JP5777449B2 - Nitrogen-containing carbon material, method for producing the same, and electrode for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、窒素含有炭素材料、その製造方法及び燃料電池用電極に関する。   The present invention relates to a nitrogen-containing carbon material, a method for producing the same, and a fuel cell electrode.

炭素材料は、従来、吸着材等として主に使用されていたが、導電性等の電子材料物性、高い熱伝導率、低い熱膨張率、軽さ、耐熱性等の基本的な性質を持つために幅広い用途が検討されるようになってきている。特に最近はその化学的機能に着目されており、リチウムイオン二次電池用負極、キャパシタ用電極、固体高分子型燃料電池用電極、化学反応の触媒等の分野で検討されている。   Conventionally, carbon materials have been mainly used as adsorbents, etc., but they have basic properties such as physical properties of electronic materials such as conductivity, high thermal conductivity, low thermal expansion coefficient, lightness, and heat resistance. A wide range of applications has been studied. In particular, the chemical function has recently attracted attention and has been studied in the fields of a negative electrode for a lithium ion secondary battery, an electrode for a capacitor, an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, a catalyst for a chemical reaction, and the like.

かかる炭素材料は、従来、椰子殻、石炭コークス、石炭又は石油ピッチ、フラン樹脂、フェノール樹脂等を原料とし、炭化処理して製造されている。   Such a carbon material has been conventionally produced by carbonization using coconut shell, coal coke, coal or petroleum pitch, furan resin, phenol resin, or the like as a raw material.

近年になって、かかる炭素材料に他の元素を含有させて炭素材料の物性の幅をさらに広げて発展させようとする試みがある。こうした中で、最近、窒素原子をドープした炭素材料(以下、「窒素含有炭素材料」という。)を用いて酸素還元活性を発現させて、固体高分子形燃料電池用電極や化学反応の触媒等に用いるという検討が進められている(例えば特許文献1参照)。   In recent years, attempts have been made to further expand the range of physical properties of carbon materials by incorporating other elements into such carbon materials. Under these circumstances, a carbon material doped with nitrogen atoms (hereinafter referred to as “nitrogen-containing carbon material”) has recently been used to develop oxygen reduction activity, so that an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, a catalyst for a chemical reaction, etc. (See, for example, Patent Document 1).

国際公開第2008/123380号International Publication No. 2008/123380

しかしながら、従来の窒素含有炭素材料において、電極反応における酸素還元活性は不十分である。そこで、本発明は上記事情にかんがみてなされたものであり、従来の窒素含有炭素材料と比較して、電極反応において高い酸素還元活性を有する窒素含有炭素材料、その製造方法及び燃料電池用電極を提供することを目的とする。   However, in the conventional nitrogen-containing carbon material, the oxygen reduction activity in the electrode reaction is insufficient. Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and a nitrogen-containing carbon material having a high oxygen reduction activity in an electrode reaction, a method for producing the same, and an electrode for a fuel cell are compared with conventional nitrogen-containing carbon materials. The purpose is to provide.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、アズルミン酸と遷移金属とを含むプレカーサー(窒素含有炭素材料の前駆体)を炭化する工程において所定の処理を施すことにより、最終的に得られる窒素含有炭素材料は、燃料電池用電極等の用途において、従来の窒素含有炭素材料と比較して高い酸素還元活性を示すことを見出し、本発明をなすに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have performed a predetermined treatment in a step of carbonizing a precursor (a precursor of a nitrogen-containing carbon material) containing azulmic acid and a transition metal. The nitrogen-containing carbon material finally obtained has been found to exhibit high oxygen reduction activity as compared with conventional nitrogen-containing carbon materials in applications such as fuel cell electrodes, and has led to the present invention.

すなわち、本発明は、下記のとおりである。
[1]アズルミン酸と鉄とを含む窒素含有炭素材料のプレカーサーを炭化する工程を有し、前記工程が、前記プレカーサーに第1の熱処理を施す第1の工程と、前記第1の熱処理を施された前記プレカーサーから前記の少なくとも一部を除去する第2の工程と、前記の少なくとも一部が除去された前記プレカーサーに第2の熱処理を施す第3の工程と、を有し、前記第3の工程において、前記プレカーサー周囲の雰囲気がアンモニア含有ガス雰囲気である、窒素含有炭素材料の製造方法。
[2]前記第1の工程と前記第3の工程との間に、前記プレカーサーを粉砕する第4の工程を更に有する、[1]に記載の製造方法。
[3]前記第1の工程において、前記プレカーサー周囲の雰囲気が不活性ガス雰囲気である、[1]又は[2]に記載の製造方法。
[4]前記第3の工程において、前記アンモニア含有ガス雰囲気が純アンモニアガス、又は、純アンモニアガスを不活性ガスで希釈したアンモニア含有ガス雰囲気であって前記プレカーサー周囲のガスは流通している、[1]〜[3]のいずれか1つに記載の製造方法
That is, the present invention is as follows.
[1] A step of carbonizing a precursor of a nitrogen-containing carbon material containing azulmic acid and iron, wherein the step includes a first step of performing a first heat treatment on the precursor, and a step of performing the first heat treatment. a second step of removing at least a portion of the iron from the precursor that is, have a, and a third step of performing a second heat treatment to the precursor at least partially removing the iron, the In the third step, the method for producing a nitrogen-containing carbon material , wherein the atmosphere around the precursor is an ammonia-containing gas atmosphere .
[2] The manufacturing method according to [1], further including a fourth step of pulverizing the precursor between the first step and the third step.
[3] The manufacturing method according to [1] or [2], wherein in the first step, the atmosphere around the precursor is an inert gas atmosphere.
[4] In the third step, the ammonia-containing gas atmosphere of pure ammonia gas, or pure ammonia gas What ammonia-containing gas atmosphere der diluted with an inert gas, the precursor around the gas in circulation are the method according to any one of [1] to [3].

