JP2021161010A - ベーサル窒素を選択的に導入した含窒素炭素材料およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御された含窒素炭素材料を提供する。また、そのような含窒素炭素材料を、温和な条件で簡便に製造する方法を提供する。【解決手段】本発明の実施形態による含窒素炭素材料は、窒素原子を有する含窒素炭素材料であって、Ｎ１ｓＸＰＳ分析において、該含窒素炭素材料中の全窒素原子のピークに対する、ベーサル窒素原子のピークの割合が、８０％以上である。本発明の実施形態による含窒素炭素材料の製造方法は、含窒素炭素材料を製造する方法であって、２つ以上の隣接した環構造が共有する原子の少なくとも１つが窒素原子である縮環化合物（Ａ）を加熱する加熱工程（Ｉ）を含む。【選択図】図１
Description
本発明は、ベーサル窒素を選択的に導入した含窒素炭素材料およびその製造方法に関する。
近年、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラファイト、グラフェン、酸化グラフェン、還元型酸化グラフェン、人造黒鉛、カーボンブラックなどの炭素材料は、それぞれ、その特徴的な物性に起因して、各種分野における新規な機能性材料として期待されている（例えば、非特許文献１〜３）。
グラフェンは２次元シート状の炭素材料であり、ｓｐ２炭素による六員環で敷き詰められた構造をしている。グラファイトは、通常、２次元シート状のグラフェン同士がファンデルワールス力で結合した多数の積層構造をしているものを指すが、１層のものをグラフェンと称する。２層−１０層のグラフェンが積層した材料を多層グラフェンと呼び，２層−５層のグラフェンが積層した材料は数層グラフェンと呼ぶ。１層のグラフェンではベーサル面に官能基を導入することでグラフェン自体の特性や形状が大きく変化する。３層以上となると、グラフェンのベーサル面に官能基を導入しても中心部のグラフェンは直接影響を受けにくくなる。そのため，３層以上のグラフェンは基本的には層数が増加し、比表面積が減少する以外には際立った性質の違いは現れにくくなる。
グラフェンの存在は古くから知られていたが、グラファイトから１枚のグラフェンを取り出す方法は最近まで確立されていなかった。２００４年になって、高配向性の無水グラファイトの表面を粘着テープで剥離し、剥離したものを基板の上に貼り付ける方法によってグラフェンの薄片を取り出せることが見出され、その後、大量生産や低コスト生産を目指して、ＣＶＤ（化学気相蒸着製膜法）などの気相製膜法によるグラフェンの製造方法や、酸化グラフェン（ＧＯ）の還元法によるグラフェン（還元型酸化グラフェン：ＲＧＯ）の製造方法が検討されている。
しかし、ＣＶＤ（化学気相蒸着製膜法）などの気相製膜法によるグラフェンの製造方法は、膜以外の形状（代表的には、バルク状）として得ることができないという問題、可燃性ガスを使用しなければならないという問題、Ｃｕ等の触媒性能を有する金属基板上に製膜させるため、金属が不純物として含有してしまうという問題、金属表面のみの製造であって大量製造できないという問題がある。
また、同一分子間および／または異種分子間で縮合反応が起きる化合物を加熱して炭素材料を製造する方法が開示されている（特許文献１）。この技術では温和な条件で炭素材料が合成できることが示されている。
工業的に製造されている炭素材料は、様々な官能基を有している。このため、炭素材料の構造を精密に制御することが難しく、物性にばらつきが生じてしまうという問題がある。近年、狙った物性を確実に発現できる炭素材料が求められており、このため、構造が精密に制御された炭素材料の開発が求められている。
このような構造が精密に制御された炭素材料の中でも、ベーサル面に炭素以外の原子が導入されて構造が精密に制御された炭素材料を得ることができれば、各種用途への応用が期待される。特に、ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御された含窒素炭素材料は、応用範囲が広い可能性がある。
近年、ベーサル窒素が導入されたグラフェン（非特許文献７−９）やグラフェン類似の有機化合物（非特許文献１０−１１）、窒素イオン処理した黒鉛（非特許文献１２）、カーボンブラックをＨｕｍｍｅｒｓ法等により処理した材料（非特許文献１３）など、種々の炭素材料が報告されている。現時点で最も制御状態が高い炭素材料と考えられる材料として、金属基板を用いたグラフェンについては８０％（非特許文献７）や７０％程度（非特許文献８−９）の報告がある。しかし、金属が不純物として含有してしまうという問題や、金属表面のみの製造であるために大量製造できないという問題がある。その他にも、黒鉛に窒素イオンを照射した材料（ベーサル窒素が４３％）（非特許文献１２）やカーボンブラックをＨｕｍｍｅｒｓ法等により処理した材料（ベーサル窒素が７１％）（非特許文献１３）が報告され、また、電気化学的に窒素ドープしたグラフェンとして、グラフィティック窒素が４７％の窒素ドープグラフェンが報告されている（非特許文献１４）。グラフェンに類似したベーサル窒素を高い制御率で導入した材料（非特許文献１１）も報告されているが、高分子に近い構造であり、導電性が期待できない。また、カーボンブラックをＨｕｍｍｅｒｓ法等により処理した材料であってグラフィティック窒素が７１％の材料が報告されているが、そのＮ１ｓの半値幅は広く、グラフィティック窒素に含めてアサインメントしているベーサルアミンの割合は不明である（非特許文献１３）。
