JP2023084553A - Method for producing templated carbon material, method for producing catalyst, method for producing catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell, and method for producing fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、鋳型炭素材料の製造方法、触媒の製造方法、固体高分子形燃料電池用触媒層の製造方法、及び燃料電池の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for producing a template carbon material, a method for producing a catalyst, a method for producing a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing a fuel cell.
鋳型炭素材料は、鋳型となる化合物の表面に炭素を被覆した後に、鋳型成分を除去することで、鋳型の形状を反転することを形状的特徴とする炭素材料である。
鋳型炭素材料の製造方法は、例えば、ポリビニルアルコールに代表される汎用樹脂を炭素源とし、酸化マグネシウムに代表されるアルカリ土類金属の化合物を鋳型源とし、各々を十分に混合し、非酸化性雰囲気で600℃~1500℃で熱処理した後に、鋳型源を酸で溶解除去するなど、何らかの方法で、炭素源を炭化すると共に鋳型源を除去するというプロセスである。
酸化マグネシウム、酸化カルシウムは、塩酸、硫酸等で容易に溶解させることが可能であるため、これらの化合物を鋳型源に用いた鋳型炭素材料が検討されることが多い。
A template carbon material is a carbon material whose shape is characterized by inverting the shape of a template by coating the surface of a template compound with carbon and then removing template components.
A method for producing a template carbon material includes, for example, using a general-purpose resin typified by polyvinyl alcohol as a carbon source, using an alkaline earth metal compound typified by magnesium oxide as a template source, thoroughly mixing each of them, and producing a non-oxidizing It is a process of carbonizing the carbon source and removing the template source by some method such as dissolving and removing the template source with an acid after heat treatment at 600° C. to 1500° C. in an atmosphere.
Since magnesium oxide and calcium oxide can be easily dissolved in hydrochloric acid, sulfuric acid, etc., template carbon materials using these compounds as template sources are often studied.
また、炭素被覆する過程で、通常600℃以上1500℃の温度で加熱処理を行うため、その加熱処理過程で酸化マグネシウム、又は酸化カルシウムに化学変化するような化合物(例えば、炭酸塩、水酸化物、硫酸塩など)を、鋳型源に用いることも可能である。 In addition, in the process of carbon coating, heat treatment is usually performed at a temperature of 600 ° C. or higher and 1500 ° C., so compounds that chemically change to magnesium oxide or calcium oxide in the heat treatment process (for example, carbonates, hydroxides, etc.) , sulfates, etc.) can also be used as a template source.
炭素被覆するための加熱処理の温度は、目的に応じて選定される。たとえば、官能基を多量に含むような非晶質性の高い多孔質炭素材料を調製したければ、600℃~900℃が選ばれる。結晶性の高い多孔質炭素材料を得たければ、1000℃を超えて調製する。
ただし、炭化カルシウムなど炭化物、又は、金属アセチリドの生成を伴う高温での処理は避ける必要がある。実際には、炭素被覆するための加熱処理の温度は、1800℃程度が限界となる。
The temperature of the heat treatment for carbon coating is selected according to the purpose. For example, 600° C. to 900° C. is selected if a highly amorphous porous carbon material containing a large amount of functional groups is to be prepared. If a porous carbon material with high crystallinity is to be obtained, it is prepared above 1000°C.
However, it is necessary to avoid high-temperature treatment that involves formation of carbides such as calcium carbide or metal acetylides. In practice, the limit of the heat treatment temperature for carbon coating is about 1800.degree.
鋳型炭素材料は、いわゆる賦活法により製造される多孔質炭素材料(活性炭等)に相当する多孔質炭素材料の一つとして分類されている。
鋳型炭素材料の構造的特徴は、賦活法による多孔質炭素材料が外部から酸化消耗により内部に向かって細孔を成長させるのに対し、鋳型炭素材料は、最表面は製造法等の影響を受けるが、材料内部の細孔構造が原則的に均質であり、一般に、細孔が等方的に連結している。これが、特に、賦活法賦活法による多孔質炭素材料の細孔構造と対比される、鋳型炭素材料の構造的特徴である。
A template carbon material is classified as one of porous carbon materials corresponding to porous carbon materials (activated carbon, etc.) produced by a so-called activation method.
Structural characteristics of the template carbon material are that the porous carbon material produced by the activation method grows pores from the outside to the inside due to oxidative consumption, whereas the outermost surface of the template carbon material is affected by the manufacturing method, etc. However, the pore structure inside the material is in principle homogeneous, and the pores are generally isotropically connected. This is particularly the structural feature of the template carbon material, which is contrasted with the pore structure of the porous carbon material produced by the activation method.
等方的な細孔の連結を有する鋳型炭素材料は、固体高分子形燃料電池の分野では、連通孔と称されることもあり、材料内部のガスの流通性の良さ(拡散が速い)が、触媒の担体として用いたとき、発電性能の向上をもたらすと信じられており、有望な材料として考えられている。
また、鋳型炭素材料では、原理的に鋳型を写し取り反転した細孔が得られるため、ミクロ孔から数10nmの範囲で、均一性の高い細孔構造を得ることが可能である。これは、賦活法で形成される細孔が、ミクロ孔からメソ孔まで幅広く分布せざるを得ないのとは対照的である。
A template carbon material having isotropic pore connections is sometimes referred to as a communicating pore in the field of polymer electrolyte fuel cells, and has good gas flowability (fast diffusion) inside the material. , is believed to improve power generation performance when used as a catalyst carrier, and is considered a promising material.
Further, in the template carbon material, in principle, the pores are obtained by copying the template and reversing the template, so it is possible to obtain a highly uniform pore structure in the range of several tens of nanometers from micropores. This is in contrast to the fact that the pores formed by the activation method must be widely distributed from micropores to mesopores.
鋳型炭素材料における炭素層の厚みは、鋳型源と炭素源の混合比を変えることで自由に制御できるため、質量あたりの比表面積の自由度は高い。 Since the thickness of the carbon layer in the template carbon material can be freely controlled by changing the mixing ratio of the template source and the carbon source, the degree of freedom of the specific surface area per mass is high.
鋳型炭素材料は、多孔質炭素材料であるので、例えば、いわゆる活性炭と呼ばれる炭素材料が適用される分野(例えば、特定のガスの選択的吸着、液相中の特性の構造を持った分子の選択的吸着などの吸着剤の分野)、ケッチェンブラックが適用されるような固体高分子形の燃料電池の触媒担体としての分野、スーパーキャパシターの電極の分野などに適用される。
鋳型炭素材料に特有と思われる分野は、等方的細孔の連結を活かした材料内部の高い拡散性を活かす使い方である。
Since the template carbon material is a porous carbon material, it can be used in fields where carbon materials called activated carbon are applied (e.g., selective adsorption of specific gases, selection of molecules with specific structures in the liquid phase, etc.). It is applied to the field of adsorbents such as organic adsorption), the field of solid polymer type fuel cell catalyst carriers to which Ketjenblack is applied, the field of supercapacitor electrodes, and the like.
A field that seems to be peculiar to template carbon materials is how to utilize the high diffusivity inside the material by utilizing the connection of isotropic pores.
例えば、ゼオライトを鋳型とするミクロ孔のみから成る多孔質炭素材料で、鋳型の種類を選定し、細孔内への炭素被覆をプロピレンガスを原料としたCVDで条件を最適化することにより、多孔質炭素の表面積としては、驚異的な4000m2/gに至ることが報告されている。(非特許文献1)
細孔径が原子レベルの0.数nmオーダーであるために、被覆する炭素壁は単原子層で、且つ、曲率を維持するために5員環、7員環などを含む細孔壁で形成される。
そのため、上述のように質量あたりの細孔容積および細孔表面積は大きいが、他方、曲率を伴う炭素構造で芳香族構造に比較して機械的強度および化学的安定性において劣位な傾向を持つ。
For example, with a porous carbon material consisting of only micropores with zeolite as a template, by selecting the type of template and optimizing the conditions for carbon coating in the pores by CVD using propylene gas as a raw material, porous It has been reported that the surface area of quality carbon reaches an astounding 4000 m 2 /g. (Non-Patent Document 1)
The pore diameter is 0.00, which is the atomic level. Since it is on the order of several nanometers, the covering carbon wall is formed by a monoatomic layer and by pore walls containing 5-membered rings, 7-membered rings, etc. in order to maintain the curvature.
Therefore, as described above, the pore volume and pore surface area per mass are large, but on the other hand, the carbon structure with curvature tends to be inferior to the aromatic structure in terms of mechanical strength and chemical stability.
一方、クエン酸マグネシウムを、窒素雰囲気下、900℃で1時間加熱処理し、得られたMgO粉末とポリビニルアルコール粉末とを混合した後、窒素雰囲気下、900℃で1時間処理する鋳型炭素材料の製造方法も知られている(非特許文献2)。 On the other hand, magnesium citrate is heat-treated at 900°C for 1 hour in a nitrogen atmosphere, the resulting MgO powder and polyvinyl alcohol powder are mixed, and then treated at 900°C for 1 hour in a nitrogen atmosphere. A manufacturing method is also known (Non-Patent Document 2).
また、C数が6以上の有機酸Mgを原料とし、不活性雰囲気化で300℃以上に加熱し、その後、冷却して酸洗浄することを特徴とする活性炭の製造方法も知られている(特許文献1)。この活性炭の製造方法では、炭素源として、クエン酸及びポリビニルアルコール(PVA)が使用されている。 There is also known a method for producing activated carbon, which is characterized by using an organic acid Mg having a C number of 6 or more as a raw material, heating it to 300° C. or more in an inert atmosphere, and then cooling and acid washing ( Patent document 1). In this method for producing activated carbon, citric acid and polyvinyl alcohol (PVA) are used as carbon sources.
また、有機質樹脂を、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択されるアルカリ土類金属化合物の少なくとも1種と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成する工程を含む活性炭の製法であって、焼成して炭素かした後に生成するアルカリ土類金属酸化物の結晶子サイズによって、活性炭の細孔サイズを調整する活性炭の製造方法も知れている(特許文献2)。この活性炭の製造方法では、炭素源として、炭素源としてポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)等の樹脂材料が使用されている。 Alternatively, the organic resin is mixed with at least one alkaline earth metal compound selected from the group consisting of alkaline earth metal oxides, hydroxides, carbonates and organic acid salts, and heated in a non-oxidizing atmosphere. There is also known a method for producing activated carbon that includes a calcination step, in which the pore size of the activated carbon is adjusted by the crystallite size of the alkaline earth metal oxide produced after calcination ( Patent document 2). In this method for producing activated carbon, resin materials such as polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene terephthalate (PET), and hydroxypropyl cellulose (HPC) are used as carbon sources.
