JP5653292B2

JP5653292B2 - 炭素を基体とする電極材料、これを使用した燃料電池、水素の電解製造方法及び炭素を基体とする電極材料の製造方法

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Publication number: JP5653292B2
Application number: JP2011112598A
Authority: JP
Inventors: 内山　俊一; 俊一内山
Original assignee: 内山　俊一; 俊一内山
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: JP2012240886A

Description

本発明は、炭素を基体とする電極材料、これを使用した燃料電池、水素の電解製造方法及び炭素を基体とする電極材料の製造方法に関する。

従来より、導電性炭素材料は、電池用電極、電気化学センサ用電極等として広く用いられている。しかし、その触媒活性能は必ずしも満足できるものではなく（非特許文献１参照）、水素の酸化還元を促進するために触媒担持等の技術が開発されている。

例えば、下記特許文献１には、白金等の金属微粒子が多孔質炭素膜の細孔表面壁に分散担持された燃料電池用電極が開示されている。

特開２００４−３３５４５９号公報

「燃料電池の電極触媒」荒又明子ｐ．１１４北海道大学図書刊行会（２００５）

しかし、上記従来の技術においては、高価な白金を触媒として使用するので、コストが高くなるという問題があった。そこで、白金等の高価な触媒金属を使用しなくても電極の酸化還元特性を維持、向上できれば上記問題は解決する。

本発明の目的は、白金等の触媒金属を使用せずに水素の酸化還元及び酸素の貴電位における還元を行うことができる炭素を基体とする電極材料、これを使用した燃料電池、水素の電解製造方法及び炭素を基体とする電極材料の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、炭素を基体とする電極材料であって、ジアゾ基、アゾ基またはヒドラジノ基が表面に結合したことを特徴とする。

また、上記炭素を基体とする電極材料の表面には、ジアゾ基と、スルホン酸基を含む電子吸引性基とが結合していることを特徴とする。

また、本発明の他の実施形態は、燃料電池であって、上記炭素を基体とする電極材料を使用したことを特徴とする。

また、本発明のさらに他の実施形態は、水素の電解製造方法であって、上記炭素を基体とする電極材料を少なくとも陰極に使用したことを特徴とする。

また、本発明のさらに他の実施形態は、炭素を基体とする電極材料の製造方法であって、炭素材料の表面に含窒素官能基を共有結合させ、前記表面に含窒素官能基を共有結合させた炭素材料を強酸中で電解還元処理し、前記電解還元処理後の炭素材料を、亜硝酸ナトリウムを溶解した硫酸中で反応させ、再度強酸中で電解還元処理する、ことを特徴とする。

本発明によれば、白金等の触媒金属を使用せずに水素の酸化還元及び酸素の貴電位における還元を行うことができる炭素を基体とする電極材料及びこれを使用した燃料電池並びに水素の電解製造方法を得ることができる。

カルバミン酸アンモニウム水溶液の電解酸化装置の構成例を示す図である。アミノ基が結合した炭素を基体とする電極材料を強酸水溶液中で電解改質する装置の構成例を示す図である。実施例１、２で作製した電極材料（ＩＩ）及び電極材料（ＩＩＩ）で測定した１Ｍ硫酸水溶液のサイクリックボルタモグラムを示す図である。実施例１の手順（１）で得たアミノ基及びジアゾ基が結合した炭素材料、及び実施例１の手順（２）で得た電極材料（ＩＩ）の窒素原子のＸＰＳスペクトルを示す図である。電極材料（ＩＩ）のイオウ原子のＸＰＳスペクトルを示す図である。実施例１の手順（１）で得たアミノ基及びジアゾ基が結合した炭素材料、及び実施例１の手順（２）で得た電極材料（ＩＩ）の酸素原子のＸＰＳスペクトルを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を説明する。

本実施形態では、炭素材料の表面の炭素原子に、アミノ基、ジアゾ基等の含窒素官能基を共有結合させ、表面に含窒素官能基を共有結合させた炭素材料を強酸中で電解還元処理することにより、ジアゾ基、アゾ基またはヒドラジノ基が表面に結合した炭素を基体とする電極材料を得る。また、炭素材料の表面に存在するジアゾ基は、スルホン酸基を含む電子吸引性基とイオン対を形成して安定化するので、これらの電子吸引性基を上記炭素材料の表面に結合させるのが好適である。

これにより、白金等の触媒金属を使用せずに水素の酸化還元及び酸素の貴電位における還元を行うことができる炭素を基体とする電極材料を得ることができる。また、この電極材料は、燃料電池、水の電気分解等に使用することができる。