本発明によると、従来の窒素含有炭素材料と比較して、電極反応において高い酸素還元活性を有する窒素含有炭素材料、その製造方法及び燃料電池用電極を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a nitrogen-containing carbon material having a high oxygen reduction activity in an electrode reaction, a method for producing the same, and a fuel cell electrode as compared with conventional nitrogen-containing carbon materials.

本発明に係る窒素含有炭素材料の製造方法の一例を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating an example of the manufacturing method of the nitrogen containing carbon material which concerns on this invention.

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明する。   Hereinafter, a form for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail with reference to the drawings as necessary.

図1は、本実施形態の窒素含有炭素材料の製造方法を説明するための工程図である。図1に示すように、本実施形態の窒素含有炭素材料の製造方法は、窒素含有炭素材料のプレカーサーを炭化する工程S14を有する。さらに、本実施形態の窒素含有炭素材料の製造方法は、工程S14に先だって、青酸を含む原料を重合してアズルミン酸を製造する工程S10と、アズルミン酸と遷移金属を含むプレカーサーを製造する工程S12とを有する。本明細書において、「アズルミン酸」とは、主として青酸(シアン化水素)を重合して得られる重合物の総称を意味する。以下、各工程を詳述する。   FIG. 1 is a process diagram for explaining a method for producing a nitrogen-containing carbon material of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the manufacturing method of the nitrogen-containing carbon material of this embodiment has process S14 which carbonizes the precursor of nitrogen-containing carbon material. Furthermore, in the method for producing a nitrogen-containing carbon material of the present embodiment, prior to step S14, step S10 for producing azulmic acid by polymerizing a raw material containing hydrocyanic acid, and step S12 for producing a precursor containing azulmic acid and a transition metal. And have. In the present specification, “azurmic acid” means a general term for polymers obtained by polymerizing hydrocyanic acid (hydrogen cyanide). Hereinafter, each process is explained in full detail.

まず、工程S10では、主として青酸を含む原料を重合してアズルミン酸を得る。工程S10で用いる青酸としては、特に限定されず、公知の方法で製造されたものを用いることができる。例えば、青酸は、プロピレン、イソブチレン、tert−ブチルアルコール、プロパン又はイソブタンを触媒存在下でアンモニア、酸素含有ガスと反応させる気相接触反応によってアクリロニトリルやメタクリロニトリルを製造する方法において副生される。このため、工程S10で用いる青酸は非常に安価に入手することが可能である。上述の気相接触反応は従来公知の反応であるため、その反応条件も公知のものであればよい。ただし、副生する青酸を増産するために、例えばメタノールのようにアンモ酸化反応によって青酸を生成するような原料を、アクリロニトリルやメタクリロニトリルを合成する反応器に供給することも可能である。   First, in step S10, a raw material mainly containing hydrocyanic acid is polymerized to obtain azulmic acid. The cyanic acid used in step S10 is not particularly limited, and those produced by a known method can be used. For example, hydrocyanic acid is by-produced in a method for producing acrylonitrile or methacrylonitrile by a gas phase catalytic reaction in which propylene, isobutylene, tert-butyl alcohol, propane or isobutane is reacted with ammonia or an oxygen-containing gas in the presence of a catalyst. For this reason, the hydrocyanic acid used by process S10 can be obtained very cheaply. Since the above-mentioned gas phase contact reaction is a conventionally known reaction, the reaction condition may be any known one. However, in order to increase the production of by-product hydrocyanic acid, it is also possible to supply a raw material that produces hydrocyanic acid by an ammoxidation reaction, such as methanol, to a reactor for synthesizing acrylonitrile or methacrylonitrile.

また、天然ガスの主成分であるメタンを触媒存在下でアンモニア、酸素含有ガスと反応させるアンドリュッソー法によって製造される青酸を用いることもできる。この製造方法もメタンを原料とするため、非常に安価に青酸を入手できる方法である。   Further, hydrocyanic acid produced by the Andrewsso method in which methane, which is the main component of natural gas, is reacted with ammonia and an oxygen-containing gas in the presence of a catalyst can also be used. Since this production method also uses methane as a raw material, it is a method by which hydrocyanic acid can be obtained at a very low cost.

もちろん、青酸の製造方法は、青化ソーダ等を用いる実験室的な製造方法であってもよいが、上記の工業的に製造される青酸を用いるのが、青酸を多量かつ安価に製造できる観点から好ましい。   Of course, the method for producing hydrocyanic acid may be a laboratory production method using soda hydride or the like. However, the use of the above industrially produced hydrocyanic acid enables the production of hydrocyanic acid in large quantities and at low cost. To preferred.

工程S10において、主とし青酸を含む原料を重合して、黒色から黒褐色の重合物であるアズルミン酸を得る。ここで、高純度のアズルミン酸を得る観点から、主として青酸を含む原料の全体量に対して、青酸以外の重合性物質の存在比は40質量%以下であるのが好ましく、より好ましくは10質量%以下であり、さらに好ましくは5質量%以下であり、特に好ましくは1質量%以下である。言い換えると、上記原料における重合性物質中の青酸の存在比は、60質量%以上であると好ましく、90質量%以上であるとより好ましく、95質量%以上であるとさらに好ましく、99質量%以上であると特に好ましい。   In step S10, a raw material mainly containing hydrocyanic acid is polymerized to obtain azulmic acid which is a black to brown polymer. Here, from the viewpoint of obtaining high-purity azulmic acid, the abundance ratio of the polymerizable substance other than hydrocyanic acid is preferably 40% by mass or less, more preferably 10% by mass with respect to the total amount of raw materials mainly containing hydrocyanic acid. % Or less, more preferably 5% by mass or less, and particularly preferably 1% by mass or less. In other words, the abundance ratio of hydrocyanic acid in the polymerizable material in the raw material is preferably 60% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, still more preferably 95% by mass or more, and 99% by mass or more. Is particularly preferred.

