JP4811048B2

JP4811048B2 - 電極材料、並びにそれを用いたバイオセンサー及び燃料電池

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Publication number: JP4811048B2
Application number: JP2006041245A
Authority: JP
Inventors: 勉梶野; 徳彦瀬戸山; 恵子上村; 喜章福嶋; 久雄加藤; 清也辻村; 健司加納
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
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Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: WO2007094429A1; JP2007218795A

Description

本発明は、電極材料、並びにそれを用いたバイオセンサー及び燃料電池に関し、より詳しくは、炭素複合材料からなる電極材料、並びにそれを用いたバイオセンサー及び燃料電池に関する。

従来、多孔体に関する様々な研究がなされており、その吸着性を利用して、触媒、電極材料等の担体への適用が検討されている。そして、このような多孔体を担体として、その担体に機能性分子を担持させた様々な炭素複合材料が開示されている。

例えば、A.Vinu et al.,“Adsorption of Cytochrome C on New Mesoporous Carbon Molecular Sieves”, J.Phys.Chem.B, 2003, Vol.107, p.8297〜8299（非特許文献１）においては、メソポーラスカーボンモレキュラーシーブにチトクロームＣを担持させた炭素複合材料が開示されている。

しかしながら、非特許文献１においては、メメソポーラスカーボンモレキュラーシーブにチトクロームＣを担持させた炭素複合材料を電極材料に適用する旨の記載はない。
A.Vinu et al.,"Adsorption of Cytochrome C on New Mesoporous Carbon Molecular Sieves", J.Phys.Chem.B, 2003, Vol.107, p.8297〜8299

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、担持成分の十分な安定性と優れた活性とを得ることができ、担体と担持成分との間の効率的な電子伝導が可能な電極材料を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、カーボン多孔体に酸化還元酵素を担持させることによって、担持成分の十分な安定性と優れた活性とを得ることができ、担体と担持成分との間の効率的な電子伝導が可能な電極材料が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の電極材料は、カーボン多孔体と、前記カーボン多孔体に担持された酸化還元酵素とを備え、
前記カーボン多孔体が、比表面積が１００ｍ ^２／ｇ以上であり、細孔径分布領域が２ｎｍ〜１００ｎｍの範囲における全細孔容量を基準として、平均細孔径の±２５％の範囲における細孔容量が６０％以上のものであること、及び、
前記カーボン多孔体が、スキャン領域２θ＝０．５〜１０°（ＣｕＫ _α 線）においてＸ線回折ピークが認められず、吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、分布ピークトップの細孔径値が２ｎｍ以上１０ｎｍ未満の範囲に存在する場合には該細孔径値（ｄ）に対してｄ±２ｎｍの細孔径領域に全細孔容量の６０％以上が含まれており、また分布ピークトップの細孔径値が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲に存在する場合には該細孔径値（Ｄ）に対して（０．７５×Ｄ）〜（１．２５×Ｄ）ｎｍの細孔径領域に全細孔容量の６０％以上が含まれるカーボンゲルであること、
を特徴とするものである。

さらに、上記本発明の電極材料においては、前記カーボン多孔体に担持された電子伝達物質を更に備えることが好ましい。

また、上記本発明の電極材料においては、前記カーボン多孔体が細孔を有し、前記酸化還元酵素のうちの少なくとも一部が前記細孔内に担持されていることが好ましい。

さらに、本発明のエネルギー変換デバイスは、上記本発明の電極材料を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、担持成分の十分な安定性と優れた活性とを得ることができ、担体と担持成分との間の効率的な電子伝導が可能な電極材料を提供することが可能となる。

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。

本発明の電極材料は、カーボン多孔体と、前記カーボン多孔体に担持された酸化還元酵素とを備えることを特徴とするものである。

（カーボン多孔体）
本発明にかかるカーボン多孔体としては、担持成分の安定性及び活性を十分に向上させることが可能となる比表面積、細孔径及び細孔容量を有するカーボン多孔体であるメソポーラスカーボン粒子やカーボンゲルが含有され、いわゆるカーボンブラックは含有されない。

このようなカーボン多孔体の平均細孔径としては、２〜５０ｎｍであることが好ましく、２〜２０ｎｍであることが特に好ましい。カーボン多孔体の平均細孔径が２ｎｍ未満では、細孔の大きさが担持成分の大きさよりも小さくなることが多くなり、吸着性が低下してしまう傾向にあり、他方、５０ｎｍを超えると、比表面積の低下を招き、吸着性が低下してしまう傾向にある。また、カーボン多孔体の平均細孔径が２０ｎｍを超えると、一部の担持成分を担持する際に不都合が生じ易くなる傾向にある。