また、アルミナのナノ粒子(結晶子サイズが平均10nm、市販品)に、メタンを炭素源のガスとして用いた熱CVD処理を行って、多孔質炭素材料の製造方法も知られている(特許文献3)。この多孔質炭素材料の製造方法では、熱処理温度、ガス濃度、処理時間などの実験条件を十分に最適化することにより、炭素層を2層以下に制御した炭素膜で被覆したアルミナのナノ粒子を得た後、フッ化水素酸類溶液でアルミナを溶解し、蒸留水で希釈した後に濾過し、再度、蒸留水で分散した後に濾過、もう一度繰り返した後の粉末を真空乾燥して、多孔質炭素を得ている。 In addition, a method for producing a porous carbon material is also known in which alumina nanoparticles (crystallite size is 10 nm on average, commercially available product) are subjected to a thermal CVD treatment using methane as a carbon source gas (Patent Document 3). In this method for producing a porous carbon material, by sufficiently optimizing experimental conditions such as heat treatment temperature, gas concentration, and treatment time, alumina nanoparticles coated with a carbon film with a carbon layer controlled to two layers or less are produced. After obtaining, alumina is dissolved in a hydrofluoric acid solution, diluted with distilled water, filtered, dispersed again with distilled water, filtered, and the powder is vacuum-dried to obtain porous carbon. It has gained.
さらに、ベンゼンジカルボン酸のアルカリ土類金属塩を鋳型源とする鋳型炭素材料の製造方法の知られている(特許文献4)。この鋳型炭素の製造方法は、メソ細孔を有し、かつ耐酸化性及び電気伝導性が高い鋳型炭素材料を得る方法である。 Furthermore, a method for producing a template carbon material using an alkaline earth metal salt of benzenedicarboxylic acid as a template source is known (Patent Document 4). This template carbon production method is a method for obtaining a template carbon material having mesopores and having high oxidation resistance and electrical conductivity.
上述の例において、例えば、ゼオライトを鋳型とした炭素材料では、鋳型として用いるゼオライト自体が分子篩機能を持つ、すなわち、数Åオーダーの細孔直径であり、したがって、その細孔を被覆する炭素の厚みも、1原子層そのものが1nm以下であるため、CVD(Chemical Vapour Deposition)などの気相法を用いた合成法を用いざるを得ない。その場合、工業材料規模の量産には不向きな材料となる。
一方で、特許文献1~3に例示されるようなMgO等を鋳型源とする鋳型炭素材料の製造方法は、簡便な製造法であるため、製造プロセス・生産規模という観点では工業材料に向く。しかしながら、炭素源として用いる樹脂の重量に対し、鋳型炭素を構成する炭素としての歩留まりは、本発明者らが鋭意検討した結果、高々10数%に留まるという課題がある。
In the above example, for example, in the carbon material using zeolite as a template, the zeolite used as a template itself has a molecular sieve function, that is, the pore diameter is on the order of several Å. However, since one atomic layer itself is 1 nm or less, there is no choice but to use a synthesis method using a vapor phase method such as CVD (Chemical Vapor Deposition). In that case, the material is unsuitable for mass production on an industrial scale.
On the other hand, the method for producing a template carbon material using MgO or the like as a template source as exemplified in Patent Documents 1 to 3 is a simple production method, so it is suitable for industrial materials in terms of production process and production scale. However, as a result of intensive studies by the present inventors, there is a problem that the yield of carbon constituting the template carbon remains at most 10% or more with respect to the weight of the resin used as the carbon source.
ここで、一般に、活性炭、ケッチェンブラック等を代表とする賦活系の多孔質炭素材料は、1500℃以上の非酸化性雰囲気での加熱処理により細孔容積と比表面積が大幅に減少してしまう。炭素材料の化学的安定性の確保や強度の制御のために、非酸化性雰囲気での加熱処理は、まさに加工処理の常法であり、加熱処理により細孔構造の変化は小さいものが望まれる。この観点で、鋳型炭素材料は好ましい材料である。 Here, in general, activated porous carbon materials such as activated carbon and Ketjenblack have their pore volume and specific surface area significantly reduced by heat treatment in a non-oxidizing atmosphere at 1500° C. or higher. . In order to ensure the chemical stability of carbon materials and control the strength, heat treatment in a non-oxidizing atmosphere is a common processing method. . From this point of view, the template carbon material is a preferable material.
そのため、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法が要望されているのが現状である。
なお、特許文献4に例示される、鋳型炭素材料の製造方法では、耐酸化消耗性に優れる鋳型炭素材料が得られる点については記載されているが、細孔構造を自由に制御可能で、且つ、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料が得られることについて記載されていない。特に、炭素収率の向上と耐酸化消耗性の両立の向上には、細孔を形成する炭素壁の平均的な厚み、すなわち、炭素の芳香族網面の積層枚数を多くすることが、芳香族性を高めることと同等以上に重要である。特許文献4に記載の錯体系の原料は、金属原子に対する炭素数を増やすことができないため、炭素収率の向上と耐酸化消耗性の改善には原理的な課題を有する。
Therefore, at present, there is a demand for a method for producing a template carbon material with a high carbon yield and a good yield.
In addition, in the method for producing a template carbon material exemplified in Patent Document 4, it is described that a template carbon material having excellent oxidation resistance is obtained, but the pore structure can be freely controlled, and , the fact that a template carbon material with a high carbon yield and a good yield is obtained is not described. In particular, in order to improve both the carbon yield and the resistance to oxidation consumption, it is necessary to increase the average thickness of the carbon walls that form the pores, that is, to increase the number of layers of the aromatic network planes of carbon. It is as important as or more important than raising kinship. Since the complex-based raw material described in Patent Document 4 cannot increase the number of carbon atoms with respect to the metal atom, it has a theoretical problem in improving carbon yield and oxidation resistance.
そこで、本発明の課題は、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法、それを利用した、触媒の製造方法、固体高分子形燃料電池用触媒層の製造方法、及び燃料電池の製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a template carbon material with a high carbon yield and a good yield, a method for producing a catalyst, a method for producing a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell using the same. is to provide a manufacturing method of
課題を解決するための手段は、次の態様を含む。
<1>
下記要件(A)を満たす炭素源と下記要件(B)を満たす鋳型源を原料に用いる鋳型炭素材料の製造方法。
(A)炭素源が、含酸素官能基2個以上及び含窒素官能基2個以上の少なくとも一方を有し、且つ、不活性雰囲気下の熱重量分析において、5質量%減量に到達する温度T0.05が200℃以下の芳香族化合物を含む。
(B)鋳型源が、マグネシウム、アルカリ土類金属及びアルミニウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種である。
<2>
前記炭素源において、前記芳香族化合物は、2個以上の前記含酸素官能基のうち、少なくとも2個の前記含酸素官能基の間に2個以上の炭素原子が介在する化合物である<1>に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<3>
前記炭素源において、芳香族化合物は、単環の芳香族化合物、及び2環の芳香族化合物から選択される少なくとも1種であり、前記含酸素官能基はカルボキシル基であり、含窒素官能基はアミノ基である<1>又は<2>に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<4>
前記2環の芳香族化合物が、ナフタレン骨格を有する化合物である<3>に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<5>
前記炭素源において、芳香族化合物は、3環以上の芳香族化合物であり、前記含酸素官能基がカルボキシル基又は水酸基であり、含窒素官能基はアミノ基である<1>又は<2>に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<6>
前記3環以上の縮合環構造を有する芳香族化合物が、アントラキノン骨格を有する化合物、及びアントラセン骨格を有する化合物から選択される少なくとも1種である<5>に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<7>
前記鋳型源が、マグネシウム及びカルシウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種である<1>~<6>のいずれか1項に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<8>
前記鋳型源が、炭酸マグネシウム、及び硫酸マグネシウムから選択される少なくとも1種である<1>~<7>のいずれか1項に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<9>
<1>~<8>のいずれか1項に記載の鋳型炭素材料の製造方法に得られた炭素材料を担体とし、前記担体の表面に触媒成分を担持する触媒の製造方法。
<10>
<9>に記載の触媒の製造方法により得られた触媒を用いる固体高分子形燃料電池用触媒層の製造方法。
<11>
<10>に記載の固体高分子形燃料電池用触媒層の製造方法により得られた触媒層を用いる燃料電池の製造方法。
<12>
前記固体高分子形燃料電池用触媒層は、カソード側の触媒層である<11>に記載の燃料電池の製造方法。
Means for solving the problems include the following aspects.
<1>
A method for producing a template carbon material using, as raw materials, a carbon source satisfying the following requirement (A) and a template source satisfying the following requirement (B).
(A) The temperature T at which the carbon source has at least one of two or more oxygen-containing functional groups and two or more nitrogen-containing functional groups and reaches a weight loss of 5% by mass in thermogravimetric analysis under an inert atmosphere. 0.05 includes aromatics below 200°C.
(B) The template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates and hydroxides of magnesium, alkaline earth metals and aluminum.
<2>
In the carbon source, the aromatic compound is a compound in which two or more carbon atoms are interposed between at least two oxygen-containing functional groups among the two or more oxygen-containing functional groups <1> The method for producing the template carbon material according to .
<3>
In the carbon source, the aromatic compound is at least one selected from monocyclic aromatic compounds and bicyclic aromatic compounds, the oxygen-containing functional group is a carboxyl group, and the nitrogen-containing functional group is The method for producing a template carbon material according to <1> or <2>, which is an amino group.
<4>
The method for producing a template carbon material according to <3>, wherein the bicyclic aromatic compound is a compound having a naphthalene skeleton.
<5>
<1> or <2>, wherein in the carbon source, the aromatic compound is an aromatic compound having three or more rings, the oxygen-containing functional group is a carboxyl group or a hydroxyl group, and the nitrogen-containing functional group is an amino group; A method for producing the described template carbon material.
<6>
The method for producing a template carbon material according to <5>, wherein the aromatic compound having a condensed ring structure of three or more rings is at least one selected from compounds having an anthraquinone skeleton and compounds having an anthracene skeleton.