アズルミン酸は、青酸及び場合によっては少量のそれ以外の重合性物質を種々の方法で重合させることにより製造することができる。重合方法としては、例えば、液化青酸や青酸水溶液を加熱する方法、それらを長時間放置する方法、それらに塩基を添加する方法、それらに光を照射する方法、それらに高エネルギーの放射をする方法、それらの存在下で種々の放電を行う方法、シアン化カリウム水溶液の電気分解による方法が挙げられる。この他、例えば、Angew.Chem.72巻、379−384(1960年)及びその引用文献、並びに真空科学、16巻、64−72(1969年)及びその引用文献に記載の公知の方法が挙げられる。   Azulmic acid can be produced by polymerizing hydrocyanic acid and optionally a small amount of other polymerizable substances in various ways. As a polymerization method, for example, a method of heating liquefied hydrocyanic acid or an aqueous solution of hydrocyanic acid, a method of leaving them for a long time, a method of adding a base to them, a method of irradiating them with light, a method of emitting high energy to them , Methods of performing various discharges in the presence thereof, and methods of electrolysis of an aqueous potassium cyanide solution. In addition, for example, Angew. Chem. 72, 379-384 (1960) and references cited therein, and known methods described in Vacuum Science, Volume 16, 64-72 (1969) and references cited therein.

液化青酸や青酸水溶液に塩基を添加して、その塩基の存在下で青酸を重合させる方法において、上記塩基としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、シアン化ナトリウム、シアン化カリウム、有機塩基、アンモニア、アンモニア水が例示される。有機塩基としては、例えば、一級アミン(R1NH2)、二級アミン(R12NH)、三級アミン(R123N)、四級アンモニウ塩(R1234+)が挙げられる。ここで、R1、R2、R3及びR4は互いに同一又は異なってもよい炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、シクロヘキシル基、及びこれらが結合して得られる基を示す。R1、R2、R3及びR4はさらに置換基を有していてもよい。この有機塩基の中では、脂肪族又は環式脂肪族の第三級アミンが好ましい。そのような第三級アミンとしては、例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、ジシクロヘキシルメチルアミン、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド、N−メチルピロリジン、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデク−7−エン(DBU)を挙げられる。上記塩基は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 In the method of adding a base to liquefied hydrocyanic acid or aqueous hydrocyanic acid and polymerizing hydrocyanic acid in the presence of the base, examples of the base include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium cyanide, potassium cyanide, organic base, ammonia. Ammonia water is exemplified. Examples of the organic base include primary amine (R 1 NH 2 ), secondary amine (R 1 R 2 NH), tertiary amine (R 1 R 2 R 3 N), and quaternary ammonium salt (R 1 R 2 R). 3 R 4 N + ). Here, R < 1 >, R < 2 >, R < 3 >, and R < 4 > show the C1-10 alkyl group, phenyl group, cyclohexyl group, and these groups obtained by combining these, which may be the same or different from each other. R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may further have a substituent. Of these organic bases, aliphatic or cycloaliphatic tertiary amines are preferred. Examples of such tertiary amine include trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine, dicyclohexylmethylamine, tetramethylammonium hydroxide, N-methylpyrrolidine, 1,8-diazabicyclo [5.4.0]. Undec-7-ene (DBU). The said base is used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

青酸の重合方法のうち、重合段階で金属成分を含まないという観点で好ましいのは、液化青酸や青酸水溶液を加熱する、それらを長時間放置する、それらを光を照射する、それらに高エネルギーの放射をする、それらをアンモニア、有機塩基の存在下で重合する方法である。   Among the polymerization methods of cyanic acid, from the viewpoint of not containing a metal component in the polymerization stage, it is preferable to heat liquefied hydrocyanic acid or aqueous hydrocyanic acid, leave them for a long time, irradiate them with light, Radiation is a method of polymerizing them in the presence of ammonia or an organic base.

また、プロピレン等のアンモ酸化工程で副生する青酸の精製工程において、精製装置に付着物が発生することがあるが、この付着物にはアズルミン酸が高い割合で含まれることが多い。この付着物から回収したアズルミン酸を用いることも可能である。   Further, in the purification process of cyanic acid by-produced in the ammoxidation process of propylene or the like, deposits may be generated in the purifier, and this deposit often contains a high proportion of azulmic acid. It is also possible to use azulmic acid recovered from this deposit.

アズルミン酸は青酸の重合物であるので、理想的には(炭素のモル分率):(窒素のモル分率):(水素のモル分率)の比は1:1:1である。ところが、製造方法によっては、例えば、添加した塩基が重合鎖中に取り込まれたり、水溶液中では一部加水分解したりするために、重合条件に依存して、組成が上記のモル分率の比と異なる場合もある。窒素含有炭素材料の炭化後の窒素残存率を高くする観点から、アズルミン酸における(窒素元素のモル分率)/(炭素元素のモル分率)は0.2〜1.2が好ましく、より好ましくは0.3〜1.1であり、特に好ましくは0.4〜1.0である。また、炭化収率を高くする観点から、(水素元素のモル分率)/(炭素元素のモル分率)は0.2〜2.0が好ましく、より好ましくは0.5〜1.5であり、特に好ましくは0.7〜1.2である。各元素のモル分率を調整する方法として、例えば、無水条件で重合させると、加水分解による脱アンモニアが抑制され、(窒素元素のモル分率)/(炭素元素のモル分率)、(水素元素のモル分率)/(炭素元素のモル分率)が高くなる。また、塩基を用いる重合方法では、添加した塩基の一部がアズルミン酸に取り込まれるため、用いる塩基を変更することにより、生成するアズルミン酸における各元素のモル分率を微調整することができる。なお、アズルミン酸の組成は、CHN分析計を用いて測定され得る。   Since azulmic acid is a polymer of hydrocyanic acid, the ratio of (molar fraction of carbon) :( molar fraction of nitrogen) :( molar fraction of hydrogen) is ideally 1: 1: 1. However, depending on the production method, for example, since the added base is incorporated into the polymer chain or partially hydrolyzed in the aqueous solution, the composition depends on the polymerization conditions. And may be different. From the viewpoint of increasing the nitrogen residual ratio after carbonization of the nitrogen-containing carbon material, (molar fraction of nitrogen element) / (molar fraction of carbon element) in azulmic acid is preferably 0.2 to 1.2, more preferably. Is 0.3 to 1.1, particularly preferably 0.4 to 1.0. Further, from the viewpoint of increasing the carbonization yield, (molar fraction of hydrogen element) / (molar fraction of carbon element) is preferably 0.2 to 2.0, more preferably 0.5 to 1.5. Yes, particularly preferably 0.7 to 1.2. As a method for adjusting the mole fraction of each element, for example, when polymerization is performed under anhydrous conditions, deammonification due to hydrolysis is suppressed, and (mol fraction of nitrogen element) / (mol fraction of carbon element), (hydrogen (Mole fraction of element) / (Mole fraction of carbon element) increases. In addition, in the polymerization method using a base, since a part of the added base is taken into azulmic acid, the molar fraction of each element in the generated azurmic acid can be finely adjusted by changing the base used. The composition of azulmic acid can be measured using a CHN analyzer.