Ｎａｔｕｒｅ，３５４，ｐ．５６−５８（１９９１）
Ｓｃｉｅｎｃｅ，３０６，ｐ．６６６−６６９（２００４）
Ｈ．Ｎｉｓｈｉｈａｒａ ｅｔ．ａｌ．， Ａｄｖ．Ｆｕｎｃｔ．Ｍａｔｅｒ．， ２６， ６４１８−６４２７（２０１６）
齋藤理一郎著， 「グラフェンの最先端技術と広がる応用」， 第２章．グラフェンの基礎物性， ３．グラフェンの光電子物性
Ｄａｗｅｉ Ｐａｎ ｅｔ．ａｌ．， Ｌａｎｇｍｕｉｒ， ２２， ５８７２−５８７６（２００６）
Ｖ．Ｒｕｉｚ ｅｔ．ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｃｏｍｍｕｎ．，２４，３５−３８（２０１２）
Ｓ． Ｙａｓｕｄａ ｅｔ．ａｌ．，Ｃｈｅｍ． Ｃｏｍｍｕｎ．，４９，９６２７−９６２９（２０１３）
Ｂ． Ｌｉｕ ｅｔ．ａｌ．，Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，７，３０２（２０１７）
Ａ．Ｃａｐａｓｓｏ ｅｔ．ａｌ．，Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．，６，２０２８−２０３８（２０１５）
Ｍ． Ｔａｋａｓｅ ｅｔ．ａｌ．，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．，Ｉｎｔ．Ｅｄ．，４６，５５２４（２００７）
Ｍ．Ｂｉｅｒｉ ｅｔ．ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，４７，１０２３９−１０２４１（２０１１）
Ｈ．Ｋｉｕｃｈｉ ｅｔ．ａｌ．，Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｒｅｓ．Ｌｅｔｔ．，１１，１２７（２０１６）
Ｊ．Ｌｉｕ ｅｔ．ａｌ．，Ｃａｒｂｏｎ，３７，１１１９−１１２６（２０１６）
Ｙ．Ｚ．Ｋｅｔｅｋｌａｈｉｊａｎｉ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１６６，Ｂ１４１５−Ｂ１４２５（２０１９）
本発明の課題は、ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御された含窒素炭素材料を提供することにある。また、そのような含窒素炭素材料を、温和な条件で簡便に製造する方法を提供することにある。
本発明の実施形態による含窒素炭素材料は、
窒素原子を有する含窒素炭素材料であって、
Ｎ１ｓＸＰＳ分析において、該含窒素炭素材料中の全窒素原子のピークに対する、ベーサル窒素原子のピークの割合が、８０％以上である。
窒素原子を有する含窒素炭素材料であって、
Ｎ１ｓＸＰＳ分析において、該含窒素炭素材料中の全窒素原子のピークに対する、ベーサル窒素原子のピークの割合が、８０％以上である。
本発明の実施形態による含窒素炭素材料の製造方法は、
含窒素炭素材料を製造する方法であって、
２つ以上の隣接した環構造が共有する原子の少なくとも１つが窒素原子である縮環化合物（Ａ）を加熱する加熱工程（Ｉ）を含む。
含窒素炭素材料を製造する方法であって、
２つ以上の隣接した環構造が共有する原子の少なくとも１つが窒素原子である縮環化合物（Ａ）を加熱する加熱工程（Ｉ）を含む。
一つの実施形態においては、上記加熱温度が３００℃〜１０００℃である。
一つの実施形態においては、上記縮環化合物（Ａ）が、化合物（１）〜（１０）からなる群から選ばれる少なくとも１種である。
本発明によれば、ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御された含窒素炭素材料を提供することができる。また、そのような含窒素炭素材料を、温和な条件で簡便に製造する方法を提供することができる。
≪≪１．含窒素炭素材料≫≫
本発明の実施形態による含窒素炭素材料は、ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御された含窒素炭素材料である。
本発明の実施形態による含窒素炭素材料は、ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御された含窒素炭素材料である。