<7>
The template carbon material according to any one of <1> to <6>, wherein the template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and calcium. manufacturing method.
<8>
The method for producing a template carbon material according to any one of <1> to <7>, wherein the template source is at least one selected from magnesium carbonate and magnesium sulfate.
<9>
A method for producing a catalyst, wherein the carbon material obtained by the method for producing a template carbon material according to any one of <1> to <8> is used as a carrier, and a catalyst component is supported on the surface of the carrier.
<10>
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell catalyst layer using the catalyst obtained by the method for producing a catalyst according to <9>.
<11>
A method for producing a fuel cell using the catalyst layer obtained by the method for producing a polymer electrolyte fuel cell catalyst layer according to <10>.
<12>
The method for producing a fuel cell according to <11>, wherein the polymer electrolyte fuel cell catalyst layer is a cathode-side catalyst layer.
本発明によれば、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法、それを利用した、触媒の製造方法、固体高分子形燃料電池用触媒層の製造方法、及び燃料電池の製造方法を提供できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a method for producing a template carbon material with a high carbon yield and a good yield, a method for producing a catalyst, a method for producing a catalyst layer for polymer electrolyte fuel cells, and a fuel cell using the same can provide a method.
以下、本発明について説明する。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。
数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
「工程」との語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
「好ましい態様の組み合わせ」は、より好ましい態様である。
The present invention will be described below.
In this specification, a numerical range represented by "-" means a range including the numerical values before and after "-" as lower and upper limits.
In the numerical ranges described stepwise, the upper limit value or lower limit value described in a certain numerical range may be replaced with the upper limit value or lower limit value of another numerical range described stepwise.
In numerical ranges, the upper limit or lower limit described in a certain numerical range may be replaced with the values shown in the examples.
The term "process" is included in this term not only as an independent process, but also as long as the intended purpose of the process is achieved even if it cannot be clearly distinguished from other processes.
A "combination of preferred aspects" is a more preferred aspect.
本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、下記要件(A)を満たす炭素源と下記要件(B)を満たす鋳型源を原料に用いる製造方法である。
(A)炭素源が、含酸素官能基2個以上及び窒素官能基2個以上の少なくとも一方を有し、且つ、不活性雰囲気下の熱重量分析において、5質量%減量に到達する温度T0.05が200℃以下の芳香族化合物を含む。
(B)鋳型源が、マグネシウム、アルカリ土類金属及びアルミニウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種である。
The method for producing a template carbon material of the present invention is a production method that uses, as raw materials, a carbon source that satisfies the following requirement (A) and a template source that satisfies the following requirement (B).
(A) The temperature T 0 at which the carbon source has at least one of two or more oxygen-containing functional groups and two or more nitrogen functional groups and reaches a weight loss of 5% by mass in thermogravimetric analysis under an inert atmosphere. .05 contains aromatics below 200°C.
(B) The template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates and hydroxides of magnesium, alkaline earth metals and aluminum.
本発明の鋳型炭素材料の製造方法では、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法となる。そして、本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、次の知見から見出された。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The method for producing a template carbon material of the present invention is a method for producing a template carbon material with a high carbon yield and a good yield. The method for producing a template carbon material of the present invention was found from the following findings.
まず、従来の鋳型炭素材料の製造方法では、通例では、鋳型源としてセラミックス(MgO、CaO、アルミナ等)と炭素源として樹脂とが用いられる。樹脂の加熱分解して生じた気体成分が、セラミックス表面に炭素膜を形成したのがきっかけで、樹脂の分解生成物に特有の現象と思わせることが、専ら樹脂を炭素源に用いた原因だと思われる。一方で、プロピレンガスを用いた熱CVDによるセラミックスへの炭素被覆も一般的な技術として周知であり、この二つの現象が、セラミックスへの炭素被覆が本質的に熱分解したガス状の低分子が本質的に重要と思われるきっかけとなった。
樹脂として用いられるのは、モノマー構造中に酸素を含むものが多く、典型的なのが、式(-(CH2-CHOH)n-)で表されるポリビニルアルコールである。
これらの樹脂は、単に非酸化性雰囲気中で、例えば600℃以上に加熱処理すると、熱分解して、何も固形物は残らない。ところが、MgO、CaO、アルミナ等のセラミックスと共存させると、分化したガス状化合物がセラミックスに吸着し、炭素膜として残存する。この現象を、これまでは、熱CVDと同様と捉えたため、ラジカル状化合物に特有の現象と考えてきた。
First, in a conventional method for producing a template carbon material, ceramics (MgO, CaO, alumina, etc.) are generally used as a template source and a resin as a carbon source. The carbon film formed on the surface of the ceramics by the gaseous component generated by the thermal decomposition of the resin is the reason for using the resin exclusively as a carbon source. I think that the. On the other hand, carbon coating on ceramics by thermal CVD using propylene gas is also well known as a general technique, and these two phenomena are essentially pyrolyzed gaseous small molecules It became an opportunity to think that it was fundamentally important.
Most resins used contain oxygen in their monomer structures, and a typical example is polyvinyl alcohol represented by the formula (--(CH 2 --CHOH) n --).
These resins are thermally decomposed simply by heat treatment above 600° C. in a non-oxidizing atmosphere, leaving no solids behind. However, when it coexists with ceramics such as MgO, CaO and alumina, the differentiated gaseous compounds are adsorbed on the ceramics and remain as a carbon film. This phenomenon has been considered to be a phenomenon peculiar to radical compounds because it has been regarded as similar to thermal CVD.
一方、本発明者らは、炭素源として用いる材料がどのような素過程を経て、炭素化し、鋳型源の表面に沈着しているのか、その機構を原子レベルで検討した。その結果、次の知見を得た。
まず、炭素源としての樹脂の分解は、必ずしも必要ではなく、含酸素官能基又は含窒素官能基を複数持つ低分子化合物を樹脂の代わりに用いることで、樹脂よりもはるかに高い炭素収率を得ることが可能である。これは、マグネシウム、アルカリ土類金属及びアルミニウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種を鋳型源に用いるとき、以下に述べるような機構により、炭素収率が高まるためである。
On the other hand, the present inventors investigated the mechanism at the atomic level of what kind of elementary process the material used as the carbon source undergoes to be carbonized and deposited on the surface of the template source. As a result, the following findings were obtained.
First, it is not necessary to decompose resin as a carbon source. By using a low-molecular-weight compound with multiple oxygen-containing functional groups or nitrogen-containing functional groups instead of resin, a much higher carbon yield than resin can be obtained. It is possible to obtain When at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium, alkaline earth metals, and aluminum is used as a template source, carbon yield is achieved by the mechanism described below. This is because the rate increases.
含酸素官能基又は含窒素官能基が、鋳型源(鋳型源が、マグネシウム、アルカリ土類金属及びアルミニウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種)に対して、鋳型源に強い親和性を有する。そのため、炭素源として、鋳型源に親和性を有する含酸素官能基又は含窒素官能基が2個以上存在する分子構造を持つ芳香族化合物を用いて、鋳型源と非酸化性雰囲気で加熱すると、炭素収率が高くなる。
原子レベルでの炭素源の炭素固定の反応の素過程は、明確ではないが、少なくとも、炭素源となる分子構造の含酸素官能基2個以上で、炭素源が鋳型源表面に固定し、熱的過程で炭酸の形で酸素が抜けるときに、2つの含酸素官能基の間の分子構造が固定化されるものと推察される。同様に、含窒素官能基2個以上で、熱的過程で窒素が抜けるときに、2つの含窒素官能基の間の分子構造が固定化されるものと推察される。
Oxygen-containing functional group or nitrogen-containing functional group in template source (template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium, alkaline earth metals and aluminum) In contrast, it has a strong affinity for the template source. Therefore, when an aromatic compound having a molecular structure in which two or more oxygen-containing functional groups or nitrogen-containing functional groups having an affinity for the template source are present is used as the carbon source and heated in a non-oxidizing atmosphere with the template source, Higher carbon yield.
Although the elementary process of the carbon fixation reaction of the carbon source at the atomic level is not clear, at least two or more oxygen-containing functional groups in the molecular structure of the carbon source fix the carbon source to the surface of the template source, and heat is generated. It is presumed that the molecular structure between the two oxygen-containing functional groups is fixed when oxygen is released in the form of carbonic acid in the mechanical process. Similarly, with two or more nitrogen-containing functional groups, it is presumed that the molecular structure between the two nitrogen-containing functional groups is fixed when the nitrogen is released during the thermal process.
式(-(CH2-CHOH)n-)で表されるポリビニルアルコール等のような典型的な樹脂材料を炭素源に用いる場合も、熱分解して生じるガス状の化合物は、構造中に必ず酸素原子を含むため、複数の含酸素官能基又は複数の含窒素官能基が含まれた化合物だけが高い炭素収率となるがその確率が低いために全体としての炭素収率が低いものと推察される。 Even when a typical resin material such as polyvinyl alcohol represented by the formula (-(CH 2 -CHOH) n -) is used as the carbon source, a gaseous compound generated by thermal decomposition is always present in the structure. Since it contains oxygen atoms, only compounds containing multiple oxygen-containing functional groups or multiple nitrogen-containing functional groups have a high carbon yield, but it is speculated that the overall carbon yield is low because the probability is low. be done.
以上の知見から、本発明の鋳型炭素材料の製造方法では、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法となることが見出された。 From the above findings, it was found that the method for producing a template carbon material of the present invention is a method for producing a template carbon material with a high carbon yield and a good yield.
以下、本発明の鋳型炭素材料の製造方法の詳細について説明する。 The details of the method for producing the template carbon material of the present invention will be described below.
本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、例えば、炭素源と鋳型源とを混合する混合工程、第1の加熱工程、鋳型源除去工程、及び第2の加熱工程を含む。以下、各工程について詳細に説明する。 The method for producing a template carbon material of the present invention includes, for example, a mixing step of mixing a carbon source and a template source, a first heating step, a template source removing step, and a second heating step. Each step will be described in detail below.
(混合工程)
本工程では、炭素源と鋳型源とを混合する。
(Mixing process)
In this step, the carbon source and the template source are mixed.
-炭素源-
炭素源は、含酸素官能基2個以上及び含窒素官能基2個以上の少なくとも一方を有し、且つ、不活性雰囲気下の熱重量分析において、5%減量に到達する温度T0.05が200℃以下の芳香族化合物が少なくとも適用される。
-Carbon source-
The carbon source has at least one of two or more oxygen-containing functional groups and two or more nitrogen-containing functional groups, and in thermogravimetric analysis under an inert atmosphere, the temperature T 0.05 at which a 5% weight loss is reached is At least aromatic compounds below 200°C are applied.