また、本実施形態の炭素材料は、電極材料として必要な導電性を有するものであり、黒鉛等が好ましい。例えば、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンフェルト、プラスチック成型カーボンまたはダイヤモンド電極等を使用することができる。

アミノ基及びジアゾ基を炭素材料の表面の炭素原子に共有結合させるには、炭素材料を電極として例えばカルバミン酸を含む水溶液を電解酸化することによりカルバミン酸を炭素材料の表面の炭素原子に直接共有結合させ、その後脱炭酸してアミノ基、および電解で発生したカルバミン酸ラジカルがこのアミノ基に結合してさらに脱炭酸して生成したジアゾ基を炭素材料の表面の炭素原子に共有結合で直接導入する方法が好適である。上記カルバミン酸を含む水溶液としては、カルバミン酸アンモニウム、炭酸アンモニウムまたは炭酸水素アンモニウムを好適に使用することができる。

以上のようにしてアミノ基及びジアゾ基を炭素材料の表面の炭素原子に直接共有結合させた例が以下に示される。

なお、上記構造式（化１）では、炭素材料の一部の構造が示されており、炭素原子の六角形格子構造の数並びにアミノ基及びジアゾ基の数は、上記構造式（化１）のものに限定されない。

次に、上記表面に含窒素官能基（アミノ基及びジアゾ基）を共有結合させた炭素材料を強酸中で電解還元処理する。この場合の強酸としては、硫酸水溶液等を使用することができる。これにより、炭素材料の表面の炭素原子に、スルホン酸基を含む電子吸引性基が共有結合することにより導入される。

以下に、アミノ基及びジアゾ基が表面に結合した炭素材料を硫酸水溶液中で電解還元処理し、スルホン酸基を導入する場合の反応が示される。

上記反応においては、アミノ基及びジアゾ基が表面に結合した炭素材料を硫酸水溶液中で電解還元することにより、ジアゾ基が還元されて電子供与性のヒドラジノ基となる。また、その際にＨ_２ＳＯ_４（硫酸）がＨＳＯ_３ ^＋とＯＨ⁻に開裂してできたＨＳＯ_３ ^＋イオンが、ヒドラジノ基に対してオルト位の電子リッチな炭素原子（Ｃ⁻）を攻撃した結果、スルホン酸基が導入される。このようにして、表面に含窒素官能基（アミノ基またはヒドラジノ基）及びスルホン酸基を共有結合させた電極材料（Ｉ）が生成される。この電極材料（Ｉ）が、本実施形態にかかる炭素を基体とする電極材料の一例であり、構造式が以下に示される。

上記電極材料（Ｉ）は、表面の炭素原子にヒドラジノ基が結合している。また、表面の炭素原子にはスルホン酸基（ＳＯ_３ ⁻）も結合している。

上記電極材料（Ｉ）は、空気中で酸化され、以下に示される電極材料（ＩＩ）となる。

上記電極材料（ＩＩ）が、本実施形態にかかる炭素を基体とする電極材料の他の例である。上記電極材料（ＩＩ）は、表面の炭素原子にヒドラジノ基が酸化されたジアゾ基が結合している。また、表面の炭素原子にはスルホン酸基（ＳＯ_３ ⁻）も結合しており、ジアゾ基とスルホン酸基とがイオン対を形成して安定化し、ジアゾ基が脱窒素して減少するのを防いでいる。なお、ヒドラジノ基とアゾ基はジアゾ基と異なって電解や酸素によって酸化または還元をされなければ安定である。下記構造式中のジアゾ基はアゾ基であってもよい。

また、上記電極材料（ＩＩ）を、亜硝酸ナトリウムを溶解した硫酸中で反応させると、電極材料（ＩＩＩ）が生成する。

電極材料（ＩＩＩ）も、本実施形態にかかる炭素を基体とする電極材料の例である。電極材料（ＩＩＩ）では、表面の炭素原子に結合していたアミノ基がジアゾ基に変化しており、ジアゾ基の数が電極材料（ＩＩ）よりも増加している。これにより、水素の酸化還元波が大きく増大するとともに、酸素還元波が卑方向にシフトする。この結果、水素の酸化還元及び酸素の還元の電子移動触媒サイトとしてジアゾ基が働いていると考えられる。なお、後述する実施例３において、酸素還元波の位置は亜硝酸ナトリウムによるジアゾ化により卑方向へシフトしたが、再度硫酸中で同様な電解還元を行ったところ、最初の位置に戻ったので、酸素の還元触媒サイトが有効に働くためには、ジアゾ基の数に対するスルホン酸基の数の比が大きいことが必要である。上記硫酸中での再度の電解還元処理により、ジアゾ基の数に対するスルホン酸基の数の比を大きくすることができる。