また、担持成分の担持量の低減を防止する観点から、本発明にかかるカーボン多孔体の平均細孔径は担持成分の分子径以上であることが好ましく、担持成分の分子径の１〜１．２５倍程度であることがより好ましい。本発明にかかるカーボン多孔体の平均細孔径が、前述のような大きさであると、担持成分がその分子径に合わせた細孔内に固定されることから、熱により担持成分が失活する際に生じてしまう構造変化を細孔外壁が抑制するため、担持成分の失活を防ぐことができ、熱的安定性が向上する傾向にある。

また、本発明にかかるカーボン多孔体としては、細孔径分布領域が２ｎｍ〜１００ｎｍの範囲における全細孔容量を基準として、平均細孔径の±２５％の範囲における細孔容量が６０％以上であるものが好ましい。細孔径の均一性がこれより悪いと酸化還元酵素等の担持成分の担持に最適な細孔径以外の細孔の成分が多くなり、酸化還元酵素の安定性及び活性が十分に向上しない傾向にある。

また、本発明にかかるカーボン多孔体の比表面積は、１００ｍ^２／ｇ以上であることが好ましく、５００〜１０００ｍ^２／ｇであることが更に好ましい。カーボン多孔体の比表面積が１００ｍ^２／ｇ未満の場合には、担持成分との接触面積の低下及び担持成分を取り込む細孔の減少が生じ、吸着性が低いものとなってしまう傾向にある。

さらに、本発明にかかるカーボン多孔体の細孔容量は、上記比表面積及び平均細孔径によっても変動するため特に制限されないが、０．１〜５０ｍｌ／ｇであることが好ましく、０．２〜２．５ｍｌ／ｇであることがより好ましい。

また、担持成分の担持量の低減を防止する観点から、本発明にかかるカーボン多孔体のカーボン多孔体の細孔のうちの前記酸化還元酵素の分子径以上の細孔径を有する細孔の全容量が、担持された前記酸化還元酵素の全体積以上であることが好ましい。

本発明にかかるカーボン多孔体の比表面積、平均細孔径及び細孔容量は、以下に述べる方法により求めることができる。すなわち、カーボン多孔体を所定の容器に入れて液体窒素温度（−１９６℃）に冷却し、容器内に窒素ガスを導入して定容量法又は重量法によりその吸着量を求める。次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットして窒素吸着等温線を得る。この窒素吸着等温線を用い、ＳＰＥ（Subtracting Pore Effect）法により比表面積、平均細孔径及び細孔容量を算出することができる（K.Kaneko, C.Ishii, M.Ruike, H.Kuwabara, Carbon 30, 1075, 1986）。上記ＳＰＥ法とは、α_Ｓ−プロット法、ｔ−プロット法等によってミクロ細孔解析を行い、ミクロ細孔の強いポテンシャル場の効果を取り除いて比表面積等を算出する方法であり、ミクロ細孔性多孔体の比表面積等の算出においてＢＥＴ法よりも精度の高い方法である。

また、前記メソポーラスカーボン粒子とは、２〜１００ｎｍの細孔径分布における細孔容量の全体を基準として、２〜１０ｎｍの細孔径分布における細孔容量が８０％以上であり、粒子内にメソ細孔を有するカーボン粒子である。なお、このような細孔径分布を測定する方法としてはＸＲＤ及び窒素吸着法により測定する方法が挙げられる。

このようなメソポーラスカーボン粒子を製造する方法は特に限定されず、例えば、以下のような方法を採用することができる。すなわち、シリカ、チタニア等の多孔質粒子に対して、ショ糖、フルフリルアルコール等の有機分子を吸着、含浸させた後に、不活性雰囲気下で炭素化する。その後、フッ酸や、ＮａＯＨ／ＥｔＯＨ等によりシリカ等の鋳型となった粒子を溶解、除去することでシリカ等の多孔質粒子を鋳型とするメソポーラスカーボン粒子が製造できる。例えば鋳型となる多孔質粒子としては、シリカメソ多孔体のＭＣＭ−４８が使用できる。