次いで、工程S12において、アズルミン酸と遷移金属とを含むプレカーサー、すなわち窒素含有炭素材料の前駆体を製造する。プレカーサーの製造方法としては、特に限定されないが、アズルミン酸と遷移金属の原料とを溶媒中で混合し、次いで、その混合物から溶媒を除去することによりプレカーサーを製造する方法が好ましい。アズルミン酸と遷移金属の原料とを溶媒中で混合する際、アズルミン酸はその一部又は全部が溶解していても溶解していなくてもよい。   Next, in step S12, a precursor containing azulmic acid and a transition metal, that is, a precursor of a nitrogen-containing carbon material is manufactured. A method for producing the precursor is not particularly limited, but a method in which the precursor is produced by mixing azulmic acid and the raw material of the transition metal in a solvent and then removing the solvent from the mixture is preferable. When azulmic acid and the transition metal raw material are mixed in a solvent, a part or all of azulmic acid may or may not be dissolved.

遷移金属としては、炭化促進効果の観点から、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Tc(テクネチウム)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Re(レニウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Au(金)及びランタノイド元素が好ましい。より好ましくは、Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Au、La及びCeであり、さらに好ましくはPt、Fe、Co及びNiであり、特に好ましくはFe及びCoであり、極めて好ましくはFeである。これらの遷移金属は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて、プレカーサーに含まれ得る。   Transition metals include Ti (titanium), V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), and Cu (copper) from the viewpoint of carbonization promotion effect. ), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), Mo (molybdenum), Tc (technetium), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Pd (palladium), Ag (silver), Ta (tantalum) ), W (tungsten), Re (rhenium), Ir (iridium), Pt (platinum), Au (gold) and lanthanoid elements. More preferred are Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Au, La and Ce, further preferred are Pt, Fe, Co and Ni, particularly preferred are Fe and Co, and most preferred is Fe. . These transition metals can be contained in the precursor alone or in combination of two or more.

遷移金属の原料としては、特に限定されず、例えば、遷移金属の錯体、無機酸塩、有機酸塩及びその他の遷移金属化合物が挙げられ、より具体的には、例えば、遷移金属のシュウ酸塩、水酸化物、酸化物、亜硝酸塩、硝酸塩、酢酸塩、アンモニウム塩、炭酸塩、塩化物、臭化物、アルコキシド、アセチルアセトナート、フタロシアニン及びポルフィリンが挙げられる。   The raw material of the transition metal is not particularly limited, and examples thereof include transition metal complexes, inorganic acid salts, organic acid salts, and other transition metal compounds, and more specifically, for example, transition metal oxalate salts. , Hydroxides, oxides, nitrites, nitrates, acetates, ammonium salts, carbonates, chlorides, bromides, alkoxides, acetylacetonates, phthalocyanines and porphyrins.

遷移金属が鉄である場合のその原料としては、例えば、鉄錯体、鉄の無機酸塩、鉄の有機酸塩及びその他の鉄化合物が挙げられ、より具体的には、例えば、鉄(II)フタロシアニン、鉄(III)アセチルアセトネート、鉄(II)メトキシド、鉄(III)エトキシド、鉄(III)イソプロポキシド、ビス(シクロペンタジエニル)鉄、ビス(メチルシクロペンタジエニル)鉄、ビス(エチルシクロペンタジエニル)鉄、ビス(イソプロピルシクロペンタジエニル)鉄、ビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)鉄、塩化第二鉄、クエン酸第二鉄、リン化第二鉄、酒石酸第二鉄、フマル酸第一鉄、ヘキサシアノ鉄(II)酸アンモニウム、ヘキサシアノ鉄(II)酸アンモニウム鉄(III)、シュウ酸アンモニウム鉄(III)三水和物、硫酸鉄(III)アンモニウム、硫酸アンモニウム鉄(III)、ビス(シクロペンタジエニル)鉄、塩化第二鉄、エチレンジアミン四酢酸鉄、クエン酸鉄アンモニウム、硝酸第二鉄、酢酸鉄(II)、フマル酸鉄(II)、グルコン酸鉄(II)、シュウ酸鉄及び水酸化鉄(III)を例示できる。これらの中で、電極反応における酸素還元活性がより良好な窒素含有炭素材料を得る観点から、鉄錯体及び鉄の無機酸塩が好ましく、より好ましくは鉄(II)フタロシアニン及び硝酸鉄である。鉄の原料は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   Examples of the raw material when the transition metal is iron include iron complexes, iron inorganic acid salts, iron organic acid salts, and other iron compounds. More specifically, for example, iron (II) Phthalocyanine, iron (III) acetylacetonate, iron (II) methoxide, iron (III) ethoxide, iron (III) isopropoxide, bis (cyclopentadienyl) iron, bis (methylcyclopentadienyl) iron, bis (Ethylcyclopentadienyl) iron, bis (isopropylcyclopentadienyl) iron, bis (tetramethylcyclopentadienyl) iron, ferric chloride, ferric citrate, ferric phosphide, tartaric acid Iron, ferrous fumarate, ammonium hexacyanoferrate (II), ammonium hexacyanoferrate (II) ammonium iron (III), ammonium iron oxalate (III) Japanese products, ammonium iron (III) sulfate, iron (III) ammonium sulfate, bis (cyclopentadienyl) iron, ferric chloride, iron ethylenediaminetetraacetate, ammonium iron citrate, ferric nitrate, iron (II) acetate And iron (II) fumarate, iron (II) gluconate, iron oxalate and iron (III) hydroxide. Among these, from the viewpoint of obtaining a nitrogen-containing carbon material having better oxygen reduction activity in the electrode reaction, iron complexes and iron inorganic acid salts are preferable, and iron (II) phthalocyanine and iron nitrate are more preferable. The raw materials for iron are used singly or in combination of two or more.