本発明の実施形態による含窒素炭素材料は、従来公知の炭素材料とは異なる新規な炭素材料である。従来公知の炭素材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラファイト膜、グラフェン、酸化グラフェン、還元型酸化フラフェン、人造黒鉛、カーボンブラックなどが挙げられる。
本発明の実施形態による含窒素炭素材料は、Ｎ１ｓＸＰＳ分析において、該含窒素炭素材料中の全窒素原子（ベーサル面に存在するベーサル窒素原子とエッジ面に存在するピリジニック窒素原子の合計）のピークに対する、ベーサル窒素原子のピークの割合が、８０％以上であり、好ましくは９０％以上であり、より好ましくは９５％以上であり、さらに好ましくは９７％以上である。含窒素炭素材料において、Ｎ１ｓＸＰＳ分析による、全窒素原子のピークに対する、ベーサル窒素原子のピークの割合が、上記範囲内にあれば、ベーサル面の窒素原子が含窒素炭素材料中に構造が精密に制御されて存在しており、様々な物性をもつ新規な炭素材料となり得るとともに、各種用途へ広く応用できる可能性がある。
本発明の実施形態による含窒素炭素材料は、上述の通り、Ｎ１ｓＸＰＳ分析により、ベーサル窒素原子を高い割合で有することがわかる。
本発明の実施形態による含窒素炭素材料は、好ましくは、その構造内にベンゼン環由来のハニカム構造（グラフェン構造）を有する。グラフェン構造は、ラマン分光分析によってその有無の確認ができる（非特許文献４）。
含窒素炭素材料は、不純物となる金属成分の含有量が合計で、通常、炭素原子１００原子％に対し、好ましくは０．１原子％以下であり、より好ましくは０．０１原子％以下であり、特に好ましくは実質的にゼロである。これらは、含窒素炭素材料を蛍光Ｘ線元素分析法（ＸＲＦ）により分析することによって確認することができる。
含窒素炭素材料は、その構成する元素として、炭素と窒素を必須とし、炭素と窒素以外の元素を含んでいてもよい。このような炭素と窒素以外の元素としては、好ましくは、酸素、水素、硫黄、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、より好ましくは、酸素、水素、硫黄から選ばれる少なくとも１種の元素であり、さらに好ましくは、酸素、水素から選ばれる少なくとも１種の元素である。含窒素炭素材料を構成する元素のうち水素以外の元素の総量を１００原子％としたとき、炭素は、好ましくは６０原子％以上であり、より好ましくは７０原子％以上であり、さらに好ましくは７５原子％以上である。また、炭素および水素以外の元素は、好ましくは１０原子％以下である。各元素の割合がこの範囲に入ることで、含窒素炭素材料でありながら高い構造制御率を発現することが可能となる。これらは、含窒素炭素材料をＸ線光電子分光法（Ｃ１ｓＸＰＳ）により定量することによって確認することができる。
含窒素炭素材料は、好ましくは、ラマン分光分析により、下記の（ｉ）〜（ｉｖ）からなる群から選ばれる少なくとも１種の態様を有する。
含窒素炭素材料は、好ましくは、（ｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＧバンド（一般的に１５５０ｃｍ−１〜１６５０ｃｍ−１の範囲内）にピークを示す。したがって、含窒素炭素材料が、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＧバンド（一般的に１５５０ｃｍ−１〜１６５０ｃｍ−１の範囲内）にピークを有することは、含窒素炭素材料がグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有していることを意味している。Ｇバンドは、強度が高く、シャープであれば、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。
含窒素炭素材料は、好ましくは、（ｉｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＤバンド（一般的に１３００ｃｍ−１〜１４００ｃｍ−１の範囲内）にピークを示す。グラフェン構造の欠陥に由来する構造を有する含窒素炭素材料は、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいて、Ｄバンド（一般的に１３００ｃｍ−１〜１４００ｃｍ−１の範囲内）にピークを示す。したがって、含窒素炭素材料が、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおけるＤバンド（一般的に１３００ｃｍ−１〜１４００ｃｍ−１の範囲内）にピークを有することは、含窒素炭素材料が官能基を含むことや、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していることを意味している。Ｄバンドは、強度が低ければ、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。また、Ｄバンドが確認できるということは、含窒素炭素材料が官能基を有することを意味しており、構造が制御されていることが示唆される。