また、前記カーボンゲルとは、以下の（i）〜（ii）の条件を満たすものである。
（i）Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）において、スキャン領域２θ＝０．５〜１０°（ＣｕＫ_α線
）においてＸ線回折ピークが認められない。
（ii）吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、分布ピークトップの細孔径値が
１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の範囲に存在する場合には前記細孔径値（ｄ）に対してｄ±２ｎｍの細孔径領域に全細孔容量の６０％以上が含まれており、また分布ピークトップの細孔径値が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲に存在する場合には該細孔径値（Ｄ）に対して（０．７５×Ｄ）〜（１．２５×Ｄ）ｎｍの細孔径領域に全細孔容量の６０％以上が含まれる。

ここで、Ｘ線回折ピークは、そのピーク角度に相当するｄ値の周期構造が試料中にあることを意味する。したがって、スキャン領域２θ＝０．５〜１０°（ＣｕＫ_α線）において１本以上のピークが認められる炭素系多孔体は、細孔が０．９〜１７．７ｎｍの周期で規則的に配列している、いわゆるメソポーラスカーボン（ＭＰＣ）である。そして、担体がこのようなメソポーラスカーボンの場合、担持される成分に対する安定性及び活性化の十分な向上が達成されない傾向にある。

前記カーボンゲルは、スキャン領域２θ＝０．５〜１０°（ＣｕＫ_α線）においてＸ線回折ピークが認められないものであり、その細孔が周期的配列構造を有しておらず、相互に連結した３次元的ネットワーク構造を有している。このようなカーボンゲルを担体として用いることにより、その理由は定かではないが、担持成分に対する安定性及び活性化が驚くべきことに向上する。

なお、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）においてバックグラウンドノイズ強度に対するピーク強度の比が３未満のものはＸ線回折ピークと認めない。すなわち、「スキャン領域２θ＝０．５〜１０°（ＣｕＫ_α線）においてＸ線回折ピークが認められない」とは、スキャン領域２θ＝０．５〜１０°（ＣｕＫ_α線）において、バックグラウンドノイズ強度に対するピーク強度の比が３以上のＸ線回折ピークは１本も観測されないことをいう。

また、前記カーボンゲルは、前記一次粒子からなる凝集体であり、吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、（ii−１）分布ピークトップの細孔径値が１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の範囲に存在する場合には該細孔径値（ｄ）に対してｄ±２ｎｍの細孔径領域に全細孔容量の６０％以上が含まれており、また、（ii−２）分布ピークトップの細孔径値が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲に存在する場合には前記細孔径値（Ｄ）に対して（０．７５×Ｄ）〜（１．２５×Ｄ）ｎｍの細孔径領域に全細孔容量の６０％以上が含まれるものである。細孔径の均一性がこれより悪いと、酵素等の担持に最適な細孔径以外の細孔の成分が多くなり、得られる効果が低減する。

さらに、前記カーボンゲルの前記分布ピークトップの細孔径値は１〜２０ｎｍであることが好ましい。カーボンゲルの前記細孔径値が１ｎｍ未満では、細孔の大きさが担持成分の大きさよりも小さくなることが多くなり、吸着性が低下してしまい、他方、５０ｎｍを超えると、比表面積の低下を招き、吸着性が低下してしまう。また、カーボンゲルの前記細孔径値が２０ｎｍを超えると、担持成分を担持する際に不都合が生じ易くなる傾向にある。

また、前記カーボンゲルとしては、平均粒径が２〜５０ｎｍの一次粒子からなるものが好ましく、より好ましくは平均粒径が４〜２０ｎｍの一次粒子からなるものである。カーボンゲルを構成する一次粒子の平均粒径が２ｎｍ未満では、細孔の大きさが担持成分の大きさよりも小さくなることが多くなり、吸着性が低下してしまい、他方、５０ｎｍを超えると、比表面積の低下を招き、吸着性が低下してしまう。

このようなカーボンゲルを製造する方法は特に制限されず、従来公知の方法を採用して適宜製造することが可能である。このようなカーボンゲルの製造方法としては、例えば、以下に説明する方法が挙げられる。

すなわち、先ず、例えば、文献（Ｒ．Ｗ．Ｐｅｋａｌａ，Ｃ．Ｔ．Ａｌｖｉｓｏ，Ｆ．Ｍ．Ｋｏｎｇ，ａｎｄＳ．Ｓ．Ｈｕｌｓｅｙ，Ｊ．Ｎｏｎ−ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌｉｄｓｖｏｌ．１４５，ｐ．９０（１９９２年））に記載の方法に準じて有機ゲルを合成する。すなわち、レゾルシノール等のフェノール類とホルムアルデヒド等のアルデヒド類をアルカリ触媒又は酸触媒の存在下で反応させ、熟成させてフェノール樹脂からなる有機ゲルを得る。次に、得られた有機ゲルを乾燥させた後、不活性雰囲気下で焼成して炭素化せしめることにより、カーボンゲルを得ることが可能である。