芳香族化合物において、含酸素官能基および窒素官能基を2個以上であるが、炭素収率向上の観点から、2個以上6個以下が好ましく、2個以6個以下がより好ましい。
含酸素官能基としては、カルボキシル基、水酸基等が挙げられる。窒素官能基としては、アミノ基等が挙げられる。
In the aromatic compound, the number of oxygen-containing functional groups and nitrogen functional groups is 2 or more, preferably 2 to 6, more preferably 2 to 6, from the viewpoint of improving the carbon yield.
A carboxyl group, a hydroxyl group, etc. are mentioned as an oxygen-containing functional group. An amino group etc. are mentioned as a nitrogen functional group.
芳香族化合物において、2個以上の含酸素官能基又は窒素官能基のうち、少なくとも2個の含酸素官能基又は窒素官能基の間に介在する炭素原子の数は、炭素収率向上の観点から、2個以上が好ましく、2個以上5個以下がより好ましく、2個以上4個以下が好ましい。
ここで、2個の含酸素官能基又は窒素官能基の間に介在する炭素原子の数は、含酸素官能基又は窒素官能基の炭素原子(例えば、カルボキシル基の炭素原子)を含まず、2個の含酸素官能基又は窒素官能基の間に直鎖状に連なった炭素原子の数である。つまり、2個の含酸素官能基又は窒素官能基の間に介在する炭素原子が置換基(例えばアルキル基等)を有する場合、2個の含酸素官能基又は窒素官能基の間に介在する炭素原子の数は、置換基の炭素原子の数は含まない。
また、2個の含酸素官能基又は窒素官能基の間に介在する炭素原子の数は、最も近い含酸素官能基又は窒素官能基の間に介在する炭素原子の数である。
In the aromatic compound, among the two or more oxygen-containing functional groups or nitrogen functional groups, the number of carbon atoms interposed between at least two oxygen-containing functional groups or nitrogen functional groups is determined from the viewpoint of improving the carbon yield. , preferably 2 or more, more preferably 2 or more and 5 or less, and preferably 2 or more and 4 or less.
Here, the number of carbon atoms interposed between two oxygen-containing functional groups or nitrogen functional groups does not include the carbon atoms of the oxygen-containing functional groups or nitrogen functional groups (e.g., the carbon atoms of the carboxyl group). It is the number of carbon atoms connected in a straight chain between each oxygen-containing functional group or nitrogen functional group. That is, when the carbon atom intervening between two oxygen-containing functional groups or nitrogen functional groups has a substituent (for example, an alkyl group, etc.), the carbon intervening between the two oxygen-containing functional groups or nitrogen functional groups The number of atoms does not include the number of carbon atoms in the substituents.
Also, the number of carbon atoms intervening between two oxygen-containing functional groups or nitrogen functional groups is the number of carbon atoms intervening between the nearest oxygen-containing functional groups or nitrogen functional groups.
芳香族化合物における官能基は、鋳型源であるマグネシウム、アルカリ土類金属の酸化物、炭酸塩、硫酸塩、又は水酸化物に強く吸着し、炭化過程で炭素源が熱分解して鋳型源の無機化合物と酸素又は窒素含有官能基とが強く結合し、炭素源の分解物が気相で消失するのを抑制する機能を果たす。したがって、そもそも、炭素源が炭化過程において熱分解することが前提となる。つまり、芳香族化合物は、不活性雰囲気下の熱重量分析において、5%減量に到達する温度T0.05が、200℃以下で満たされる必要がある。
この点、例えば、アントラキノン及びフェナントレンキノンは、キノン型の含酸素官能基を二つ持つが、温度T0.05が200℃以下の芳香族化合物に該当しない。キノン型官能基は非常に安定性が高く、炭化過程において熱分解することはなく昇華して炭化歩留りは実質的にゼロとなるためである。
なお、不活性雰囲気下の熱重量分析において、5質量%減量に到達する温度T0.05の測定方法は、後述する実施例で説明する通りである。
The functional group in the aromatic compound strongly adsorbs to the template source magnesium, alkaline earth metal oxide, carbonate, sulfate, or hydroxide. The inorganic compound and the oxygen- or nitrogen-containing functional group are strongly bonded to each other, and function to suppress the disappearance of the decomposition product of the carbon source in the gas phase. Therefore, in the first place, it is assumed that the carbon source is thermally decomposed in the carbonization process. That is, the aromatic compound needs to satisfy the temperature T 0.05 at which the weight loss reaches 5% in the thermogravimetric analysis under an inert atmosphere at 200° C. or less.
In this regard, anthraquinone and phenanthrenequinone, for example, have two quinone-type oxygen-containing functional groups, but do not correspond to aromatic compounds having a temperature T 0.05 of 200° C. or less. This is because the quinone-type functional group has very high stability and does not thermally decompose in the carbonization process, but sublimes and the carbonization yield becomes substantially zero.
In the thermogravimetric analysis under an inert atmosphere, the method for measuring the temperature T0.05 at which the weight loss of 5% by mass is reached is as described in Examples below.
ここで、芳香族化合物は、単環の芳香族化合物、2環以上の芳香族化合物(2環以上の縮合多環芳香族化合物、2環以上の非縮合多環芳香族化合物)が挙げられる。なお、報告族化合物は、芳香族複素環化合物も含む。
単環の芳香族化合物は、ベンゼン骨格を有する化合物、複素員環(ピリジン骨格を有する化合物、ピリミジン骨格を有する化合物、トリアジン骨格を有する化合物、ピロール骨格を有する化合物、フラン骨格を有する化合物、トリアジン骨格を有する化合物等)等が挙げられる。
2環以上の縮合多環芳香族化合物は、2個以上の芳香環が縮合した化合物であり、ナフタレン骨格を有する化合物、アントラセン骨格を有する化合物、アントラキノン骨格を有する化合物、フェナントレンキノン骨格を有する化合物、窒素を含む3環骨格を有する化合物(例えば、1-アザフェナントレン、4-アザフェナントレン、9-アザフェナントレン、1,10-フェナントロリン、9-アザアントラセン、9,10-ジアザアントラセン等)、ピレン骨格を有する化合物、ペリレン骨格を有する化合物、フェナンスレン骨格を有する化合物、ペンタセン骨格を有する化合物、コロネン骨格を有する化合物等が挙げられる。
2環以上の非縮合多環芳香族化合物は、2個以上の芳香環が直接または架橋員(脂肪族炭化水素基、窒素原子、硫黄原子等)により相互に連結された化合物であり、ビフェニル骨格を有する化合物、ターフェニル骨格を有する化合物、トリフェニルメタン骨格を有する化合物等が挙げられる。
Here, the aromatic compound includes monocyclic aromatic compounds and aromatic compounds with two or more rings (condensed polycyclic aromatic compounds with two or more rings, non-condensed polycyclic aromatic compounds with two or more rings). The report group compounds also include aromatic heterocyclic compounds.
Monocyclic aromatic compounds include compounds having a benzene skeleton, heterocyclic rings (compounds having a pyridine skeleton, compounds having a pyrimidine skeleton, compounds having a triazine skeleton, compounds having a pyrrole skeleton, compounds having a furan skeleton, compounds having a triazine skeleton, and the like).
A condensed polycyclic aromatic compound having two or more rings is a compound in which two or more aromatic rings are condensed, and includes a compound having a naphthalene skeleton, a compound having an anthracene skeleton, a compound having an anthraquinone skeleton, a compound having a phenanthrenequinone skeleton, compounds having a three-ring skeleton containing nitrogen (e.g., 1-azaphenanthrene, 4-azaphenanthrene, 9-azaphenanthrene, 1,10-phenanthroline, 9-azaanthracene, 9,10-diazaanthracene, etc.), pyrene skeleton , a compound having a perylene skeleton, a compound having a phenanthrene skeleton, a compound having a pentacene skeleton, a compound having a coronene skeleton, and the like.
A non-condensed polycyclic aromatic compound having two or more rings is a compound in which two or more aromatic rings are connected to each other directly or via a bridging member (aliphatic hydrocarbon group, nitrogen atom, sulfur atom, etc.), and has a biphenyl skeleton. , a compound having a terphenyl skeleton, a compound having a triphenylmethane skeleton, and the like.
芳香族化合物としては、炭素収率向上の観点から、単環の芳香族化合物、及び2環の芳香族化合物(好ましくは2環の縮合多環芳香族化合物)から選択される少なくとも1種であり、含酸素官能基がカルボキシル基であり、含窒素官能基がアミノ基である化合物が好ましい。
2環の芳香族化合物としては、2環の縮合多環芳香族化合物が好ましく、ナフタレンが好ましい。
The aromatic compound is at least one selected from monocyclic aromatic compounds and bicyclic aromatic compounds (preferably bicyclic condensed polycyclic aromatic compounds) from the viewpoint of improving the carbon yield. A compound in which the oxygen-containing functional group is a carboxyl group and the nitrogen-containing functional group is an amino group is preferred.
As the bicyclic aromatic compound, a bicyclic condensed polycyclic aromatic compound is preferable, and naphthalene is preferable.
芳香族化合物としては、炭素収率向上の観点から、3環以上の芳香族化合物であり、含酸素官能基がカルボキシル基又は水酸基であり、含窒素官能基がアミノ基である化合物も好ましい。
3環以上の芳香族化合物としては、3環以上の縮合多環芳香族化合物が好ましく、アントラキノン骨格を有する化合物、及びアントラセン骨格を有する化合物から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
From the viewpoint of improving the carbon yield, the aromatic compound is preferably an aromatic compound having three or more rings, the oxygen-containing functional group is a carboxyl group or a hydroxyl group, and the nitrogen-containing functional group is an amino group.
The aromatic compound having three or more rings is preferably a condensed polycyclic aromatic compound having three or more rings, and is preferably at least one selected from compounds having an anthraquinone skeleton and compounds having an anthracene skeleton.