含窒素炭素材料は、好ましくは、（ｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＧバンド（一般的に１５５０ｃｍ−１〜１６５０ｃｍ−１の範囲内）にピークを示し、さらに、（ｉｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＤバンド（一般的に１３００ｃｍ−１〜１４００ｃｍ−１の範囲内）にピークを示す。
含窒素炭素材料は、好ましくは、（ｉｉｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＧ′バンド（一般的に２６５０ｃｍ−１〜２７５０ｃｍ−１の範囲内）にピークを示す。したがって、含窒素炭素材料が、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＧ′バンド（一般的に２６５０ｃｍ−１〜２７５０ｃｍ−１の範囲内）にピークを有することは、含窒素炭素材料がグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有していることを意味している。Ｇ′バンドの強度は、グラフェン構造が１層のときに最も強く、グラフェン構造の積層数が増えるにつれて徐々に小さくなる。しかしながら、Ｇ′バンドは、グラフェン構造の積層数が増えるにつれて徐々に強度が小さくなっても、ピークは観察することができる。したがって、Ｇ′バンドにピークを有することは、含窒素炭素材料がグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。Ｇ′バンドは、２Ｄバンドとも呼ばれることがある。
含窒素炭素材料は、好ましくは、（ｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＧバンド（一般的に１５５０ｃｍ−１〜１６５０ｃｍ−１の範囲内）にピークを示し、さらに、（ｉｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＤバンド（一般的に１３００ｃｍ−１〜１４００ｃｍ−１の範囲内）にピークを示し、さらに、（ｉｉｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＧ′バンド（一般的に２６５０ｃｍ−１〜２７５０ｃｍ−１の範囲内）にピークを示す。
含窒素炭素材料は、好ましくは、（ｉｖ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＤ＋Ｄ′バンド（一般的に２８００ｃｍ−１〜３０００ｃｍ−１の範囲内）にピークを示す。グラフェン構造の欠陥に由来する構造を有する含窒素炭素材料は、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいて、Ｄ＋Ｄ′バンド（一般的に２８００ｃｍ−１〜３０００ｃｍ−１の範囲内）にピークを示す。したがって、含窒素炭素材料が、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＤ＋Ｄ′バンド（一般的に２８００ｃｍ−１〜３０００ｃｍ−１の範囲内）にピークを有することは、含窒素炭素材料が官能基を含むことや、グラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していることを意味している。Ｄ＋Ｄ′バンドは、強度が低ければ、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。Ｄ＋Ｄ′バンドは、Ｄ＋Ｇバンドとも呼ばれることがある。また、Ｄ＋Ｄ′バンドが確認できるということもまた、含窒素炭素材料が官能基を有することを意味しており、構造が制御されていることが示唆される。
含窒素炭素材料は、好ましくは、（ｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＧバンド（一般的に１５５０ｃｍ−１〜１６５０ｃｍ−１の範囲内）にピークを示し、さらに、（ｉｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＤバンド（一般的に１３００ｃｍ−１〜１４００ｃｍ−１の範囲内）にピークを示し、さらに、（ｉｉｉ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＧ′バンド（一般的に２６５０ｃｍ−１〜２７５０ｃｍ−１の範囲内）にピークを示し、さらに、（ｉｖ）ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてＤ＋Ｄ′バンド（一般的に２８００ｃｍ−１〜３０００ｃｍ−１の範囲内）にピークを示す。