以上の様にして製造した本実施形態にかかる炭素を基体とする電極材料は、酸化還元特性等の電極特性が向上されているので、水素の電解製造（水の電気分解）用電極、燃料電池用電極、電気化学センサ、酸素還元触媒電極、バイオセンサ等に使用するのが好適である。水素の電解製造用電極として使用する場合には、少なくとも陰極用に使用することができるが、陰極、陽極の両方に使用してもよい。

次に、本実施形態の上記電極材料（ＩＩ）を水素極及び酸素極に使用した燃料電池の動作原理の一例を説明する。以下の反応機構は、燃料電池の水素極及び酸素極における反応例である。

水素極において、電極材料（ＩＩ）のジアゾ基が電解還元してアゾ基に変化した電極材料（ＩＩａ）のアゾ基が触媒サイトとなり、水素分子がアゾ基の２つの窒素原子に付加してヒドラジノ基に還元され、電極材料（ＩＩｂ）となり、次にヒドラジノ基が電解酸化されて水素イオンが発生し、電極材料（ＩＩａ）に戻る。この際のヒドラジノ基のアゾ基への電解酸化は−０．２Ｖｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ付近で生じる。また、-０．２Ｖｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌより負方向の電位領域ではヒドラジノ基の窒素原子に水素イオンがプロトネーションして電解還元されて水素分子を発生するものと考えられる。

一方、酸素極では、電極材料（ＩＩ）が、強力な電子吸引基であるスルホン酸基がジアゾ基の近くに導入されているので、より高電位である＋０．６Ｖｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ付近で電解還元されアゾ基となり電極材料（ＩＩａ）が生成する。次に、このアゾ基を酸素が酸化してジアゾ基となり、電極材料（ＩＩ）に戻す。これにより、スルホン酸基と静電引力で引き合って安定化した陽イオンのジアゾ基をメディエーターとする酸素還元波が現れる。

以上の結果、酸素の還元波と水素の電解酸化波の電位差は約０．８Ｖとなり、起電力が約０．８Ｖの燃料電池を構成できることがわかる。

以下、本発明の実施例を説明する。ただし、本発明は、以下に述べる実施例に限定されるものではない。

実施例１
（１）以下の手順により、炭素材料の表面の炭素原子に含窒素官能基を共有結合させた。
炭素材料としてカーボンフェルトを選択し、これを作用電極として用いて、０．１Ｍ（モル／リットル）のカルバミン酸アンモニウム水溶液を電解酸化した。

図１には、上記カルバミン酸アンモニウム水溶液の電解酸化装置の構成例が示される。図１において、直径２．５ｃｍ深さ５ｃｍのプラスチック容器１０に電解液として０．１Ｍカルバミン酸アンモニウム水溶液を入れ、作用電極１２としてカーボンフェルト（日本カーボン株式会社製高純度カーボンフェルトＧＦ−２０−３ＦＨ）を略球状として白金線１４の先端に取り付けたもの、対極１６として直径０．５ｍｍの白金線、基準電極１８として銀―塩化銀電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）を用いた３電極法で定電位電解酸化を行った。カルバミン酸アンモニウムはメルク社製特級を用い、純水に溶解して０．１Ｍとした。なお、上記カーボンフェルトとしては、日本カーボン株式会社製工業用カーボンフェルトＧＦ−２０−５Ｆを使用してもよい。

上記定電位電解酸化は、ポテンショスタット／ガルバノスタット（北斗電工製ＨＡ−１５１）をポテンショスタット２０として用い、作用電極１２に、基準電極１８に対して一定電位（１．１Ｖ）を印加して１時間行った。なお、定電位電解中はスターラー２２によりカルバミン酸アンモニウム水溶液を攪拌した。電解酸化処理後、作用電極１２としてのカーボンフェルトを蒸留水で洗浄し、含窒素官能基であるアミノ基及びジアゾ基が結合した炭素材料（上記構造式化１）を作製した。