（酸化還元酵素）
本発明にかかる酸化還元酵素は、本発明の電極材料を正極側の材料として用いるか、あるいは負極側の材料として用いるかによって、それに見合う好適な酵素を適宜選択して用いる。

本発明の電極材料を正極側の材料として用いる場合には、本発明にかかる酸化還元酵素は反応により電子を受け取ることができる酵素であれば特に制限されず、プロトンと酸素を基質に水を生ずる反応を触媒することが可能なラッカーゼやビリルビンオキシダーゼが特に好ましい。

一方、本発明の電極材料を負極側の材料として用いる場合には、本発明にかかる酸化還元酵素は反応により電子を放出できる酵素であれば特に制限されず、アルコールを酸化して電子を放出する反応を触媒することが可能なアルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドやギ酸を酸化するアルデヒドデヒドロゲナーゼやギ酸デヒドロゲナーゼ等を挙げることができる。また、このような負極側の電極材料に用いられる酸化還元酵素としては、電子を供給する原料に応じて対応するオキシダーゼやデヒドロゲナーゼ等の酸化酵素を利用でき、具体的には、アルコールを原料とするアルコールオキシダーゼ、ギ酸などの有機酸を原料とする有機酸デヒドロゲナーゼ、糖を原料とするグルコースオキシダーゼやグルコースデヒドロゲナーゼ等の糖オキシダーゼや糖デヒドロゲナーゼが好適である。更には、水素を原料とするヒドロゲナーゼも好適に用いることができる。

（電極材料）
上述のように、本発明の電極材料は、カーボン多孔体と、前記カーボン多孔体に担持された酸化還元酵素とを備えるものである。

本発明の電極材料において、カーボン多孔体に担持されている酸化還元酵素の量は、酵素活性が示されれば特に制限されないが、得られる電極材料において酸化還元酵素が十分な活性を示すようになるという観点から、カーボン多孔体１００質量部に対して酸化還元酵素の担持量が０．０１〜８０質量部程度であることが好ましい。

また、カーボン多孔体に酸化還元酵素を担持せしめて本発明の電極材料を得る方法も特に制限されず、昇華法、含浸法等の方法を採用することが可能であるが、以下の含浸法がより好適である。すなわち、先ず、酸化還元酵素を沈殿が生じない濃度（好ましくは０．１ｍｇ／ｍｌ〜１０００ｍｇ／ｍｌ）となるように水又は緩衝液に溶解させる。そして、その溶液が凍結することなく、また酸化還元酵素が変性することのない温度（好ましくは０℃〜５０℃）でカーボン多孔体を懸濁させて、少なくとも５分以上、好ましくは３０分以上酸化還元酵素とカーボン多孔体とを接触させることによりカーボン多孔体の細孔内に酸化還元酵素が固定化されて本発明の電極材料が得られる。

上記溶液にカーボン多孔体を懸濁させる際の濃度は特に制限されないが、０．１〜１０００ｍｇ／ｍｌ程度とすることが好ましい。また、上記担持工程の後に、更に、遠心分離等を行ってカーボン多孔体複合材料を溶液と分離して取り出す工程を有していてもよく、また、乾燥等を行って液体成分を除去した状態のカーボン多孔体複合材料を得る工程を有していてもよい。

また、本発明の電極材料は、前記カーボン多孔体に担持された電子伝達物質を更に備えることが好ましい。前記カーボン多孔体に酸化還元酵素に加えて電子伝達物質を更に担持させることで、電子伝達物質と酸化還元酵素とが相俟って、より効率的な電子伝導が可能となる傾向にある。このような電子伝達物質としては、チトクロームＣ、フェレドキシン等の電子伝達タンパク質、オスミウム（Ｏｓ）錯体、ルテニウム（Ｒｕ）錯体等の金属錯体、電子伝達機能を有する有機化合物等が挙げられる。なお、本発明の電極材料においては、前記カーボン多孔体に担持させる電子伝達物質の量が酸化還元酵素の量よりも過剰であることが好ましい。