遷移金属がニッケルである場合のその原料としては、例えば、ニッケル錯体、ニッケルの無機酸塩、ニッケルの有機酸塩及びその他のニッケル化合物が挙げられ、より具体的には、例えば、ニッケル(II)フタロシアニン、ニッケル(II)トリフルオロアセチルアセトナート、ビス(シクロペンタジエニル)ニッケル、ビス(イソプロピルシクロペンタジエニル)ニッケル、ビス(ペンタメチルシクロペンタジエニル)ニッケル、ビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)ニッケル、ホウ酸ニッケル、ヒドロキシ酢酸ニッケル、ナフテン酸ニッケル、ビス(エチルシクロペンタジエニル)ニッケル、硫酸ニッケル(II)アンモニウム、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル、ビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)ニッケル、臭化ヘキサアンミンニッケル(II)、塩化ヘキサアンミンニッケル(II)、酢酸ニッケル(II)四水和物、アセチルアセトン酸ニッケル(II)、硫酸ニッケルアンモニウム、塩化ニッケル(II)、臭化ニッケル、炭酸ニッケル(II)、ギ酸ニッケル(II)、ヘキサフルオロアセチルアセトナトニッケル(II)、酸化ニッケル(II)、ヒドロキシ酢酸ニッケル(II)、乳酸ニッケル(II)、ナフテン酸ニッケル(II)、硝酸ニッケル、シュウ酸ニッケル(II)、2,4−ペンタンジオン酸ニッケル(II)、硫酸ニッケル、アミド硫酸ニッケル及び水酸化ニッケルを例示できる。これらの中で、電極反応における酸素還元活性がより良好な窒素含有炭素材料を得る観点から、ニッケル錯体及びニッケルの無機酸塩が好ましく、より好ましくは、ニッケル(II)フタロシアニン及び硝酸ニッケルである。ニッケルの原料は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   Examples of the raw material when the transition metal is nickel include nickel complexes, nickel inorganic acid salts, nickel organic acid salts, and other nickel compounds. More specifically, for example, nickel (II) Phthalocyanine, nickel (II) trifluoroacetylacetonate, bis (cyclopentadienyl) nickel, bis (isopropylcyclopentadienyl) nickel, bis (pentamethylcyclopentadienyl) nickel, bis (tetramethylcyclopentadienyl) ) Nickel, nickel borate, nickel hydroxyacetate, nickel naphthenate, bis (ethylcyclopentadienyl) nickel, nickel (II) ammonium sulfate, bis (1,5-cyclooctadiene) nickel, bis (tetramethylcyclopenta) Dienyl) , Hexaamminenickel (II) bromide, nickel (II) chloride, nickel (II) acetate tetrahydrate, nickel (II) acetylacetonate, nickel ammonium sulfate, nickel (II) chloride, nickel bromide, Nickel (II) carbonate, nickel (II) formate, nickel (II) hexafluoroacetylacetonate, nickel (II) oxide, nickel (II) hydroxyacetate, nickel (II) lactate, nickel (II) naphthenate, nickel nitrate And nickel (II) oxalate, nickel (II) 2,4-pentandionate, nickel sulfate, nickel amidosulfate and nickel hydroxide. Among these, from the viewpoint of obtaining a nitrogen-containing carbon material having better oxygen reduction activity in the electrode reaction, a nickel complex and an inorganic acid salt of nickel are preferable, and nickel (II) phthalocyanine and nickel nitrate are more preferable. The nickel raw materials may be used alone or in combination of two or more.

遷移金属がコバルトである場合のその原料としては、例えば、コバルト錯体、コバルトの無機酸塩、コバルトの有機酸塩及びその他のコバルト化合物が挙げられ、より具体的には、例えば、コバルト(II)フタロシアニン、コバルト(II)トリフルオロアセチルアセトナート、ビス(シクロペンタジエニル)コバルト、ビス(イソプロピルシクロペンタジエニル)コバルト、ビス(ペンタメチルシクロペンタジエニル)コバルト、ビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)コバルト、ホウ酸コバルト、ヒドロキシ酢酸コバルト、ナフテン酸コバルト、ビス(エチルシクロペンタジエニル)コバルト、硫酸コバルト(II)アンモニウム、ビス(1,5−シクロオクタジエン)コバルト、ビス(テトラメチルシクロペンタジエニル)コバルト、臭化ヘキサアンミンコバルト(II)、塩化ヘキサアンミンコバルト(II)、酢酸コバルト(II)四水和物、アセチルアセトン酸コバルト(II)、硫酸コバルトアンモニウム、塩化コバルト(II)、臭化コバルト、炭酸コバルト(II)、ギ酸コバルト(II)、ヘキサフルオロアセチルアセトナトコバルト(II)、酸化コバルト(II)、ヒドロキシ酢酸コバルト(II)、乳酸コバルト(II)、硝酸コバルト、シュウ酸コバルト(II)、2,4−ペンタンジオン酸コバルト(II)、硫酸コバルト、アミド硫酸コバルト、水酸化コバルトを例示できる。これらの中で、電極反応における酸素還元活性がより良好な窒素含有炭素材料を得る観点から、コバルト錯体及びコバルトの無機酸塩が好ましく、より好ましくは、コバルト(II)フタロシアニン及び硝酸コバルトであり、更に好ましくは硝酸コバルトである。コバルトの原料は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   Examples of the raw material when the transition metal is cobalt include a cobalt complex, a cobalt inorganic acid salt, a cobalt organic acid salt, and other cobalt compounds, and more specifically, for example, cobalt (II). Phthalocyanine, cobalt (II) trifluoroacetylacetonate, bis (cyclopentadienyl) cobalt, bis (isopropylcyclopentadienyl) cobalt, bis (pentamethylcyclopentadienyl) cobalt, bis (tetramethylcyclopentadienyl) ) Cobalt, cobalt borate, cobalt hydroxyacetate, cobalt naphthenate, bis (ethylcyclopentadienyl) cobalt, cobalt (II) ammonium sulfate, bis (1,5-cyclooctadiene) cobalt, bis (tetramethylcyclopenta) Dienyl) Hexaamminecobalt (II) bromide, hexaamminecobalt (II) chloride, cobalt (II) acetate tetrahydrate, cobalt (II) acetylacetonate, cobalt ammonium sulfate, cobalt (II) chloride, cobalt bromide, Cobalt carbonate (II), cobalt formate (II), hexafluoroacetylacetonato cobalt (II), cobalt oxide (II), cobalt cobalt hydroxide (II), cobalt lactate (II), cobalt nitrate, cobalt oxalate (II) , 2,4-pentanedioic acid cobalt (II), cobalt sulfate, amido cobalt sulfate, and cobalt hydroxide. Among these, from the viewpoint of obtaining a nitrogen-containing carbon material having better oxygen reduction activity in the electrode reaction, a cobalt complex and an inorganic acid salt of cobalt are preferable, and cobalt (II) phthalocyanine and cobalt nitrate are more preferable. More preferred is cobalt nitrate. Cobalt raw materials are used singly or in combination of two or more.