（２）上記手順（１）で得たアミノ基及びジアゾ基が結合した炭素材料（構造式化１）を、以下の手順により強酸水溶液中で電解改質した。
図２には、アミノ基及びジアゾ基が結合した上記炭素材料を強酸水溶液中で電解改質する装置の構成例が示され、図１と同一要素には同一符号を付している。図２において、プラスチック容器１０に電解液として１Ｍ硫酸水溶液を入れ、上記手順（１）で得たアミノ基及びジアゾ基が結合したカーボンフェルトをカーボンロッド２４の先端に取り付けた作用電極１２、上記手順（１）で使用した対極１６としての白金線及び基準電極１８としての銀―塩化銀電極を用いた３電極法で定電位電解還元を行った。なお、上記カーボンロッド２４としては、筆記具（シャープペンシル）の芯を使用した。また、硫酸水溶液は、和光純薬工業株式会社製の１Ｍ硫酸（容量分析用）を使用した。

上記定電位電解還元は、ポテンショスタット／ガルバノスタット（北斗電工製ＨＡＢ−１５１）をポテンショスタット２０として用い、作用電極１２に、基準電極１８に対して一定電位（−１．０Ｖ）を印加して２０時間行った。なお、定電位電解中はスターラー２２により硫酸水溶液を攪拌した。電解還元処理を続けると、作用電極１２と対極１６との間に流れる電解還元電流が増加して行き、作用電極１２の周囲から水素ガスが、対極１６の周囲から酸素ガスが激しく発生した。これにより、アミノ基及びジアゾ基が表面に結合したカーボンフェルトの表面にスルホン酸基が導入される。また、ジアゾ基はヒドラジノ基となる（化２参照）。

上記電解還元処理後、作用電極１２としてのカーボンフェルトを蒸留水で洗浄し、含窒素官能基であるアミノ基及びヒドラジノ基が結合し、かつ硫酸中で電解改質することによりスルホン酸基を表面の炭素原子に共有結合させた、炭素を基体とする電極材料（上記電極材料（Ｉ））を作製した。

さらに、上記電極材料（Ｉ）は、空気中で以下のように酸化され、ヒドラジノ基がジアゾ基となった電極材料（ＩＩ）となる。

実施例２
実施例１で製造したカーボンフェルト（電極材料（ＩＩ））を、０．０１Ｍ亜硝酸ナトリウムを溶解した１Ｍ硫酸中で２４時間反応させた。これにより、硫酸中において亜硝酸イオンが上記電極材料の表面に結合していた一級アミンと反応してジアゾ基を生成する。この結果、炭素を基体とする電極材料の他の例として上記電極材料（ＩＩＩ）を作製した。

実施例３
実施例１、２で作製した電極材料（ＩＩ）及び電極材料（ＩＩＩ）をそれぞれ電極に使用して１Ｍ硫酸水溶液のサイクリックボルタンメトリーを実施し、サイクリックボルタモグラムを測定した。サイクリックボルタンメトリーは、北斗電工株式会社製 Electrochemical Polarization System ＨＺ−３０００を使用し、以下の条件で行った。

＜サイクリックボルタンメトリーの実施条件＞
１Ｍ硫酸水溶液中に、上記カーボンロッド２４を連結した作用電極１２、白金線の対極１６及び銀―塩化銀の基準電極１８を入れ、＋１．０Ｖから−１．０Ｖの電位範囲で実施した。電位の掃引速度は４０ｍＶ／秒で行い、測定は常温で行った。なお、電位範囲は実験目的によりその都度定めた。

図３には、上記電極材料（ＩＩ）及び電極材料（ＩＩＩ）で測定した１Ｍ硫酸水溶液のサイクリックボルタモグラムが示される。図３では、縦軸が応答電流値であり、横軸が電極材料の電位である。

図３に示される結果から、実施例１の手順（２）において、硫酸水溶液中で電解還元して得た電極材料（ＩＩ）では水素の酸化還元波（水素の酸化波及び水素イオンの還元波）が現れ、酸素の還元波も出現したことが分かる。さらに、実施例２の手順によりアミノ基をジアゾ化して得た電極材料（ＩＩＩ）では、水素の酸化還元波が大きく増大したことが分かる。一方、電極材料（ＩＩＩ）では、酸素還元波が卑方向にシフトした。これより水素の酸化還元と酸素の還元波の電子移動触媒サイトとしてジアゾ基が働いていると考えられる。

実施例４
実施例１の手順（１）で得たアミノ基及びジアゾ基が結合した炭素材料、及び実施例１の手順（２）で得た電極材料（ＩＩ）のＮ_１SのＸ線光電子分光（ＸＰＳ）スペクトルを測定した。