含窒素炭素材料は、元素分析によれば、窒素原子の含有割合が、好ましくは０．５ａｔｏｍ％〜１０ａｔｏｍ％であり、より好ましくは０．７ａｔｏｍ％〜８ａｔｏｍ％であり、さらに好ましくは１ａｔｏｍ％〜７ａｔｏｍ％であり、特に好ましくは１．５ａｔｏｍ％〜５ａｔｏｍ％である。
含窒素炭素材料は、元素分析によれば、水素原子の含有割合が、好ましくは０ａｔｏｍ％〜４０ａｔｏｍ％であり、より好ましく０ａｔｏｍ％〜３５ａｔｏｍ％であり、さらに好ましくは０ａｔｏｍ％〜３０ａｔｏｍ％であり、特に好ましくは０ａｔｏｍ％〜２７ａｔｏｍ％である。含窒素炭素材料中の水素原子の含有割合が少ないほど炭素化が進行しているということを意味し、好ましい。
含窒素炭素材料の元素分析における炭素原子と窒素原子と水素原子の含有割合が上記範囲内にあれば、該含窒素炭素材料の構造が精密に制御され得る。元素分析は、例えば、市販の元素分析装置を用いて行い、得られた結果に基づき、求めることができる。このような分析装置としては、例えば、Ｅｘｅｔｅｒ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ， Ｉｎｃ．社製の元素分析装置（ＣＥ−４４０Ｆ）などを採用し得る。
含窒素炭素材料は、ＩＲ分析において、好ましくは、１６６０ｃｍ−１〜１８００ｃｍ−１の間にＣ＝Ｏ伸縮振動に起因するピークが見られない。含窒素炭素材料のＩＲ分析において１６６０ｃｍ−１〜１８００ｃｍ−１の間にＣ＝Ｏ伸縮振動に起因するピークが見られない場合、含窒素炭素材料は、副反応を抑制されたものであり得る。含窒素炭素材料のＩＲ分析において１６６０ｃｍ−１〜１８００ｃｍ−１の間にＣ＝Ｏ伸縮振動に起因するピークが見られないことは、分解反応等の副反応に由来するＣ＝Ｏ結合の比率が少ないことを意味し、該分解反応が抑制されて得られた含窒素炭素材料と言える。
≪≪２．含窒素炭素材料の製造方法≫≫
本発明の実施形態による含窒素炭素材料の製造方法は、２つ以上の隣接した環構造が共有する原子の少なくとも１つが窒素原子である縮環化合物（Ａ）を加熱する加熱工程（Ｉ）を含む。
本発明の実施形態による含窒素炭素材料の製造方法は、２つ以上の隣接した環構造が共有する原子の少なくとも１つが窒素原子である縮環化合物（Ａ）を加熱する加熱工程（Ｉ）を含む。
本発明の説明で用いる「縮環化合物」とは、化学分野において当業者に通常用いられている縮環化合物のことであり、二つまたはそれ以上の環を持つ環式化合物において各々の環が２個またはそれ以上の原子を共有する化合物である。なお、「縮環化合物」は、「縮合環化合物」と称することもある。
縮環化合物（Ａ）は、１種のみであってもよいし、２種以上であってもよい。
縮環化合物（Ａ）としては、２つ以上の隣接した環構造が共有する原子の少なくとも１つが窒素原子である縮環化合物であれば、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な縮環化合物を採用し得る。このような縮環化合物としては、例えば、非芳香族構造を有する縮環非芳香族化合物、全体として芳香族性を有する縮環芳香族化合物が挙げられる。
縮環化合物（Ａ）は、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な置換基を、任意の適切な位置に有していてもよい。このような置換基としては、例えば、アルキル基；アリール基；トシラート、トリフラート、ハロゲン基等の脱離能を有する置換基；などが挙げられる。加熱後の含窒素炭素材料中に不純物となりうる置換基が存在しないほうが物性等に悪影響がないため、水素基（すなわち置換基を有さない）もしくは脱離能を有する置換基が好ましい。
縮環化合物（Ａ）としては、例えば、下記のような化合物（１）〜（１０）が挙げられる。しかしながら、化合物（１）〜（１０）に該当しない縮環化合物も、本発明の効果を損なわない範囲で、縮環化合物（Ａ）として採用し得る。
本発明の実施形態による含窒素炭素材料の製造方法は、縮環化合物（Ａ）を加熱する加熱工程（Ｉ）を含む。加熱工程（Ｉ）における「加熱」は、「焼成」と称されるものであってもよい。
加熱工程（Ｉ）においては、縮環化合物（Ａ）が加熱されればよい。すなわち、加熱工程（Ｉ）において縮環化合物（Ａ）が加熱されればよいのであるから、加熱工程（Ｉ）は、「縮環化合物（Ａ）を含む組成物」が加熱される態様であってもよい。
加熱工程（Ｉ）が、「縮環化合物（Ａ）を含む組成物」が加熱される態様である場合、「縮環化合物（Ａ）を含む組成物」中の縮環化合物（Ａ）の含有割合は、本発明の効果をより発現させ得る点で、好ましくは５０重量％〜１００重量％であり、より好ましくは８０重量％〜１００重量％であり、さらに好ましくは９０重量％〜１００重量％であり、特に好ましくは９５重量％〜１００重量％であり、最も好ましくは実質的に１００重量％である。ここにいう「実質的に、」とは、縮環化合物（Ａ）に起因する効果以外の効果を発現させるための別の成分が、縮環化合物（Ａ）と積極的に併用されたりする形態を除くことを意味し、例えば、本発明の効果を損なわない範囲で、製造過程などによって不可避に混入する不純物等の含有は許容される。