ここで、炭素収率向上の観点から、芳香族化合物において、全ての含酸素官能基の総酸素数は、4以上が好ましく、4以上8以下が好ましい。また、全ての含窒素含有基の総窒素数は、2以上が好ましく、2以上4以下が好ましい。
なお、2個以上のカルボキシル基は、無水物を形成していてもよい。2個以上のカルボキシル基は、アルキル金属の塩を形成していてもよい。つまり、例えば、カルボン酸無水物基を一つ有する芳香族化合物は、2個のカルボキシル基を有する芳香族化合物に該当する。
また、アミノ基としては、アミノ基としては、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基が挙げられる。2級アミノ基としては、-NR1H(R11は炭素数1~6のアルキル基)が挙げられる。3級アミノ基としては、-NR2R3(R2、R3は各々独立して炭素数1~6のアルキル基)が挙げられる。これらの中でも、アミノ基としては、1級アミノ基が好ましい。
Here, from the viewpoint of improving the carbon yield, the total oxygen number of all oxygen-containing functional groups in the aromatic compound is preferably 4 or more, and preferably 4 or more and 8 or less. Moreover, the total nitrogen number of all nitrogen-containing groups is preferably 2 or more, and preferably 2 or more and 4 or less.
Two or more carboxyl groups may form an anhydride. Two or more carboxyl groups may form an alkyl metal salt. That is, for example, an aromatic compound having one carboxylic anhydride group corresponds to an aromatic compound having two carboxyl groups.
Further, the amino group includes a primary amino group, a secondary amino group and a tertiary amino group. Secondary amino groups include —NR 1 H (R 11 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms). Tertiary amino groups include -NR 2 R 3 (R 2 and R 3 are each independently an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms). Among these, the amino group is preferably a primary amino group.
芳香族化合物の炭素数は、炭素収率向上の観点から、6~30が好ましく、6~24がより好ましく、10~20がさらに好ましい。
ここで、芳香族化合物の炭素数は、含酸素官能基及び含窒素官能基の炭素原子も含めた炭素数である。
The number of carbon atoms in the aromatic compound is preferably 6 to 30, more preferably 6 to 24, even more preferably 10 to 20, from the viewpoint of improving the carbon yield.
Here, the number of carbon atoms in the aromatic compound is the number of carbon atoms including the carbon atoms of the oxygen-containing functional group and the nitrogen-containing functional group.
芳香族化合物のうち、2個以上のカルボキシル基を有し、単環又は2環の芳香族化合物としては、ベンゼンジカルボン酸、ナフタレンジカルボン酸、ベンゼンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物等が挙げられる。また、ベンゼンの含窒素複素員環のジカルボン酸、ナフタレンの含窒素複素員環のジカルボン酸、及び、それら無水物等も挙げられる。 Among aromatic compounds, monocyclic or bicyclic aromatic compounds having two or more carboxyl groups include benzenedicarboxylic acid, naphthalenedicarboxylic acid, benzenetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic anhydride, and the like. is mentioned. Also included are dicarboxylic acids of nitrogen-containing heterocyclic rings of benzene, dicarboxylic acids of nitrogen-containing heterocyclic rings of naphthalene, and anhydrides thereof.
2個以上のカルボキシル基を有し、3環以上の芳香族化合物としては、フェナントレン、アントラセン、ピレン、コロネンのポリカルボン酸が挙げられる。また、これら3環以上の芳香族化合物の含窒素複素員環も挙げられる。 Polycarboxylic acids such as phenanthrene, anthracene, pyrene, and coronene are exemplified as aromatic compounds having two or more carboxyl groups and having three or more rings. Nitrogen-containing heterocyclic rings of aromatic compounds having three or more rings are also included.
2個以上の水酸基を有し、3環以上の芳香族化合物としては、アントラキノン、フェナントレンキノン、ジヒドロキシアントラキノン、テトラヒドロキシアントラキノン、ジヒドロキシアントラセン等が挙げられる。 Examples of aromatic compounds having two or more hydroxyl groups and three or more rings include anthraquinone, phenanthrenequinone, dihydroxyanthraquinone, tetrahydroxyanthraquinone, and dihydroxyanthracene.
2個以上のアミノ基を有し、単環又は2環の芳香族化合物としては、ジアミノベンゼン、ジアミノナフタレン、含窒素のベンゼン環を有するジアミン、含窒素のナフタレン環を有するジアミン等が挙げられる。 Examples of monocyclic or bicyclic aromatic compounds having two or more amino groups include diaminobenzene, diaminonaphthalene, diamines having a nitrogen-containing benzene ring, and diamines having a nitrogen-containing naphthalene ring.
2個以上のアミノ基を有し、2環以上の芳香族化合物としては、ジアミノアントラキノン、ジアミノアントラセン、ジアミノフェナントレン、トリアミノアントラキノン等が挙げられる。 Diaminoanthraquinone, diaminoanthracene, diaminophenanthrene, triaminoanthraquinone, etc. are mentioned as an aromatic compound with two or more amino groups and two or more rings.
炭素源は、上記芳香族化合物以外に、樹脂を併用してもよい。ただし、上記芳香族化合物の配合量は、例えば、全炭素源に対して30質量%以上(好ましくは40質量%以上)とする。
炭素源としての樹脂は、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸等の、炭素源として利用される周知の樹脂が挙げられる。
As the carbon source, a resin may be used in combination with the above aromatic compound. However, the blending amount of the aromatic compound is, for example, 30% by mass or more (preferably 40% by mass or more) relative to the total carbon source.
Resins as carbon sources include well-known resins used as carbon sources, such as polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and polyacrylic acid.
-鋳型源-
鋳型源としては、鋳型源が、マグネシウム、アルカリ土類金属及びアルミニウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種が適用される。ここで、アルカリ土類金属としては、カルシウム、バリウム、ストロンチウム等が挙げられる。
-Mold source-
As the template source, at least one selected from oxides, carbonates, sulfates and hydroxides of magnesium, alkaline earth metals and aluminum is applied. Here, alkaline earth metals include calcium, barium, strontium, and the like.
Mg及びアルカリ土類金属の酸化物としては、酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウム等が挙げられる。
Mg及びアルカリ土類金属の炭酸塩としては、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸ストロンチウム、等が挙げられる。
Mg及びアルカリ土類金属の硫酸塩としては、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、硫酸ストロンチウム等が挙げられる。
Mg及びアルカリ土類金属の水酸化物としては、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化ストロンチウム、等が挙げられる。
Mg and alkaline earth metal oxides include magnesium oxide (MgO), calcium oxide, barium oxide, strontium oxide, and the like.
Mg and alkaline earth metal carbonates include magnesium carbonate, calcium carbonate, barium carbonate, strontium carbonate, and the like.
Sulfates of Mg and alkaline earth metals include magnesium sulfate, calcium sulfate, barium sulfate, strontium sulfate, and the like.
Mg and alkaline earth metal hydroxides include magnesium hydroxide, calcium hydroxide, barium hydroxide, strontium hydroxide, and the like.
これらの中でも、炭素収率向上の観点から、炭素源としては、マグネシウム、アルカリ土類金属及びアルミニウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種が好ましく、マグネシウム及びカルシウムの、酸化物、炭酸塩、並びに酸化物から選択される少なくとも1種がより好ましく、炭酸マグネシウム、及び硫酸マグネシウムから選択される少なくとも1種がより好ましい。
なお、アルミニウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物のうちでは、酸化アルミニウムが好ましい。
Among these, from the viewpoint of improving the carbon yield, the carbon source is preferably at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium, alkaline earth metals and aluminum, At least one selected from oxides, carbonates and oxides of magnesium and calcium is more preferred, and at least one selected from magnesium carbonate and magnesium sulfate is more preferred.
Among oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of aluminum, aluminum oxide is preferred.
-炭素源と鋳型源との混合比-
炭素源と鋳型源との混合比(鋳型源/炭素源)は、鋳型源と炭素源中の炭素Cのモル比で、0.1~15.0が好ましく、0.5~10.0がより好ましい。それにより、目的とするBET比表面積および細孔分布の鋳型炭素材料(つまり多孔質炭素材料)が得られる。
-Mixing ratio of carbon source and template source-
The mixing ratio of the carbon source and the template source (template source/carbon source) is preferably 0.1 to 15.0, more preferably 0.5 to 10.0, as the molar ratio of carbon C in the template source and the carbon source. more preferred. Thereby, a template carbon material (that is, a porous carbon material) having the desired BET specific surface area and pore distribution is obtained.
(第1の加熱工程)
第1の加熱工程では、例えば、炭素源と鋳型源との混合物を、不活性ガス雰囲気下で、昇温速度5~30℃/分で、800~1100℃まで昇温し、その温度で10~200分保持する。
この熱処理により、炭素源の炭素化と並行して、鋳型源を熱分解及び酸化し、炭素と鋳型(つまりマグネシウム、アルカリ土類金属又はアルミニウムの酸化物)との複合体を得る。
(First heating step)
In the first heating step, for example, a mixture of the carbon source and the template source is heated to 800 to 1100° C. at a temperature elevation rate of 5 to 30° C./min under an inert gas atmosphere. Hold for ~200 minutes.
This heat treatment thermally decomposes and oxidizes the template source in parallel with the carbonization of the carbon source to obtain a composite of carbon and the template (ie oxide of magnesium, alkaline earth metal or aluminum).
(鋳型源除去工程)
鋳型源除去工程では、炭素と鋳型(つまりマグネシウム、アルカリ土類金属又はアルミニウムの酸化物)との複合体を酸洗することで、鋳型を酸洗液中に溶解する。これにより、炭素と鋳型との複合体から鋳型を除去する。それにより、多孔質炭素材料中間体を得る。
酸洗に用いる酸は、鋳型が可溶であればよく、好ましい例としては、硫酸が挙げられる。酸洗後、炭素材料を水洗し、乾燥させる。
(Template source removal step)
In the template source removal step, the template is dissolved in the pickling solution by pickling a composite of carbon and the template (that is, magnesium, alkaline earth metal or aluminum oxide). This removes the template from the carbon-template complex. Thereby, a porous carbon material intermediate is obtained.
The acid used for pickling may be any acid as long as the template is soluble, and a preferred example thereof is sulfuric acid. After pickling, the carbon material is washed with water and dried.
(第2の加熱工程)
第2の加熱工程では、例えば、得られた鋳型炭素材料の中間体を、不活性ガス雰囲気下で、2300~2600℃で、0.5~3.0時間保持する。
この熱処理により、鋳型炭素材料の結晶性が高まり、高温での耐久性(酸化消耗耐性)が向上する。
なお、第2の加熱工程後、鋳型炭素材料の中間体に対して、2400℃以上の黒鉛化処理を実施してもよい。
(Second heating step)
In the second heating step, for example, the obtained intermediate of the template carbon material is held at 2300 to 2600° C. for 0.5 to 3.0 hours in an inert gas atmosphere.