遷移金属が白金である場合のその原料としては、例えば、白金錯体、ハロゲン原子を有する白金化合物及びその他の白金化合物が挙げられ、より具体的には、例えば、白金(II)アセチルアセトナート、ヘキサブロモ白金酸(IV)アンモニウム、ヘキサクロロ白金(IV)酸アンモニウム、テトラクロロ白金(II)酸アンモニウム、ビス(アセチルアセトナート)白金(II)、ビス(エチレンジアミン)白金(II)クロリド、クロロ白金酸六水和物、クロロ白金酸六水和物、ジクロロジアンミン白金(II)、テトラクロロジアンミン白金(IV)、1,1−シクロブタンジカルボキシラトジアンミン白金(II)、ジアンミンジクロロ白金(II)、亜硝酸ジアンミン白金(II)、ジクロロビス(ベンゾニトリル)白金(II)、ヘキサクロロ白金酸(IV)二水素、ヘキサブロモ白金酸(IV)二水素、ヘキサヒドロオクソ白金酸(IV)、ジフェニル(1,5−シクロオクタジエン)白金(II)、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸、臭化白金(II)、塩化白金(II)、ヘキサフルオロアセチルアセトン酸白金(II)、塩化テトラアンミン白金(II)、炭酸水素テトラアンミン白金(II)、テトラアンミン白金(II)水酸化物、硝酸テトラアミン白金(II)、テトラアミン白金(II)テトラクロロ白金(II)酸及びヘキサヒドロキソ白金硝酸水溶液を例示できる。白金の原料は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   Examples of the raw material when the transition metal is platinum include platinum complexes, platinum compounds having a halogen atom, and other platinum compounds. More specifically, for example, platinum (II) acetylacetonate, hexabromo Ammonium platinate (IV), ammonium hexachloroplatinate (IV), ammonium tetrachloroplatinate (II), bis (acetylacetonate) platinum (II), bis (ethylenediamine) platinum (II) chloride, chloroplatinic acid hexahydrate Japanese chloroplatinic acid hexahydrate, dichlorodiammine platinum (II), tetrachlorodiammine platinum (IV), 1,1-cyclobutanedicarboxylatodiammine platinum (II), diammine dichloroplatinum (II), diammonium nitrite Platinum (II), dichlorobis (benzonitrile) platinum (II , Hexachloroplatinic acid (IV) dihydrogen, hexabromoplatinic acid (IV) dihydrogen, hexahydrooxoplatinic acid (IV), diphenyl (1,5-cyclooctadiene) platinum (II), hexahydroxoplatinum (IV) acid Platinum (II) bromide, platinum (II) chloride, platinum (II) hexafluoroacetylacetonate, tetraammineplatinum (II) chloride, tetraammineplatinum bicarbonate (II), tetraammineplatinum (II) hydroxide, tetraamineplatinum nitrate Examples thereof include (II), tetraamineplatinum (II) tetrachloroplatinum (II) acid and hexahydroxoplatinum nitrate aqueous solution. Platinum materials may be used alone or in combination of two or more.

溶媒としては、アズルミン酸との親和性が高い溶媒が好ましい。そのような溶媒としては、例えば、有機溶媒及び水が挙げられ、それらの溶媒にアズルミン酸以外の溶質が溶解した溶液、例えば塩基性水溶液、酸性水溶液であってもよい。これらの中では、極性溶媒の方が、アズルミン酸との親和性が高い傾向がある。溶媒は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。   As the solvent, a solvent having high affinity with azulmic acid is preferable. Examples of such a solvent include an organic solvent and water, and a solution in which a solute other than azulmic acid is dissolved in these solvents, for example, a basic aqueous solution or an acidic aqueous solution may be used. Among these, polar solvents tend to have higher affinity with azulmic acid. A solvent is used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