また、カーボン多孔体に電子伝達物質を担持せしめる方法としては、前述のようなカーボン多孔体に酸化還元酵素を担持せしめる方法と同様の方法を採用することができる。また、カーボン多孔体に電子伝達物質と酸化還元酵素とを同時に担持させてもよい。

また、本発明の電極材料においては、前記カーボン多孔体が細孔を有し、前記酸化還元酵素のうちの少なくとも一部が前記細孔内に担持されていることが好ましい。このようなカーボン多孔体の細孔内に担持させる酸化還元酵素の量は特に制限されず、目的とする電極材料の設計に応じて適宜調整することができ、所望の発電に必要な量とすることが好ましい。

次に、本発明のエネルギー変換デバイスについて説明する。すなわち、本発明のエネルギー変換デバイスは、上記本発明の電極材料を備えることを特徴とするものである。このようなエネルギー変換デバイスとしては、バイオセンサー、燃料電池、太陽電池等が挙げられる。

このようなバイオセンサーとしては、例えば、生体成分等の検出を行うための検出部に上記本発明の電極材料を備えるものが挙げられる。このように、バイオセンサーに上記本発明の電極材料を備えることで、酵素と電極間の電子移動が効率的に行なわれるため高感度のセンシングが可能となる。また、このようなバイオセンサーの製造方法は特に制限されず、公知の製造方法を適宜採用することができる。なお、前記生体成分とは、一般に生体の範疇に含まれる生物そのもの及びこれらを構成しているあらゆる組織や細胞のことを意味し、更には、そのようなものを原料として製造、加工された食品等についても生体成分に含まれるものとする。また、このようなバイオセンサーとしては、検出したい生体中の成分に合わせて、上記本発明の電極材料中に含有される酸化還元酵素を選択すればよい。

また、前記燃料電池又は前記太陽電池としては、例えば、前記燃料電池用又は前記太陽電池用の電極に上記本発明の電極材料を備えるものが挙げられる。

このような燃料電池用又は前記太陽電池用の電極は、例えば、上記本発明の電極材料を所定の形状を有する電極用の芯材の表面に修飾させて得ることができる。また、このような芯材としては特に制限されず、燃料電池や太陽電池の電極に用いることができる種々の材料を用いることができる。また、芯材の表面に本発明の電極材料を修飾させて電極を得る方法は特に制限されないが、例えば、本発明の電極材料を有機溶剤に分散させて得られる懸濁液を、前記芯材の表面に塗布して芯材の表面に本発明の電極材料を修飾させて方法や、前記芯材の表面にカーボン多孔体を懸濁させた溶液を塗布し、前記芯材の表面にカーボン多孔体を修飾させた後、そのカーボン多孔体に酸化還元酵素を担持させて電極を製造する方法等を挙げることができる。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（合成例１〜５：カーボンゲルの合成）
先ず、文献（Ｒ．Ｗ．Ｐｅｋａｌａ，Ｃ．Ｔ．Ａｌｖｉｓｏ，Ｆ．Ｍ．Ｋｏｎｇ，ａｎｄＳ．Ｓ．Ｈｕｌｓｅｙ，Ｊ．Ｎｏｎ−ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌｉｄｓｖｏｌ．１４５，ｐ．９０（１９９２年））に記載の方法に準じて有機ゲルの合成を行った。すなわち、レゾルシノール５．５ｇ（和光純薬）及び炭酸ナトリウム２６．５ｍｇ（和光純薬）を蒸留水１６．９ｇに溶解し、その後３７％ホルムアルデヒド水溶液８．１ｇ（和光純薬）を加え、攪拌混合した。混合溶液は薄黄色透明となった。なお、各成分のモル比は以下の通りである。
レゾルシノール：炭酸ナトリウム：ホルムアルデヒド＝２００：１：４００
次いで、上記のようにして調製した溶液を更に水で希釈することにより、細孔径の制御しつつ有機ゲルを得た。すなわち、上記のようにして調製した原液を体積比で０．１から３倍（体積比）に希釈した溶液を調製し（合成例１：希釈倍率０．１倍、合成例２：希釈倍率０．５倍、合成例３：希釈倍率１倍、合成例４：希釈倍率３倍、合成例５：希釈倍率２倍）、これらの溶液をバイアル瓶に入れて密栓し、室温で２４時間、５０℃で２４時間、更に９０℃で７２時間静置することで、水和された有機ゲルを得た。