This heat treatment enhances the crystallinity of the template carbon material and improves the durability at high temperatures (oxidative consumption resistance).
After the second heating step, the intermediate of the template carbon material may be graphitized at 2400° C. or higher.
以上の工程により、目的とする鋳型炭素材料(つまり多孔質炭素材料)が得られる。 Through the above steps, the desired template carbon material (that is, the porous carbon material) is obtained.
本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、活性炭と呼ばれる炭素材料が適用される分野(例えば、特定のガスの選択的吸着、液相中の特性の構造を持った分子の選択的吸着などの吸着剤の分野)、ケッチェンブラックが適用されるような固体高分子形の燃料電池の触媒担体としての分野、スーパーキャパシターの電極の分野などに適用される。 The method for producing a template carbon material of the present invention is applicable to fields where a carbon material called activated carbon is applied (for example, selective adsorption of specific gases, selective adsorption of molecules with specific structures in the liquid phase, etc.). agent), as a catalyst carrier for solid polymer fuel cells to which Ketjenblack is applied, and in the field of supercapacitor electrodes.
<触媒の製造方法>
本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、触媒の製造方法に適用可能である。本発明の触媒の製造方法は、担体として、上記本発明の鋳型炭素材料の製造方法に得られた炭素材料の表面に触媒成分を担持する触媒の製造方法である。
触媒成分としては、個体高分子形燃料用触媒が代表的な触媒として挙げられる。触媒成分は、白金、白金合金等が挙げられる。白金合金の合金成分としては、金、銀、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、スズ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム等が挙げられる。
その他、触媒成分としては、固体高分子形燃料用触媒が代表的な触媒として挙げられる。触媒成分は、白金、白金合金等が挙げられる。白金合金の合金成分としては、Au、Ag、Cr、Fe、Ti、Mn、Co、Ni、Mo、W、Al、Si、Zn、Sn、Ru、Rh、Pd、Os、Ir等が挙げられる。
<Method for producing catalyst>
The method for producing a template carbon material of the present invention can be applied to a method for producing a catalyst. The method for producing a catalyst of the present invention is a method for producing a catalyst in which a catalyst component is supported on the surface of the carbon material obtained by the method for producing a template carbon material of the present invention as a carrier.
As the catalyst component, solid polymer fuel catalysts are typical catalysts. Examples of catalyst components include platinum, platinum alloys, and the like. Alloy components of platinum alloys include gold, silver, chromium, iron, titanium, manganese, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, zinc, tin, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, and iridium.
In addition, as a catalyst component, a polymer electrolyte fuel catalyst is mentioned as a typical catalyst. Examples of catalyst components include platinum, platinum alloys, and the like. Alloy components of platinum alloys include Au, Ag, Cr, Fe, Ti, Mn, Co, Ni, Mo, W, Al, Si, Zn, Sn, Ru, Rh, Pd, Os, and Ir.
本発明の触媒の製造方法は、固体高分子形燃料電池用触媒層、Li空気電池に代表されるような金属空気電池の空気極、レドックスフロー電池の電極など、広い反応表面積を提供し、且つ、化学的・電気化学的な高い安定性が求められる電極の製造用途に適用することができる。 The method for producing a catalyst of the present invention provides a large reaction surface area for a polymer electrolyte fuel cell catalyst layer, a metal-air battery cathode represented by a Li-air battery, a redox flow battery electrode, and the like, and , can be applied to the production of electrodes that require high chemical and electrochemical stability.
<固体高分子形燃料電池の製造方法>
本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、固体高分子形燃料電池(又はその触媒層)の製造方法に適用可能である。
製造する個体高分子形燃料電池は、例えば、図1に示す固体高分子形燃料電池100が挙げられる。固体高分子形燃料電池100は、例えば、セパレータ110、120、ガス拡散層130、140、触媒層150、160、及び電解質膜170を備える。
<Method for Producing Polymer Electrolyte Fuel Cell>
The method for producing a template carbon material of the present invention can be applied to a method for producing a polymer electrolyte fuel cell (or its catalyst layer).
An example of the polymer electrolyte fuel cell to be manufactured is the polymer
セパレータ110は、アノード側のセパレータであり、水素等の燃料ガスをガス拡散層130に導入する。セパレータ120は、カソード側のセパレータであり、酸素ガス、空気等の酸化性ガスをガス拡散凝集相に導入する。セパレータ110、120の種類は特に問われず、従来の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池で使用されるセパレータであればよい。
The
ガス拡散層130は、アノード側のガス拡散層であり、セパレータ110から供給された燃料ガスを拡散させた後、触媒層150に供給する。ガス拡散層140は、カソード側のガス拡散層であり、セパレータ120から供給された酸化性ガスを拡散させた後、触媒層160に供給する。ガス拡散層130、40の種類は特に問われず、従来の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池に使用されるガス拡散層であればよい。ガス拡散層130、40の例としては、多孔質炭素材料(カーボンクロス、カーボンペーパー等)、多孔質金属材料(金属メッシュ、金属ウール等)等が挙げられる。
なお、ガス拡散層130、140の好ましい例としては、ガス拡散層のセパレータ側の層が繊維状炭素材料を主成分とするガス拡散繊維層となり、触媒層側の層がカーボンブラックを主成分とするマイクロポア層となる2層構造のガス拡散層が挙げられる。
The
As a preferred example of the gas diffusion layers 130 and 140, the separator-side layer of the gas diffusion layer is a gas diffusion fiber layer containing a fibrous carbon material as a main component, and the catalyst layer-side layer contains carbon black as a main component. A gas diffusion layer having a two-layer structure that serves as a microporous layer is exemplified.
触媒層150は、いわゆるアノードである。触媒層150内では、燃料ガスの酸化反応が起こり、プロトンと電子が生成される。例えば、燃料ガスが水素ガスとなる場合、以下の酸化反応が起こる。
H2→2H++2e- (E0=0V)
The
H 2 →2H + +2e − (E 0 =0 V)
酸化反応によって生じたプロトンは、触媒層150、及び電解質膜170を通って触媒層160に到達する。酸化反応によって生じた電子は、触媒層150、ガス拡散層130、及びセパレータ110を通って外部回路に到達する。電子は、外部回路内で仕事をした後、セパレータ120に導入される。その後、電子は、セパレータ120、ガス拡散層140を通って触媒層160に到達する。
Protons generated by the oxidation reaction
アノードとなる触媒層150の構成は特に制限されない。すなわち、触媒層150の構成は、従来のアノードと同様の構成であってもよいし、触媒層160と同様の構成であってもよいし、触媒層160よりもさらに親水性が高い構成であってもよい。
The configuration of the
触媒層160は、いわゆるカソードである。触媒層160内では、酸化性ガスの還元反応が起こり、水が生成される。例えば、酸化性ガスが酸素ガスあるいは空気となる場合、以下の還元反応が起こる。酸化反応で発生した水は、未反応の酸化性ガスとともに固体高分子形燃料電池100の外部に排出される。
O2+4H++4e-→2H2O (E0=1.23V)
The
O 2 +4H + +4e − →2H 2 O (E 0 =1.23 V)
このように、固体高分子形燃料電池100では、酸化反応と還元反応とのエネルギー差(電位差)を利用して発電する。言い換えれば、酸化反応で生じた電子が外部回路で仕事を行う。
In this manner, the polymer
触媒層160には、本発明の鋳型炭素材料が含まれている。すなわち、触媒層160は、本発明の鋳型炭素材料と、電解質材料と、燃料電池用触媒とを含む。これにより、触媒層160内の触媒利用率を高めることができる。その結果、固体高分子形燃料電池100の触媒利用率を高めることができる。
The
なお、触媒層160における燃料電池触媒担持率は特に制限されないが、30質量%以上80質量%未満であることが好ましい。ここで、燃料電池触媒担持率は、触媒担持粒子(鋳型炭素材料に燃料電池用触媒を担持させた粒子)の総質量に対する燃料電池用触媒の質量%であることが好ましい。この場合、触媒利用率がさらに高くなる。なお、燃料電池触媒担持率が30質量%未満となる場合、固体高分子形燃料電池100を実用に耐えるようにするために触媒層160を厚くする必要が生じうる。一方、燃料電池触媒担持率が80質量%以上となる場合、触媒凝集が起こりやすくなる。また、触媒層160が薄くなりすぎて、フラッディングが起こる可能性が生じる。
Although the fuel cell catalyst loading rate in the
触媒層160における電解質材料の質量I(g)と触媒担体用炭素材料の質量C(g)との質量比I/Cは特に制限されないが、0.5超5.0未満であることが好ましい。この場合、細孔ネットワークと電解質材料ネットワークとが両立でき、触媒利用率が高くなる。一方、質量比I/Cが0.5以下となる場合、電解質材料ネットワークが貧弱になり、プロトン伝導抵抗が高くなる傾向にある。質量比I/Cが5.0以上となる場合、電解質材料によって細孔ネットワークが分断される可能性がある。いずれの場合にも、触媒利用率が低下する可能性がある。
The mass ratio I/C between the mass I (g) of the electrolyte material and the mass C (g) of the carbon material for catalyst support in the
また、触媒層160の厚さは特に制限されないが、5μm超20μm未満であることが好ましい。この場合、触媒層160内に酸化性ガスが拡散しやすく、かつ、フラッディングが生じにくくなる。触媒層160の厚さが5μm以下となる場合、フラッディングが生じやすくなる。触媒層160の厚さが20μm以上となる場合、触媒層160内で酸化性ガスが拡散しにくくなり、電解質膜170近傍の燃料電池用触媒が働きにくくなる。すなわち、触媒利用率が低下する可能性がある。
Moreover, the thickness of the
電解質膜170は、プロトン伝導性を有する電解質材料で構成されている。電解質膜170は、上記酸化反応で生成したプロトンをカソードである触媒層160に導入する。ここで、電解質材料の種類は特に問われず、従来の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池で使用される電解質材料であればよい。好適な例は固体高分子形燃料電池で使用される電解質材料、すなわち、電解質樹脂である。電解質樹脂としては、例えば、リン酸基、スルホン酸基等を導入した高分子(例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマー又はベンゼンスルホン酸が導入されたポリマー)等が挙げられる。もちろん、電解質材料は他の種類の電解質材料であってもよい。このような電解質材料としては、例えば、無機系、無機-有機ハイブリッド系等の電解質材料等が挙げられる。なお、固体高分子形燃料電池100は、常温~150℃の範囲内で作動する燃料電池であってもよい。
The
<実験例>
表1~表4に示す種類及び量の、炭素源および鋳型源を混合した。粒子同士は可能な限り粒子径が小さい方が第一の加熱工程で均一な焼成物を形成することになるので、炭素源と鋳型源は、試験に供する前に、乳鉢、遊星ボールミルなどで粉砕し、体積平均粒子径が、1.0~10.0μmに調製したものを用いた。混合は、乳鉢を用いて少なくとも数分以上の時間をかけて混合したものを用いた。
ここで、炭素源に用いる化合物は、不活性雰囲気下の熱重量分析を評価した。熱重量分析には、リガク社製TG-DTA8122を用い、昇温速度10℃/分で室温(25℃)から500℃まで昇温し、アルゴンガス流通条件において、5質量%減量に到達する温度T0.05を算出した。そして、T0.05が200℃以下を満たすものを〇、満たさないものを×として、表1~表4に記載した。
次に、混合物を、ガス流通型の横型管状電気炉を用いて、アルゴンガスを流通させながら焼成(第一の加熱処理)して、炭素と鋳型との複合体を得た。具体的には、アルゴンは線速度3cm毎分の流量で流通させ、昇温速度20℃毎分で、室温から900℃まで昇温し、900℃で1時間保持した後に放冷し100℃以下になったところで取り出し、炭素と鋳型との複合体の複合体を得た。
次に、複合体を乳鉢で軽く解砕した後、20質量%の硫酸水溶液に分散させて、90℃で40時間撹拌後、メンブレンフィルターで吸引濾過し、再度、蒸留水に分散し濾過を2回繰り返し、洗浄した。これにより鋳型を除去した。
次に、洗浄物を100℃の温風乾燥機で水分を除去後、90℃5時間真空乾燥し、鋳型炭素材料の中間体を得た。
次に、得られる鋳型炭素材料の結晶性を高めるために、鋳型炭素材料の中間体に対して、不活性ガス雰囲気中、1500℃で1.0時間の第二の加熱処理を施した。その後、鋳型炭素材料の中間体に対して、黒鉛化処理(加熱処理)を実施した。
以上の工程を経て、鋳型炭素材料(つまり、多孔質炭素材料)を得た。
<Experimental example>
The types and amounts of carbon sources and template sources shown in Tables 1 to 4 were mixed. Particles with as small a particle size as possible will form a uniform fired product in the first heating step, so the carbon source and mold source are pulverized with a mortar, planetary ball mill, etc. before being subjected to the test. and the volume average particle size was adjusted to 1.0 to 10.0 μm. Mixing was carried out using a mortar for at least several minutes.