有機溶媒としては、極性溶媒が好ましい。極性溶媒としては、クロロホルム、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、塩化メチレン、アセトン、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸、1−ブタノール、2−プロパノール、1−プロパノール、エタノール、メタノール、ギ酸及びアミノ基を有する溶媒を例示できる。アミノ基を有する溶媒として、第一級アミンを例示できる。具体的には、アミノ基を有する溶媒として、アンモニア;メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、イソプロピルアミン、ブチルアミン、アミルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、セチルアミン、シクロプロピルアミン、シクロプロピルアミン、シクロブチルアミン、シクロペンチルアミン、シクロヘキシルアミン、アニリン、トルイジン、ベンジルアミン、ナフチルアミン、アリルアミン等のモノアミン;エチレンジアミン、トリメチレンジアミン、テトラメチレンジアミン、ペンタメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、1,7−ジアミノヘプタン、1,8−ジアミノオクタン、1,9−ジアミノノナン、1,10−ジアミノデカン、フェニレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンエキサミン等のジアミン;並びに、1,2,3−トリアミノプロパン、トリアミノベンゼン、トリアミノフェノール及びメラミン等のトリアミンを例示できる。   As the organic solvent, a polar solvent is preferable. Polar solvents include chloroform, ethyl acetate, tetrahydrofuran, methylene chloride, acetone, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, acetic acid, 1-butanol, 2-propanol, 1-propanol, ethanol, methanol, formic acid and amino Examples thereof include a solvent having a group. A primary amine can be illustrated as a solvent which has an amino group. Specifically, as a solvent having an amino group, ammonia; methylamine, ethylamine, propylamine, isopropylamine, butylamine, amylamine, hexylamine, heptylamine, octylamine, nonylamine, decylamine, undecylamine, dodecylamine, triethylamine Monoamines such as decylamine, tetradecylamine, pentadecylamine, cetylamine, cyclopropylamine, cyclopropylamine, cyclobutylamine, cyclopentylamine, cyclohexylamine, aniline, toluidine, benzylamine, naphthylamine, allylamine; ethylenediamine, trimethylenediamine, Tetramethylenediamine, pentamethylenediamine, hexamethylenediamine, 1,7-diaminoheptane, 1,8-dia Diamines such as nooctane, 1,9-diaminononane, 1,10-diaminodecane, phenylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, pentaethyleneexamine; and 1,2,3-triaminopropane, tri Examples include triamines such as aminobenzene, triaminophenol and melamine.

これらの中で、アミノ基を有する溶媒として、エチレンジアミン、トリメチレンジアミン、テトラメチレンジアミン、1,2,3−トリアミノプロパンが好ましく、エチレンジアミンがより好ましい。   Among these, as the solvent having an amino group, ethylenediamine, trimethylenediamine, tetramethylenediamine, and 1,2,3-triaminopropane are preferable, and ethylenediamine is more preferable.

塩基性水溶液としては、例えば、第一級アミンの水溶液、アルカリ金属の水溶液、アルカリ土類金属の水溶液及び4級アンモニウム塩の水溶液を例示することができる。第一級アミンの水溶液としては、アンモニア水溶液、メチルアミン水溶液、エチルアミン水溶液、プロピルアミン水溶液、イソプロピルアミン水溶液、ブチルアミン水溶液、アミルアミン水溶液、ヘキシルアミン水溶液の等のモノアミン水溶液;エチレンジアミン水溶液、トリメチレンジアミン水溶液、テトラメチレンジアミン水溶液等のジアミン水溶液;並びに、メラミン水溶液等のトリアミン水溶液を例示できる。アルカリ金属の水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液及び水酸化カリウム水溶液を例示でき、アルカリ土類金属の水溶液としては、水酸化カルシウム水溶液及び水酸化バリウム水溶液を例示でき、4級アンモニウム塩の水溶液としては、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド水溶液、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド水溶液及びテトラブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を例示できる。これらの中で、好ましい塩基性水溶液は、アンモニア水溶液、エチレンジアミン水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液及びテトラエチルアンモニウムヒドロキシド水溶液であり、より好ましくはエチレンジアミン水溶液である。   Examples of the basic aqueous solution include an aqueous solution of a primary amine, an aqueous solution of an alkali metal, an aqueous solution of an alkaline earth metal, and an aqueous solution of a quaternary ammonium salt. Examples of the primary amine aqueous solution include ammonia aqueous solution, methylamine aqueous solution, ethylamine aqueous solution, propylamine aqueous solution, isopropylamine aqueous solution, butylamine aqueous solution, amylamine aqueous solution, hexylamine aqueous solution and the like; ethylenediamine aqueous solution, trimethylenediamine aqueous solution, Examples include diamine aqueous solutions such as tetramethylene diamine aqueous solutions; and triamine aqueous solutions such as melamine aqueous solutions. Examples of the alkali metal aqueous solution include a sodium hydroxide aqueous solution and a potassium hydroxide aqueous solution. Examples of the alkaline earth metal aqueous solution include a calcium hydroxide aqueous solution and a barium hydroxide aqueous solution. Examples thereof include tetramethylammonium hydroxide aqueous solution, tetraethylammonium hydroxide aqueous solution, tetrapropylammonium hydroxide aqueous solution and tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution. Among these, preferable basic aqueous solutions are ammonia aqueous solution, ethylenediamine aqueous solution, sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution and tetraethylammonium hydroxide aqueous solution, and more preferably ethylenediamine aqueous solution.

酸性水溶液として、硫酸水溶液、硝酸水溶液、塩酸水溶液及びリン酸水溶液を例示することができる。これらの中で、好ましくは硫酸水溶液である。   Examples of the acidic aqueous solution include a sulfuric acid aqueous solution, a nitric acid aqueous solution, a hydrochloric acid aqueous solution, and a phosphoric acid aqueous solution. Among these, a sulfuric acid aqueous solution is preferable.

アズルミン酸と遷移金属の原料との混合比率は、特に限定されないが、アズルミン酸に対する遷移金属の原料の質量比が0.001〜10であることが好ましく、0.005〜1であることがより好ましく、0.01〜1であることが更に好ましい。遷移金属の質量比が0.001以上であることにより、プレカーサーの炭化がより十分になる傾向にあり、遷移金属の質量比が10以下であることにより、炭化後に遷移金属を除去する際に用いる酸の量を少なくできる傾向にある。   The mixing ratio of the azurmic acid and the transition metal raw material is not particularly limited, but the mass ratio of the transition metal raw material to the azulmic acid is preferably 0.001 to 10, more preferably 0.005 to 1. Preferably, it is 0.01-1 more preferably. When the transition metal mass ratio is 0.001 or more, the precursor tends to be more sufficiently carbonized. When the transition metal mass ratio is 10 or less, the transition metal is used for removing the transition metal after carbonization. There is a tendency to reduce the amount of acid.