加熱工程（Ｉ）における加熱温度は、好ましくは３００℃〜１０００℃であり、より好ましくは３５０℃〜９００℃であり、さらに好ましくは４００℃〜８００℃であり、特に好ましくは５００℃〜７００℃である。加熱工程（Ｉ）における加熱温度を上記範囲内に制御することにより、ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御された含窒素炭素材料を、温和な条件で簡便に製造することができる。
加熱工程（Ｉ）における加熱時間は、好ましくは１分〜１２０時間であり、より好ましくは１０分〜９６時間であり、さらに好ましくは３０分〜７２時間であり、特に好ましくは１時間〜２４時間である。加熱工程（Ｉ）における加熱時間を上記範囲内に制御することにより、ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御された含窒素炭素材料を、温和な条件で簡便に製造することができる。
加熱工程（Ｉ）における加熱の方法としては、管状炉、ボックス炉のような焼成炉、熱媒を利用した加熱反応装置、マイクロ波を利用した加熱反応装置などが使用できる。
加熱工程（Ｉ）における加熱の圧力条件としては、真空下、常圧下、加圧下などで行うことができる。
加熱工程（Ｉ）における加熱の雰囲気条件としては、大気下、不活性ガス雰囲気下などで行うことができる。不活性ガス雰囲気下としては、例えば、窒素下、アルゴン下などが挙げられる。
加熱工程（Ｉ）においては、好ましくは、縮環化合物（Ａ）をバルク状態で加熱する。縮環化合物（Ａ）をバルク状態で加熱するとは、例えば、（ｉ）縮環化合物（Ａ）からなる粒子（例えば、粉体）を加熱する、（ｉｉ）縮環化合物（Ａ）からなる粒子（例えば、粉体）を圧縮成形等でペレット状やフィルム状に成形を行った後、その成形体を加熱する、等の行為を包含する。
加熱工程（Ｉ）において縮環化合物（Ａ）を加熱する際、例えば、容器に入れて加熱してもよい。容器としては、任意の適切な容器を採用し得る。このような容器としては、例えば、加熱工程（Ｉ）における加熱温度で実質的に変質しない材質からなるものが好ましい。また、縮環化合物（Ａ）が接触する表面が、加熱する際に、縮環化合物（Ａ）と化学反応しないような材質であることが好ましい。縮環化合物（Ａ）を好ましい条件で加熱する加熱工程（Ｉ）ことにより、含窒素炭素材料を得ることが可能となり、その加熱工程（Ｉ）において、縮環化合物（Ａ）の融点付近で該縮環化合物（Ａ）が融解して液体状になることがある。このような経過を経る場合も「縮環化合物（Ａ）をバルク状態で焼成する」ことに含まれる。一方、本発明の意味する「バルク状態で焼成する」ものではない例としては、例えば、縮環化合物（Ａ）を溶剤に溶解して任意の基材状に塗布して膜状にして該基材とともに加熱することにより薄膜を形成する方法、化学気相成長法（ＣＶＤ）法、物理気相成長法（ＰＶＤ）、薄膜蒸着加熱法、などが挙げられる。薄膜としては、おおむね膜厚が１μｍ以下の範囲を意味する。
加熱工程（Ｉ）においては、好ましくは、縮環化合物（Ａ）を、金属と接触させない状態で加熱する。縮環化合物（Ａ）を、金属と接触させない状態で加熱することにより、得られる含窒素炭素材料中に金属が不純物として含有してしまうことを抑制し得る。ただし、上記のように金属と接触させないというのは積極的に金属に接触させないという意味である。積極的に接触させるというのは、例えば、縮環化合物（Ａ）を溶剤に溶解して金属に塗布して膜状にして該金属とともに加熱することにより薄膜を形成する方法など、金属との接触面積を積極的に増やす等の操作を意味する。
加熱工程（Ｉ）においては、好ましくは、縮環化合物（Ａ）を、触媒反応を用いずに加熱する。縮環化合物（Ａ）を、触媒反応を用いずに加熱することにより、反応触媒が含窒素炭素材料中に存在してしまって、致命的な不純物となることを抑制し得る。
縮環化合物（Ａ）が加熱工程（Ｉ）において加熱されることにより、縮環化合物（Ａ）の縮合反応が起き、含窒素炭素材料となる。縮環化合物（Ａ）が１種の場合は、同一種の分子間での縮合反応となり得る。縮環化合物（Ａ）が２種以上の場合は、同一種の分子間での縮合反応と異種の分子間での縮合反応とが併存し得る。
縮環化合物（Ａ）の縮合反応により、および、場合によって該縮合反応に続いたり併行して起こったりする他の反応により、２つ以上の縮環化合物（Ａ）の間に新たな結合（例えば、Ｃ−Ｃ結合など）が形成したり、高分子量化が進行したり、２つ以上の環構造同士の間での縮環反応が起こったりし得る。
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「質量部」を、「％」は「質量％」を意味する。また、本明細書において、「質量」は「重量」と読み替えても良い。ただし、本明細書中のＮ１ｓＸＰＳに係る部分の％は原子％を意味する。
