろ取した後、真空乾燥することで、化合物(A−3)を担持したカーボン触媒を得た(5mg)。
触媒インクの調製
化合物(A−3)を担持したカーボン触媒(5mg)、ナフィオン分散液(50μL)をエタノール(950μL)に懸濁し、超音波分散することで触媒インクを作製した。
カーボン触媒を含む電極の作製
この触媒インク(6μL)をGC極にキャストした後、これを60℃で乾燥することで、GC極上に電極触媒層を形成した。
プロトン還元活性評価
電極触媒層を形成したGC極のリニアスイープボルタンメトリー(図7)より、プロトン還元触媒活性を表1に示した。
実施例−2
実施例−1に記載の方法に則り、化合物(A−3)の代わりに化合物(A−4)を用いてカーボン触媒を製造した。プロトン還元触媒活性を表1および図7に示した。
実施例−3
実施例−1に記載の方法に則り、化合物(A−3)の代わりに化合物(A−28)を用いてカーボン触媒を製造した。プロトン還元触媒活性を表1および図7に示した。
実施例−4
実施例−1に記載の方法に則り、化合物(A−3)の代わりに化合物(I)を用いてカーボン触媒を製造した。赤外分光スペクトルを測定したところ、ポリアジン化合物の担持を確認した(図5)。プロトン還元触媒活性を表1および図8に示した。
実施例−5
実施例−1に記載の方法に則り、化合物(A−3)の代わりに化合物(II)を用いてカーボン触媒を製造した。赤外分光スペクトルを測定したところ、ポリアジン化合物の担持を確認した(図6)。プロトン還元触媒活性を表1および図8に示した。
比較例−1
実施例1に記載の方法に則り、カーボン触媒の代わりにアセチレンブラック(デンカ、Li−100)を用いた。プロトン還元触媒活性を表1および図7に示した。
比較例−2
実施例1に記載の方法に則りカーボン触媒を製造した後、200℃で4時間のアニーリングを行った。プロトン還元触媒活性を表1に示した。
比較例−3
先行例との比較
The thermal decomposition temperature of compound (II) was about 600 ° C. (Fig. 4).
Example-1
Production of carbon catalyst Compound (A-3) (1 mg) and acetylene black (Denka, Li-100, 5 mg) were added to chloroform (1 mL) and then ultrasonically dispersed. The dispersoid was collected by filtration and then vacuum dried to obtain a carbon catalyst carrying compound (A-3) (5 mg).
Preparation of catalyst ink A catalyst ink was prepared by suspending a carbon catalyst (5 mg) carrying a compound (A-3) and a Nafion dispersion (50 μL) in ethanol (950 μL) and ultrasonically dispersing them.
Preparation of Electrode Containing Carbon Catalyst This catalyst ink (6 μL) was cast on a GC electrode and then dried at 60 ° C. to form an electrode catalyst layer on the GC electrode.
Evaluation of Proton Reduction Activity The proton reduction catalytic activity is shown in Table 1 from the linear sweep voltammetry (FIG. 7) of the GC pole on which the electrode catalyst layer was formed.
Example-2
A carbon catalyst was produced using compound (A-4) instead of compound (A-3) according to the method described in Example-1. The proton reduction catalytic activity is shown in Table 1 and FIG.
Example-3
A carbon catalyst was produced using compound (A-28) instead of compound (A-3) according to the method described in Example-1. The proton reduction catalytic activity is shown in Table 1 and FIG.
Example-4
A carbon catalyst was produced using compound (I) instead of compound (A-3) according to the method described in Example-1. When the infrared spectroscopic spectrum was measured, the support of the polyazine compound was confirmed (Fig. 5). The proton reduction catalytic activity is shown in Table 1 and FIG.
Example-5
A carbon catalyst was produced using compound (II) instead of compound (A-3) according to the method described in Example-1. When the infrared spectroscopic spectrum was measured, it was confirmed that the polyazine compound was supported (Fig. 6). The proton reduction catalytic activity is shown in Table 1 and FIG.
Comparative Example-1
According to the method described in Example 1, acetylene black (Denka, Li-100) was used instead of the carbon catalyst. The proton reduction catalytic activity is shown in Table 1 and FIG.
Comparative Example-2
After producing the carbon catalyst according to the method described in Example 1, annealing was performed at 200 ° C. for 4 hours. The proton reduction catalytic activity is shown in Table 1.
Comparative Example-3
Comparison with precedents
実施例1に記載の方法に則り、化合物(A−3)の代わりに化合物(C)を用いてカーボン触媒を製造した。プロトン還元触媒活性を表1および図8に示した。
A carbon catalyst was produced using compound (C) instead of compound (A-3) according to the method described in Example 1. The proton reduction catalytic activity is shown in Table 1 and FIG.
実施例1と比較例2より、化合物(A−3)を担持したカーボン触媒について、加熱処理の有無を比較した。カーボン触媒の加熱処理によって、Onsetが上昇した。加熱処理によって、プロトン還元活性が向上することがわかった。高温長時間でのアニーリングの効果により、カーボン担体とポリアジン化合物間の界面抵抗が減少したことに因ると考えられる。
実施例5と比較例3より、非特許文献1で報告されたポリアジン化合物(C)を担持したカーボン触媒と、本発明のカーボン触媒とを比較した。ポリアジン化合物(II)を担持したカーボン触媒の方が、Onset、E5mAともに高いことから、本発明のカーボン触媒を担持した電極は、既知の含トリアジンポリマー材料よりも良好なプロトン還元触媒活性を有することがわかった。
From Example 1 and Comparative Example 2, the presence or absence of heat treatment was compared with respect to the carbon catalyst carrying the compound (A-3). Heat treatment of the carbon catalyst increased Onset. It was found that the heat treatment improved the proton reduction activity. It is considered that the interfacial resistance between the carbon carrier and the polyazine compound was reduced due to the effect of annealing at high temperature for a long time.
From Example 5 and Comparative Example 3, the carbon catalyst carrying the polyazine compound (C) reported in
Claims (13)
工程1:ポリアジン化合物をカーボンに担持し、カーボン触媒を製造する工程。
工程2:カーボン触媒、結着材及び分散媒から成る触媒インクを調製する工程。
工程3:工程2で調製した触媒インクを集電体上に塗布し、加熱硬化する工程。 The method for manufacturing a catalyst electrode according to claim 10, wherein the catalyst electrode is manufactured through the following three steps.
Step 1: A step of supporting a polyazine compound on carbon to produce a carbon catalyst.
Step 2: A step of preparing a catalyst ink composed of a carbon catalyst, a binder and a dispersion medium.
Step 3: A step of applying the catalyst ink prepared in Step 2 onto the current collector and heating and curing the ink.
A fuel cell comprising the catalyst electrode according to claim 10.
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