次に、得られた有機ゲルを、以下のようにして乾燥せしめた。すなわち、先ず、有機ゲル中の水分を除去するために交換溶媒であるアセトン（和光純薬）中に水和された有機ゲルを浸漬した。有機ゲル中の水分がアセトン中に拡散することで、ゲル中の水分は完全にアセトンに置換された。この際、置換溶媒であるアセトンを数度にわたり、新品と交換することにより、さらに水分の置換率が向上した。続いて、浸漬溶媒をｎ−ペンタン（和光純薬）に変更し、上記と同様にして有機ゲル中のアセトンがｎ−ペンタンに完全に入れ替わるまで、溶媒交換−浸漬を繰り返した。そして、ｎ−ペンタンに溶媒置換された有機ゲルを風乾することで、乾燥有機ゲルを得た。

次いで、得られた乾燥有機ゲルを、以下のようにして炭素化せしめてカーボンゲルを得た。すなわち、乾燥有機ゲルを窒素気流下（流量３００ｍｌ／ｍｉｎ）、１０００℃で加熱することで、ゲルの炭素化を行った。加熱時間は６時間とした。

＜Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）＞
合成例１〜５で得られたカーボンゲル及び比較合成例１で得られたメソポーラスカーボンについてX線回折を測定したところ、合成例１〜５で得られたカーボンゲルにおいてはスキャン領域２θ＝０．５〜１０°（ＣｕＫ_α線）におけるＸ線回折ピークは確認されなかった。このことから、合成例１〜５で得られたカーボンゲルにおいては細孔が周期的配列構造を有しておらず、細孔が相互連結した構造になっており、３次元的なネットワーク構造を有していることが確認された。

＜細孔径分布等の測定＞
合成例１〜５で得られたカーボンゲルについて窒素吸着測定を行い、得られた窒素吸着等温線に基づいてカーボンゲルの細孔径分布を求めた。その結果、合成例１〜５で得られたカーボンゲルの細孔径は２〜約４０ｎｍの範囲のみに分布しており、平均細孔径の±２５％の範囲における細孔容量が６０％以上であり、且つ平均細孔径の±２ｎｍの範囲に全細孔容量の６０％以上が含まれていることが確認され、その分布形状から均一性の高い細孔を有していることが確認された。また、合成例１〜５で得られたカーボンゲルの平均細孔径は表１に示す通りであった。

（実施例１〜４）
合成例１〜４で得られたカーボンゲルを用いて、本発明の電極材料を製造した。すなわち、先ず、酵素としてビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）を蒸留水に溶解し、０．７ｍｇ／ｍｌの酵素溶液を調整した。次に、各カーボンゲル１２．５ｍｇに、それぞれ酵素溶液０．５ｍｌを加え、４℃の温度条件下において緩やかに一晩混和して前記酵素を各カーボンゲルに固定化した。その後、酵素を固定したカーボンゲルを遠心分離により酵素溶液から分離、回収し、５ｍｌの蒸留水で３回洗浄を繰り返して本発明の電極材料（実施例１：合成例１で得られたカーボンゲルを使用、実施例２：合成例２で得られたカーボンゲルを使用、実施例３：合成例３で得られたカーボンゲルを使用、実施例４：合成例４で得られたカーボンゲルを使用）を得た。

＜酵素の固定化量の測定＞
固定化された酵素量を、固定化前後の酵素溶液中の酵素量を２８０ｎｍの吸光度により求め、カーボンゲルに固定化された酵素量を算出した。酵素の分子量から推定される酵素の分子径（ＢＯＤ：６．４ｎｍ）より大きな平均細孔径を有する実施例２〜４で得られた電極材料においては、添加したほぼ全量の酵素が固定化されていることが確認された。

＜固定化された酵素の熱安定性試験＞
実施例２〜４で得られた電極材料を用いて、カーボン多孔体に固定化されたＢＯＤの熱安定性を評価した。１２．５ｍｇの各電極材料を、それぞれ１ｍｌの５０ｍＭリン酸緩衝（ｐＨ７．５）に懸濁し、６０℃で所定時間（５〜６０分）熱処理した後、氷中で十分冷却し、その後、遠心分離により各電極材料を回収した。

次に、回収された各電極材料に、基質溶液（２．５ｍＭフェロシアン化ナトリウム、５０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７．５）、酸素飽和）を２．５ｍｌ添加し、３７℃で２５分間撹拌した後、冷却し、上清の４２０ｎｍの吸光度を測定することにより残存活性（加熱処理前の活性を１００％とする相対活性）を求めた。得られた結果を表２に示す。