実施例で用いる化合物とその略称は下記の通りである。
インドリジノ［６，５，４，３−ＩＪＡ］キノリン：ＩＮＤ
インドリジノ［６，５，４，３−ＩＪＡ］キノリン：ＩＮＤ
＜元素分析＞
Ｅｘｅｔｅｒ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ， Ｉｎｃ．社製の元素分析装置（ＣＥ−４４０Ｆ）によりＣ、Ｈ、Ｏの元素分析を行い、得られた結果に基づき、原子数比を求めた。
Ｅｘｅｔｅｒ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ， Ｉｎｃ．社製の元素分析装置（ＣＥ−４４０Ｆ）によりＣ、Ｈ、Ｏの元素分析を行い、得られた結果に基づき、原子数比を求めた。
＜Ｎ１ｓＸＰＳ分析＞
Ｎ１ｓＸＰＳ測定は、日本電子のＪＰＳ９０３０を用いて、以下の条件により行った。
ソース：ＭｇＫα
エミッション：１０ｍＡ
アノード：１０ｋＶ
Ｐａｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ：３０ｅＶ
アバーチャー：６ｍｍ
測定範囲：Ｎ１ｓ：３８８．５ｅＶ〜４０８．５ｅＶ
積算回数：４０回
解析条件：Ｎ１ｓのピークをピリジニック窒素（３９８．０ｅＶ）、アミン（３９９．０ｅＶ）、ベーサル窒素（４００．２ｅＶ）、４級窒素（４０１．５ｅＶ）としてピーク分離を行った。
Ｎ１ｓＸＰＳ測定は、日本電子のＪＰＳ９０３０を用いて、以下の条件により行った。
ソース：ＭｇＫα
エミッション：１０ｍＡ
アノード：１０ｋＶ
Ｐａｓｓ Ｅｎｅｒｇｙ：３０ｅＶ
アバーチャー：６ｍｍ
測定範囲：Ｎ１ｓ：３８８．５ｅＶ〜４０８．５ｅＶ
積算回数：４０回
解析条件：Ｎ１ｓのピークをピリジニック窒素（３９８．０ｅＶ）、アミン（３９９．０ｅＶ）、ベーサル窒素（４００．２ｅＶ）、４級窒素（４０１．５ｅＶ）としてピーク分離を行った。
＜ラマン分光分析＞
ラマン分光分析は以下の装置、条件により行った。
測定装置：顕微ラマン（日本分光ＮＲＳ−４５００）
測定条件：５３２．２３ｎｍレーザー使用、対物レンズ１００倍、ＣＣＤ取り込み時間は７７３Ｋの試料が５秒、９７３Ｋおよび１１７３Ｋの試料が１５秒、積算は３つの試料とも２０回（分解能＝２．４５ｃｍ−１）、レーザー強度１％、レーザー出力０．３ｍＷであった。
なおラマン分析においてＧ’バンド、Ｄ＋Ｄ’バンドは重なって現れることがあり、Ｄ＋Ｄ’バンドが特にショルダーを持つブロードなピークとして分析されることがある。この場合はショルダーピークの変曲点をＧ’バンドのピークとみなす。
ラマン分光分析は以下の装置、条件により行った。
測定装置：顕微ラマン（日本分光ＮＲＳ−４５００）
測定条件：５３２．２３ｎｍレーザー使用、対物レンズ１００倍、ＣＣＤ取り込み時間は７７３Ｋの試料が５秒、９７３Ｋおよび１１７３Ｋの試料が１５秒、積算は３つの試料とも２０回（分解能＝２．４５ｃｍ−１）、レーザー強度１％、レーザー出力０．３ｍＷであった。
なおラマン分析においてＧ’バンド、Ｄ＋Ｄ’バンドは重なって現れることがあり、Ｄ＋Ｄ’バンドが特にショルダーを持つブロードなピークとして分析されることがある。この場合はショルダーピークの変曲点をＧ’バンドのピークとみなす。
＜ＩＲ分析＞
ＦＴ−ＩＲ分析は以下の装置、条件により行った。
測定装置：フーリエ変換赤外分光光度計（日本分光製ＦＴ／ＩＲ−４２００ｔｙｐｅＡ）
測定条件：ＤＲＩＦＴ法、ＭＣＴ＿Ｍ検出器、分解能４ｃｍ−１、積算回数３２回
測定範囲：４９９．４７３ｃｍ−１〜４０００．６ｃｍ−１
サンプル条件：試料とＫＢｒを重量比＝１：５０で混合したものを使用した。
ＦＴ−ＩＲ分析は以下の装置、条件により行った。
測定装置：フーリエ変換赤外分光光度計（日本分光製ＦＴ／ＩＲ−４２００ｔｙｐｅＡ）
測定条件：ＤＲＩＦＴ法、ＭＣＴ＿Ｍ検出器、分解能４ｃｍ−１、積算回数３２回
測定範囲：４９９．４７３ｃｍ−１〜４０００．６ｃｍ−１
サンプル条件：試料とＫＢｒを重量比＝１：５０で混合したものを使用した。
〔実施例１〕
インドリジノ［６，５，４，３−ＩＪＡ］キノリン（ＩＮＤ）（明細書中に記載の化合物（６）に該当）（ＭｏｌＭａｌｌ Ｓａｒｌ製）：５０ｍｇを、アンプル管に真空封入（ＩＮＤをガラス管に入れ、２０分間で３５３Ｋ（８０℃）まで昇温しながら１時間真空引きし、ガスバーナーで封管）した後、電気炉にて１時間加熱した。
加熱温度は、７７３Ｋ（５００℃）、８７３Ｋ（６００℃）、９７３Ｋ（７００℃）のそれぞれで行った。
加熱後のそれぞれのアンプル管から試料をスパチュラでかき出し、それぞれ別のガラス管に移しかえた後、５２３Ｋ（２５０℃）で１時間真空引きし、含窒素炭素材料（１ａ）、（１ｂ）、（１ｃ）を得た。得られた含窒素炭素材料（１ａ）、（１ｂ）、（１ｃ）について、Ｎ１ｓＸＰＳ分析、ラマン分光分析、ＩＲ分析を行った。
Ｎ１ｓＸＰＳ分析のＸＰＳスペクトルを図１に示す。
ラマン分光分析のラマンスペクトルを図２に示す。