図４には、上記ＸＰＳスペクトルが示される。なお、図４において、横軸は照射したＸ線を基準としたときの光電子のエネルギー、縦軸は観測された光電子の個数である。図４に示されるように、硫酸水溶液中で電解還元する前の手順（１）で得た炭素材料（アミノ基及びジアゾ基が結合しただけのもの）のＮ_１Sスペクトルのピーク位置は、３９９．５ｅＶであった。これに対して、硫酸水溶液中で電解還元した電極材料（ＩＩ）のＮ_１Sスペクトルのピーク位置は、４０１．５ｅＶに大きくシフトしている。この差は、上記実施例１の手順（１）で得た炭素材料では、生成したジアゾ基が不安定なため、ＸＰＳ測定時に窒素分子が脱離してしまうのに対し、硫酸水溶液中で電解還元した電極材料（ＩＩ）では、スルホン酸基が導入されてジアゾ基とイオン対を形成し、安定化するためと考えられる。

さらに実施例２の手順により得た電極材料（ＩＩＩ）についてＸＰＳスペクトルを測定したところ、そのＮ_１Sスペクトルは、図４の硫酸水溶液中で電解還元した電極材料（ＩＩ）のＮ_１Sスペクトルのピーク位置とほぼ同じ位置であった。得られたＸＰＳスペクトルの位置、形状は文献値（Ｌａｎｇｍｕｉｒ２５（１６），８８８８−８８９３（２００９）のＦｉｇ．５）にあるジアゾ基のそれと良く一致した。従って、硫酸中において亜硝酸イオンが炭素材料（カーボンフェルト）の表面に存在する一級アミンと反応してジアゾ基を生成したことが確認できた。

実施例５
実施例１の手順（２）で得た電極材料（ＩＩ）を使用し、イオウ原子のＸＰＳスペクトル（Ｓ_２P）を測定した。

図５には、上記ＸＰＳスペクトルが示される。図５において、電極材料（ＩＩ）のＳ_２Pスペクトルは、１６８．７ｅＶの位置にピークがあり、スルホン酸基が導入されたことがわかる。

一方、ジアゾ基を有しない炭素材料のＳ_２Pスペクトルでは、上記位置にピークが現れず、スルホン化されていないことがわかった。

以上の結果から、カーボンフェルト等の炭素材料表面にジアゾ基が導入されていると、硫酸水溶液中での電解還元によりジアゾ基が電子供与性のヒドラジノ基となり、Ｈ_２ＳＯ_４（硫酸）がＨＳＯ_３ ^＋とＯＨ⁻に開裂してできたＨＳＯ_３ ^＋イオンが、ヒドラジノ基に対してオルト位の電子リッチな炭素原子（Ｃ⁻）を攻撃してスルホン酸基が導入されたものと考えられる。

実施例６
実施例１の手順（１）で得たアミノ基及びジアゾ基が結合した炭素材料、及び実施例１の手順（２）で得た電極材料（ＩＩ）の酸素原子（Ｏ_１S）のＸＰＳスペクトルを測定した。

図６には、上記ＸＰＳスペクトルが示される。図６において、上記手順（１）で得た炭素材料に較べて、電極材料（ＩＩ）ではスルホン酸の酸素原子の位置（５３１．７ｅＶ）に大きなスペクトルが現れている。これにより、スルホン酸基が導入されたことが、硫黄原子（実施例５）だけでなく酸素原子のスペクトルシフトからも同定された。

一般にジアゾ基は安定性に乏しく、高温では窒素が脱離してフェニルカチオンを生成し、水分子が反応してフェノールになることが知られている。しかし、カチオンであるジアゾ基の隣にアニオンであるスルホン酸基が存在すると両者でイオン対を形成し、安定化するものと考えられる。

１０プラスチック容器、１２作用電極、１４白金線、１６対極、１８基準電極、２０ポテンショスタット、２２スターラー、２４カーボンロッド。

Claims

黒鉛、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンフェルト、プラスチック成型カーボンおよびダイヤモンドからなる群から選ばれる炭素材料の表面に含窒素官能基を共有結合させ、
前記表面に含窒素官能基を共有結合させた炭素材料を強酸中で電解還元処理し、
前記電解還元処理後の炭素材料を、亜硝酸ナトリウムを溶解した硫酸中で反応させ、
再度強酸中で電解還元処理する、
ことを特徴とする炭素を基体とする電極材料の製造方法。