表２の結果からも明らかなように、実施例２〜４で得られたいずれの電極材料も十分な熱安定性があることが確認された。また、酵素分子の大きさにあった細孔を有する合成例２及び合成例３で得られたカーボンゲルに酵素を固定化した電極材料（実施例２〜３）においては、固定化された酵素の熱安定性がより高いものとなることが確認された。

（実施例５）
先ず、合成例２で得られたカーボンゲル２０ｍｇを、１０％ポリビニルジフルオリドを含有するｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に懸濁させた懸濁液を得た。次に、φ６／φ３グラッシーカーボン（ＧＣ）筒型電極の表面に前記懸濁液を１０μｌずつ３回スピンコート（１５００ｒｐｍ）してカーボン多孔体修飾電極を得た。次いで、得られたカーボン多孔体修飾電極を５μＭ酵素（ＢＯＤ）水溶液に４℃の温度条件下で一晩浸漬した後、ＭｉｌｌｉＱ水で３回洗浄して、電極表面に修飾されたカーボン多孔体（カーボンゲル）にＢＯＤを固定化せしめ、電極の表面において本発明の電極材料を製造し、本発明の電極材料が表面に修飾された電極を得た。

（実施例６）
５μＭ酵素（ＢＯＤ）水溶液の代わりに５μＭアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）水溶液を用いた以外は実施例５と同様にして、電極表面に修飾されたカーボン多孔体（カーボンゲル）にＡＤＨを固定化せしめ、電極の表面において本発明の電極材料を製造し、本発明の電極材料が表面に修飾された電極を得た。

（比較例１）
また、５μＭ酵素（ＢＯＤ）水溶液の代わりに５μＭ電子伝達タンパク質（チトクロームＣ）水溶液を用いた以外は実施例５と同様にして、電極表面に修飾されたカーボン多孔体（カーボンゲル）にチトクロームＣを固定化せしめ、電極表面において、カーボンゲルにチトクロームＣを担持させた比較のための電極材料を製造し、比較のための電極材料が表面に修飾された電極を得た。

＜電極の電気特性試験＞
実施例５及び比較例１で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用い、酸素あるいはアルゴン飽和した０．１Ｍリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を電解質として、サイクリックボルタムグラム法（実施例５：電位０〜６００ｍＶとの間で電位掃引（掃引速度２０ｍＶ／秒）、比較例１：電位０〜６００ｍＶとの間で電位掃引（掃引速度２０ｍＶ／秒））により各電極の電気特性を測定した。実施例５で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用いて得られたサイクリックボルタムグラムを図１に示し、比較例１で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用いて得られたサイクリックボルタムグラムを図２に示す。

図１に示すサイクリックボルタムグラムからも明らかなように、カーボンゲルにＢＯＤを固定化した本発明の電極材料（実施例５）を表面に修飾させた電極においては、酵素の基質となる酸素が存在しないときには還元電流は観測されないが、酸素の存在下においては還元電流が観測された。このような結果から、本発明の電極材料（実施例５）においては、酵素と電極との間に直接電子移動が起きて還元電流が効率よく流れることが確認された。

一方、図２に示すサイクリックボルタムグラムからも明らかなように、カーボンゲルにチトクロームＣを固定化した比較のための電極材料（比較例１）を表面に修飾させた電極においては、酸素の存在下においても還元電流は観測されなかった。このような結果から、比較のための電極材料（比較例１）においては、基質となる酸素と反応する酵素が存在しないため、電子伝達タンパク質のみでは還元電流が流れないことが確認された。

次に、実施例６で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用い、１％アルコールを含有する０．１Mリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）或いはアルコールを含有しない０．１Mリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を電解質として、サイクリックボルタムグラム法により電気特性を測定した。

測定の結果、１％アルコールを含有する０．１Mリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を電解質とした場合には特徴的な酸化電流が観測された。一方、アルコールを含有しない０．１Mリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を電解質とした場合には電流が認められなかった。このような結果から、本発明の電極材料（実施例６）においては、酵素と電極との間に直接電子移動が起きて酸化電流が効率よく流れることが確認された。