ＩＲ分析のＩＲスペクトルを図３に示す。
図１より、得られた含窒素炭素材料は、加熱温度が７７３Ｋ（５００℃）、８７３Ｋ（６００℃）、９７３Ｋ（７００℃）のいずれの場合においても、Ｎ１ｓＸＰＳ分析において、該含窒素炭素材料中の全窒素原子（ベーサル面に存在するベーサル窒素原子とエッジ面に存在するピリジニック窒素原子の合計）のピークに対する、ベーサル窒素原子のピークの割合が、８０％以上であり、ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御された含窒素炭素材料が、温和な条件で簡便に製造できていることがわかった。
図２のラマンスペクトルによれば、得られた含窒素炭素材料は、加熱温度が７７３Ｋ（５００℃）、８７３Ｋ（６００℃）、９７３Ｋ（７００℃）のいずれの場合においても、ＧバンドおよびＤバンドにピークを有することから、グラフェン構造を有し且つグラフェン構造が積層した構造の含窒素炭素材料が、温和な条件で簡便に製造できていることがわかった。
図３のＩＲスペクトルによれば、１６６０ｃｍ−１〜１８００ｃｍ−１の間にＣ＝Ｏ伸縮振動に起因するピークがほぼ見られないことから、構造が非常に精密に制御された含窒素炭素材料が、温和な条件で簡便に製造できていることがわかった。また、１０３０ｃｍ−１付近に５員環ｓｐ２Ｃ−Ｈ面内変角振動に起因するピークが見られることから、ＩＮＤの炭素化が６員環のＣ−Ｈから進行しており、５員環構造が少なくともある程度は維持されていることがわかった。
インドリジノ［６，５，４，３−ＩＪＡ］キノリン（ＩＮＤ）（明細書中に記載の化合物（６）に該当）（ＭｏｌＭａｌｌ Ｓａｒｌ製）：５０ｍｇを、アンプル管に真空封入（ＩＮＤをガラス管に入れ、２０分間で３５３Ｋ（８０℃）まで昇温しながら１時間真空引きし、ガスバーナーで封管）した後、電気炉にて１時間加熱した。
加熱温度は、７７３Ｋ（５００℃）、８７３Ｋ（６００℃）、９７３Ｋ（７００℃）のそれぞれで行った。
加熱後のそれぞれのアンプル管から試料をスパチュラでかき出し、それぞれ別のガラス管に移しかえた後、５２３Ｋ（２５０℃）で１時間真空引きし、含窒素炭素材料（１ａ）、（１ｂ）、（１ｃ）を得た。得られた含窒素炭素材料（１ａ）、（１ｂ）、（１ｃ）について、Ｎ１ｓＸＰＳ分析、ラマン分光分析、ＩＲ分析を行った。
Ｎ１ｓＸＰＳ分析のＸＰＳスペクトルを図１に示す。
ラマン分光分析のラマンスペクトルを図２に示す。
ＩＲ分析のＩＲスペクトルを図３に示す。
図１より、得られた含窒素炭素材料は、加熱温度が７７３Ｋ（５００℃）、８７３Ｋ（６００℃）、９７３Ｋ（７００℃）のいずれの場合においても、Ｎ１ｓＸＰＳ分析において、該含窒素炭素材料中の全窒素原子（ベーサル面に存在するベーサル窒素原子とエッジ面に存在するピリジニック窒素原子の合計）のピークに対する、ベーサル窒素原子のピークの割合が、８０％以上であり、ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御された含窒素炭素材料が、温和な条件で簡便に製造できていることがわかった。
図２のラマンスペクトルによれば、得られた含窒素炭素材料は、加熱温度が７７３Ｋ（５００℃）、８７３Ｋ（６００℃）、９７３Ｋ（７００℃）のいずれの場合においても、ＧバンドおよびＤバンドにピークを有することから、グラフェン構造を有し且つグラフェン構造が積層した構造の含窒素炭素材料が、温和な条件で簡便に製造できていることがわかった。
図３のＩＲスペクトルによれば、１６６０ｃｍ−１〜１８００ｃｍ−１の間にＣ＝Ｏ伸縮振動に起因するピークがほぼ見られないことから、構造が非常に精密に制御された含窒素炭素材料が、温和な条件で簡便に製造できていることがわかった。また、１０３０ｃｍ−１付近に５員環ｓｐ２Ｃ−Ｈ面内変角振動に起因するピークが見られることから、ＩＮＤの炭素化が６員環のＣ−Ｈから進行しており、５員環構造が少なくともある程度は維持されていることがわかった。
本発明の含窒素炭素材料は、ベーサル面に窒素原子が導入されて構造が精密に制御され、各種用途に展開可能である。
Claims (4)
- 窒素原子を有する含窒素炭素材料であって、
Ｎ１ｓＸＰＳ分析において、該含窒素炭素材料中の全窒素原子のピークに対する、ベーサル窒素原子のピークの割合が、８０％以上である、
含窒素炭素材料。 - 含窒素炭素材料を製造する方法であって、
２つ以上の隣接した環構造が共有する原子の少なくとも１つが窒素原子である縮環化合物（Ａ）を加熱する加熱工程（Ｉ）を含む、
含窒素炭素材料の製造方法。 - 前記加熱温度が３００℃〜１０００℃である、請求項２に記載の含窒素炭素材料の製造方法。
- 前記縮環化合物（Ａ）が、化合物（１）〜（１０）からなる群から選ばれる少なくとも１種である、請求項２または３に記載の含窒素炭素材料の製造方法。
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