Here, the compounds used as carbon sources were evaluated by thermogravimetric analysis under an inert atmosphere. For thermogravimetric analysis, TG-DTA8122 manufactured by Rigaku was used, and the temperature was raised from room temperature (25°C) to 500°C at a temperature elevation rate of 10°C/min, and the temperature at which weight loss reached 5% by mass under argon gas flow conditions. T 0.05 was calculated. In Tables 1 to 4, ◯ indicates that T 0.05 satisfies 200° C. or lower, and x indicates that T 0.05 does not satisfy.
Next, the mixture was sintered (first heat treatment) in a horizontal gas-flow tubular electric furnace while argon gas was being passed through to obtain a composite of carbon and template. Specifically, argon is circulated at a linear velocity of 3 cm per minute, heated from room temperature to 900° C. at a temperature increase rate of 20° C. per minute, held at 900° C. for 1 hour, then allowed to cool to 100° C. or less. It was taken out when the temperature reached 100°C, and a complex of carbon and template was obtained.
Next, the composite was lightly pulverized in a mortar, dispersed in a 20% by mass sulfuric acid aqueous solution, stirred at 90° C. for 40 hours, suction filtered with a membrane filter, dispersed again in distilled water and filtered for 2 times. Washed repeatedly. This removed the template.
Next, after removing moisture from the washed product with a hot air dryer at 100° C., it was vacuum-dried at 90° C. for 5 hours to obtain an intermediate of a template carbon material.
Next, in order to increase the crystallinity of the resulting template carbon material, the intermediate of the template carbon material was subjected to a second heat treatment at 1500° C. for 1.0 hour in an inert gas atmosphere. After that, graphitization treatment (heat treatment) was performed on the intermediate of the template carbon material.
A template carbon material (that is, a porous carbon material) was obtained through the above steps.
なお、特許文献4の実施例1の記載を再現して、ベンゼン-1,4-ジカルボン酸カルシウム塩を得た(実験例番号Ar1-12)。すなわち、反応容器に純水2L、水酸化カルシウム1mol、テレフタル酸1molを入れ、80℃で3時間混合してテレフタル酸カルシウム塩を調製した。調製したテレフタル酸カルシウム塩を、24時間静置した。その後、テレフタル酸カルシウム塩を濾過し、115℃で24時間乾燥し、粗粉砕した。得られたベンゼン-1,4-ジカルボン酸カルシウム塩を、上述の第一の加熱処理以降は同じ手続きにより、鋳型炭素材料(つまり、多孔質炭素材料)を得た。 Benzene-1,4-dicarboxylic acid calcium salt was obtained by reproducing the description of Example 1 of Patent Document 4 (Experimental Example No. Ar1-12). Specifically, 2 L of pure water, 1 mol of calcium hydroxide, and 1 mol of terephthalic acid were placed in a reaction vessel and mixed at 80° C. for 3 hours to prepare calcium terephthalate. The prepared calcium terephthalate was allowed to stand for 24 hours. Thereafter, calcium terephthalate was filtered, dried at 115° C. for 24 hours, and coarsely pulverized. The resulting benzene-1,4-dicarboxylic acid calcium salt was subjected to the same procedure after the above-described first heat treatment to obtain a template carbon material (that is, a porous carbon material).
<評価>
得られた鋳型炭素材料(つまり、多孔質炭素材料)について、次の評価を実施した。
<Evaluation>
The following evaluation was performed on the resulting template carbon material (that is, porous carbon material).
(炭素収率)
次の通り、各例の鋳型炭素材料の製造方法における炭素収率を求めた。
原料に用いた炭素源の質量に対する、鋳型源除去工程後の炭素の質量の質量比率を炭素収率として定義し、下記の方法にて測定した。
即ち、前述の第一の加熱処理である900℃1時間保持後のサンプルを、硫酸溶液処理とその後の洗浄処理により鋳型を除去し、更に、真空管処理まで施して得られた鋳型炭素の中間体の質量を計量し、その質量を、原料に用いた炭素源の質量で割って、炭素収率を%表示で算出した。
(carbon yield)
The carbon yield in the manufacturing method of the template carbon material of each example was determined as follows.
The carbon yield was defined as the mass ratio of the mass of carbon after the template source removal step to the mass of the carbon source used as the raw material, and was measured by the following method.
That is, after the first heat treatment at 900° C. for 1 hour, the sample was subjected to a sulfuric acid solution treatment, followed by a washing treatment to remove the template, and further subjected to a vacuum tube treatment to obtain an intermediate of template carbon. was weighed, and the mass was divided by the mass of the carbon source used as the raw material to calculate the carbon yield in %.
(触媒の調製、触媒層の作製、MEAの作製、燃料電池の組立、及び電池性能の評価)
得られた鋳型炭素材料を用い、以下のようにして触媒金属が担持された固体高分子型燃料電池用触媒を調製し、また、得られた触媒を用いて触媒層インク液を調製し、次いでこの触媒層インク液を用いて触媒層を形成し、更に形成された触媒層を用いて膜電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)を作製し、この作製されたMEAを燃料電池セルに組み込み、燃料電池測定装置を用いて発電試験を行った。以下、各部材の調製及び発電試験によるセル評価について詳細に説明する。
(Preparation of catalyst, preparation of catalyst layer, preparation of MEA, assembly of fuel cell, and evaluation of cell performance)
Using the obtained template carbon material, a polymer electrolyte fuel cell catalyst supporting a catalytic metal is prepared as follows, and the obtained catalyst is used to prepare a catalyst layer ink solution. A catalyst layer is formed using this catalyst layer ink solution, a membrane electrode assembly (MEA) is produced using the formed catalyst layer, and the produced MEA is incorporated into a fuel cell, A power generation test was conducted using a fuel cell measuring device. Hereinafter, cell evaluation by preparation of each member and power generation test will be described in detail.
(1) 固体高分子型燃料電池用触媒(白金担持炭素材料)の作製
得られた鋳型炭素材料を、蒸留水中に分散させ、この分散液にホルムアルデヒドを加え、40℃に設定したウォーターバスにセットし、分散液の温度がバスと同じ40℃になってから、撹拌下にこの分散液中にジニトロジアミンPt錯体硝酸水溶液をゆっくりと注ぎ入れた。その後、約2時間撹拌を続けた後、濾過し、得られた固形物の洗浄を行った。このようにして得られた固形物を90℃で真空乾燥した後、乳鉢で粉砕し、次いで水素を5体積%含むアルゴン雰囲気中200℃で1時間熱処理をして白金触媒粒子担持炭素材料を作製した。
なお、この白金担持炭素材料の白金担持量については、鋳型炭素材料と白金粒子の合計質量に対して40質量%となるように調整し、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES: Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometry)により測定して確認した。
(1) Production of solid polymer fuel cell catalyst (platinum-supporting carbon material) The obtained template carbon material was dispersed in distilled water, formaldehyde was added to the dispersion, and the mixture was placed in a water bath set at 40°C. After the temperature of the dispersion reached 40° C., which was the same as that of the bath, the dinitrodiamine Pt complex nitric acid aqueous solution was slowly poured into the dispersion with stirring. Then, after continuing stirring for about 2 hours, it filtered and the solid substance obtained was washed. The solid thus obtained was vacuum-dried at 90° C., pulverized in a mortar, and then heat-treated at 200° C. for 1 hour in an argon atmosphere containing 5% by volume of hydrogen to produce a carbon material supporting platinum catalyst particles. bottom.
The amount of platinum supported by the platinum-supported carbon material was adjusted to 40% by mass with respect to the total mass of the template carbon material and platinum particles, and was subjected to Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES). - determined and confirmed by Atomic Emission Spectrometry).