（実施例７）
先ず、合成例５で得られたカーボンゲル１０ｍｇを、０．１％ポリビニルジフルオリドを含有するｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）２０μｌに懸濁させた懸濁液を得た。次に、直径５ｍｍのＱＣＭ電極の表面に前記懸濁液１μｌを塗布し、６０℃で乾燥して、ＰＶＤＦをバインダーとしたカーボン多孔体修飾電極を得た。次いで、得られたカーボン多孔体修飾電極を５μＭ酵素（ＢＯＤ）水溶液に４℃の温度条件下で一晩浸漬した後、ＭｉｌｌｉＱ水で３回洗浄して、電極表面に修飾されたカーボン多孔体（カーボンゲル）にＢＯＤを固定化せしめ、電極の表面において本発明の電極材料を製造し、本発明の電極材料が表面に修飾された電極を得た。

（比較例２）
合成例５で得られたカーボンゲル１０ｍｇの代わりに、カーボンブラック（ケッチェンブラック）を用いた以外は実施例７と同様にして比較としての電極を得た。

＜電極の電気特性試験＞
実施例７及び比較例２で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用い、電解質として５０ｍＭリン酸バッファー（ｐＨ７．０）を用いて、電解質溶液を静止あるいは撹拌しながらサイクリックボルタムグラム法（電位０〜６００ｍＶとの間で電位掃引（掃引速度２０ｍＶ／秒））により各電極の電気特性を測定した。得られたサイクリックボルタムグラムを図３に示し、図３に示すサイクリックボルタグラムの電流−２００〜１００μＡの範囲を拡大して示すサイクリックボルタグラムを図４に示す。

図３及び図４に示すサイクリックボルタムグラムからも明らかなように、静止状態における酸化電流は、カーボンゲルを用いて実施例７で得られた電極がカーボンブラックを用いて比較例２で得られた電極の約３倍であることが確認された。また、カーボンブラックを用いて比較例２で得られた電極においては攪拌しても電流値は変わらなかったのに対して、カーボンゲルを用いて実施例７で得られた電極においては、電解質溶液を攪拌して反応基質となる溶存酸素量を増やすことによって、更に大きな酸化電流が流れ、比較例２で得られた電極の約１０倍の酸化電流が流れることが確認された。

このような結果から、カーボンブラックを用いて得られた電極（比較例２）においては、酵素と電極担体との間の電子移動が反応律速となっているのに対して、カーボンゲルを用いて得られた電極（実施例７）においては、反応基質の物質移動が反応律速となっていると考えられ、電極材料にカーボン多孔体としてカーボンゲルを利用することで、より効率的に酵素と電極間の電子移動が成し遂げられることが確認された。

以上説明したように、本発明によれば、担持成分の十分な安定性と優れた活性とを得ることができ、担体と担持成分との間の効率的な電子伝導が可能な電極材料を提供することが可能となる。

したがって、本発明の電極材料は、燃料電池の電極に用いる材料等として有用である。

実施例５で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用いて得られたサイクリックボルタムグラムである。比較例１で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用いて得られたサイクリックボルタムグラムである。実施例７及び比較例２で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用いて得られたサイクリックボルタムグラムである。図３に示すサイクリックボルタグラムの電流−２００〜１００μＡの範囲を拡大して示すサイクリックボルタムグラムである。

Claims

カーボン多孔体と、前記カーボン多孔体に担持された酸化還元酵素とを備え、
前記カーボン多孔体が、比表面積が１００ｍ ^２／ｇ以上であり、細孔径分布領域が２ｎｍ〜１００ｎｍの範囲における全細孔容量を基準として、平均細孔径の±２５％の範囲における細孔容量が６０％以上のものであること、及び、
前記カーボン多孔体が、スキャン領域２θ＝０．５〜１０°（ＣｕＫ _α 線）においてＸ線回折ピークが認められず、吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、分布ピークトップの細孔径値が２ｎｍ以上１０ｎｍ未満の範囲に存在する場合には該細孔径値（ｄ）に対してｄ±２ｎｍの細孔径領域に全細孔容量の６０％以上が含まれており、また分布ピークトップの細孔径値が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲に存在する場合には該細孔径値（Ｄ）に対して（０．７５×Ｄ）〜（１．２５×Ｄ）ｎｍの細孔径領域に全細孔容量の６０％以上が含まれるカーボンゲルであること、
を特徴とする電極材料。
前記カーボン多孔体に担持された電子伝達物質を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電極材料。
前記カーボン多孔体が細孔を有し、前記酸化還元酵素のうちの少なくとも一部が前記細孔内に担持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電極材料。
請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の電極材料を備えることを特徴とするエネルギー変換デバイス。