(2) 触媒層の調製
以上のようにして調製された白金担持炭素材料(Pt触媒)を用い、また、電解質樹脂としてDupont社製ナフィオン(登録商標:Nafion;パースルホン酸系イオン交換樹脂)を用い、Ar雰囲気下でこれらPt触媒とナフィオンとを白金触媒粒子担持炭素材料の質量に対してナフィオン固形分の質量が1.0倍、非多孔質炭素に対しては0.5倍の割合で配合し、軽く撹拌した後、超音波でPt触媒を解砕し、更にエタノールを加えてPt触媒と電解質樹脂とを合わせた合計の固形分濃度が1.0質量%となるように調整し、Pt触媒と電解質樹脂とが混合した触媒層インク液を調製した。
(2) Preparation of catalyst layer Using the platinum-supported carbon material (Pt catalyst) prepared as described above, Nafion manufactured by Dupont (registered trademark: Nafion; persulfonic acid-based ion exchange resin) was used as the electrolyte resin. Using these Pt catalysts and Nafion in an Ar atmosphere, the mass of the Nafion solid content is 1.0 times the mass of the platinum catalyst particle-supporting carbon material, and the mass of the non-porous carbon is 0.5 times. After blending and stirring lightly, the Pt catalyst is crushed with ultrasonic waves, and ethanol is added to adjust the total solid content concentration of the Pt catalyst and the electrolyte resin to be 1.0% by mass, A catalyst layer ink liquid in which the Pt catalyst and the electrolyte resin were mixed was prepared.
このようにして調製された固形分濃度1.0質量%の各触媒層インク液に更にエタノールを加え、白金濃度が0.5質量%のスプレー塗布用触媒層インク液を作製し、白金の触媒層単位面積当たりの質量(以下、「白金目付量」という。)が0.2mg/cm2となるようにスプレー条件を調節し、上記スプレー塗布用触媒層インクをテフロン(登録商標)シート上にスプレーした後、アルゴン中120℃で60分間の乾燥処理を行い、触媒層を作製した。 Ethanol was further added to each catalyst layer ink solution having a solid content concentration of 1.0% by mass thus prepared to prepare a catalyst layer ink solution for spray coating having a platinum concentration of 0.5% by mass. The spray conditions were adjusted so that the mass per unit area of the layer (hereinafter referred to as "platinum coating weight") was 0.2 mg/cm2, and the catalyst layer ink for spray coating was sprayed onto a Teflon (registered trademark) sheet. After that, drying treatment was performed in argon at 120° C. for 60 minutes to prepare a catalyst layer.
(3) MEAの作製
以上のようにして作製した触媒層を用い、以下の方法でMEA(膜電極複合体)を作製した。
ナフィオン膜(Dupont社製NR211)から一辺6cmの正方形状の電解質膜を切り出した。また、テフロン(登録商標)シート上に塗布されたアノード及びカソードの各触媒層については、それぞれカッターナイフで一辺2.5cmの正方形状に切り出した。
このようにして切り出されたアノード及びカソードの各触媒層の間に、各触媒層が電解質膜の中心部を挟んでそれぞれ接すると共に互いにずれが無いように、この電解質膜を挟み込み、120℃、100kg/cm2で10分間プレスし、次いで室温まで冷却した後、アノード及びカソード共にテフロンシートのみを注意深く剥ぎ取り、アノード及びカソードの各触媒層が電解質膜に定着した触媒層-電解質膜接合体を調製した。
(3) Production of MEA Using the catalyst layer produced as described above, an MEA (membrane electrode assembly) was produced by the following method.
A 6 cm square electrolyte membrane was cut from a Nafion membrane (NR211 manufactured by Dupont). Further, each of the catalyst layers of the anode and cathode coated on the Teflon (registered trademark) sheet was cut into a square shape of 2.5 cm on each side with a utility knife.
The electrolyte membrane was sandwiched between the catalyst layers of the anode and the cathode cut out in this way so that the catalyst layers were in contact with each other with the central part of the electrolyte membrane sandwiched therebetween and there was no displacement with each other. /cm2 for 10 minutes, then cooled to room temperature, and then carefully peeled off only the Teflon sheet on both the anode and cathode to prepare a catalyst layer-electrolyte membrane assembly in which each catalyst layer of the anode and cathode was fixed to the electrolyte membrane. .
次に、ガス拡散層として、カーボンペーパー(SGLカーボン社製35BC)から一辺2.5cmの大きさで一対の正方形状カーボンペーパーを切り出し、これらのカーボンペーパーの間に、アノード及びカソードの各触媒層が一致してずれが無いように、上記触媒層-電解質膜接合体を挟み、120℃、50kg/cm2で10分間プレスしてMEAを作製した。
なお、作製された各MEAにおける触媒金属成分、炭素材料、電解質材料の各成分の目付量については、プレス前の触媒層付テフロンシートの質量とプレス後に剥がしたテフロンシートの質量との差からナフィオン膜(電解質膜)に定着させた触媒層の質量を求め、触媒層の組成の質量比より算出した。
Next, as gas diffusion layers, carbon paper (35BC manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) was cut into a pair of square-shaped carbon papers with a size of 2.5 cm on each side. The catalyst layer-electrolyte membrane assembly was sandwiched so that there was no deviation, and pressed at 120° C. and 50 kg/cm 2 for 10 minutes to prepare an MEA.
The basis weight of each component of the catalyst metal component, the carbon material, and the electrolyte material in each MEA produced was calculated from the difference between the mass of the Teflon sheet with the catalyst layer before pressing and the mass of the Teflon sheet peeled off after pressing. The mass of the catalyst layer fixed to the membrane (electrolyte membrane) was obtained, and calculated from the mass ratio of the composition of the catalyst layer.
(4) 燃料電池の発電特性評価
(低電流特性の評価)
各試験例で調製され、また、準備された触媒担体用多孔質炭素材料を用いて作製したMEAについて、それぞれセルに組み込み、燃料電池測定装置にセットして、次の手順で燃料電池の性能評価を行った。
反応ガスについては、カソード側に空気を、また、アノード側に純水素を、それぞれ利用率が40%と70%となるように、大気圧下にセル下流に設けられた背圧弁で圧力調整し、背圧0.04MPaで供給した。また、セル温度は80℃に設定し、また、供給する反応ガスについては、カソード及びアノード共に、加湿器中で60℃に保温された蒸留水でバブリングを行い、80℃のセルに対し、60℃加湿のガスを供給し発電評価を行った。
(4) Evaluation of fuel cell power generation characteristics (evaluation of low current characteristics)
Each of the MEAs prepared in each test example and prepared using the prepared porous carbon material for catalyst support is assembled into a cell, set in a fuel cell measurement device, and evaluated for fuel cell performance by the following procedure. did
The reaction gas was air on the cathode side, and pure hydrogen on the anode side, and the pressure was adjusted by a back pressure valve provided downstream of the cell under atmospheric pressure so that the utilization rates were 40% and 70%, respectively. , at a back pressure of 0.04 MPa. The cell temperature was set to 80° C., and both the cathode and the anode were supplied with distilled water kept at 60° C. in a humidifier by bubbling. ℃ humidified gas was supplied and power generation evaluation was performed.
このような設定の下にセルに反応ガスを供給した条件下で、負荷を徐々に増やし、電流密度100mA/cm2におけるセル端子間電圧を出力電圧として記録し、燃料電池の性能評価を実施し、下記の合格ランクと不合格ランクの基準で評価を行った。結果を表~表4に示す。
〔合格ランク〕
◎:100mA/cm2における出力電圧が0.880V以上であるもの。
〇:100mA/cm2における出力電圧が0.870V以上であるもの。
〔不合格ランク〕
×:100mA/cm2における出力電圧が0.870V未満であるもの。
Under the condition that the reactant gas was supplied to the cell under such settings, the load was gradually increased, and the voltage between the cell terminals at a current density of 100 mA/cm 2 was recorded as the output voltage to evaluate the performance of the fuel cell. , was evaluated according to the criteria for the following pass rank and fail rank. The results are shown in Tables to Tables 4.
[passing rank]
A: The output voltage at 100 mA/cm 2 is 0.880 V or higher.
◯: Output voltage at 100 mA/cm 2 is 0.870 V or more.
[Fail rank]
x: The output voltage at 100 mA/cm 2 is less than 0.870V.
上記結果から、本発明例の鋳型炭素材料の製造方法では、炭素源として樹脂材料を適応した比較例と同等以上に、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法であることがわかる。 From the above results, the method for producing the template carbon material of the example of the present invention is a method for producing a template carbon material with a high carbon yield and a good yield equal to or higher than the comparative example in which a resin material is applied as a carbon source. Recognize.
なお、以下、表中の略称等の詳細について示す。
ATQ:アントラキノン
PVA:ポリビニルアルコール(重量平均分子量=10000)
PEG:ポリエチレングリコール(重量平均分子量=600)
PAA:ポリアクリル酸(重量平均分子量=10000)
Details of abbreviations and the like in the table are shown below.
ATQ: anthraquinone PVA: polyvinyl alcohol (weight average molecular weight = 10000)
PEG: polyethylene glycol (weight average molecular weight = 600)
PAA: polyacrylic acid (weight average molecular weight = 10000)
100 固体高分子形燃料電池
110、120 セパレータ
130、140 ガス拡散層
150、160 触媒層
170 電解質膜
100 polymer
Claims (12)
(A)炭素源が、含酸素官能基2個以上及び含窒素官能基2個以上の少なくとも一方を有し、且つ、不活性雰囲気下の熱重量分析において、5質量%減量に到達する温度T0.05が200℃以下の芳香族化合物を含む。
(B)鋳型源が、マグネシウム、アルカリ土類金属及びアルミニウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種である。 A method for producing a template carbon material using, as raw materials, a carbon source satisfying the following requirement (A) and a template source satisfying the following requirement (B).
(A) The temperature T at which the carbon source has at least one of two or more oxygen-containing functional groups and two or more nitrogen-containing functional groups and reaches a weight loss of 5% by mass in thermogravimetric analysis under an inert atmosphere. 0.05 includes aromatics below 200°C.
(B) The template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates and hydroxides of magnesium, alkaline earth metals and aluminum.
12. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 11, wherein the polymer electrolyte fuel cell catalyst layer is a cathode-side catalyst layer.
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