アズルミン酸を溶媒に投入するのに先立って、アズルミン酸を予めボールミル等で粉砕しておくことが、混合の容易性の観点から好ましい。   Prior to adding azulmic acid to the solvent, it is preferable to grind azulmic acid in advance with a ball mill or the like from the viewpoint of ease of mixing.

アズルミン酸と溶媒との比率は、溶解性、希釈したい比率、混合方法に応じて決めればよい。例えば、溶媒量をアズルミン酸量に対して質量比で1〜10000倍とすると好ましく、より好ましくは10〜100倍である。上記質量比を1倍以上とすることにより、アズルミン酸の溶媒に対する溶解性が向上する傾向にあり、上記質量比を10000倍以下とすることにより、溶媒を除去する際に消費するエネルギーを抑制できる傾向にある。   What is necessary is just to determine the ratio of an azurmic acid and a solvent according to solubility, the ratio to dilute, and a mixing method. For example, the amount of the solvent is preferably 1 to 10,000 times, more preferably 10 to 100 times, by mass ratio with respect to the amount of azulmic acid. By setting the mass ratio to 1 or more, the solubility of azulmic acid in the solvent tends to be improved. By setting the mass ratio to 10,000 or less, energy consumed when removing the solvent can be suppressed. There is a tendency.

溶媒の種類によってはアズルミン酸と反応する可能性もあるが、全体として溶解した状態になる限り、反応していても差し支えない。すなわち、アズルミン酸と遷移金属の原料とを溶媒中で混合して得られた液(アズルミン酸はその一部又は全部が溶解していても溶解していなくてもよい。)中に、アズルミン酸と溶媒の少なくとも一部が反応したものを含む態様を経由する窒素含有炭素材料の製造方法も、本実施形態の範疇である。また、工程S10において、水等の溶媒中で青酸を重合することによってもアズルミン酸を得ることができるが、この際に用いた上記溶媒中に生成したアズルミン酸をそのまま含んだ状態の液(アズルミン酸はその一部又は全部が溶解していても溶解していなくてもよい。)をプレカーサーの製造に利用することもできる。つまり、上記溶媒中に生成したアズルミン酸をそのまま含んだ状態の液に遷移金属の原料を添加して混合してもよい。生成したアズルミン酸は溶媒に難溶である場合が多いが、酸及び/又は塩基をそこに添加する等によって、溶解状態にすることも可能である。   Although it may react with azulmic acid depending on the type of solvent, it may be reacted as long as it is in a dissolved state as a whole. That is, in a liquid obtained by mixing azurmic acid and a transition metal raw material in a solvent (a part or all of azulmic acid may be dissolved or not dissolved), A method for producing a nitrogen-containing carbon material via a mode including a form in which at least a part of a solvent is reacted is also in the category of this embodiment. In step S10, azurmic acid can also be obtained by polymerizing hydrocyanic acid in a solvent such as water, but a liquid (azurmine) containing azurmic acid generated in the solvent used at this time as it is. The acid may be partly or wholly dissolved or not dissolved in the precursor). That is, the transition metal raw material may be added to and mixed with the liquid in a state in which the azulmic acid generated in the solvent is contained as it is. The produced azulmic acid is often poorly soluble in a solvent, but it can also be dissolved by adding an acid and / or base thereto.

アズルミン酸と遷移金属とを溶媒中で混合する際の溶媒温度は特に限定されないが、溶媒の融点以上かつ溶媒の沸点又は分解温度以下であると好ましい。混合時間としては、1分間〜100時間を例示できる。混合時間は、好ましくは10分〜20時間であり、より好ましくは30分〜2時間である。混合中は振とうしたり攪拌したり超音波をかけたりすることが好ましい。   Although the solvent temperature at the time of mixing an azurmic acid and a transition metal in a solvent is not specifically limited, It is preferable that it is more than the melting | fusing point of a solvent, and below the boiling point or decomposition temperature of a solvent. Examples of the mixing time include 1 minute to 100 hours. The mixing time is preferably 10 minutes to 20 hours, more preferably 30 minutes to 2 hours. During mixing, it is preferable to shake, stir or apply ultrasonic waves.

アズルミン酸と遷移金属の原料とを溶媒中で混合して得られる混合物から溶媒を除去する方法としては、常圧又は減圧下で混合物を加熱して溶媒を揮発させることにより除去する方法、並びに混合物を噴霧乾燥して溶媒を除去する方法を例示できる。   As a method for removing a solvent from a mixture obtained by mixing azulmic acid and a transition metal raw material in a solvent, a method for removing the solvent by volatilizing the solvent by heating the mixture under normal pressure or reduced pressure, and a mixture Can be exemplified by a method of removing the solvent by spray drying.

こうして、プレカーサー(窒素含有炭素原料の前駆体)が得られる。   Thus, a precursor (a precursor of a nitrogen-containing carbon raw material) is obtained.

次に、工程S14において、上記プレカーサーを炭化する。工程S14では、プレカーサーに熱処理を複数回施すことにより、プレカーサーを炭化して窒素含有炭素材料を合成する。この際、熱処理と熱処理との間(以下、「熱処理の合間」ともいう。)で遷移金属の少なくとも一部をプレカーサーから除去する(以下、この処理を単に「除去処理」ともいう。)。また、最終的な熱処理の後に、更に遷移金属を除去してもよい。ここで、「炭化」とは、最終的に得られる窒素含有炭素材料に含まれる窒素元素と水素元素と炭素元素との合計に対する炭素元素の含有割合が、プレカーサーに含まれる窒素元素と水素元素と炭素元素との合計に対する炭素元素の含有割合よりも高くなるような処理を意味する。   Next, in step S14, the precursor is carbonized. In step S14, the precursor is carbonized by applying heat treatment to the precursor a plurality of times to synthesize a nitrogen-containing carbon material. At this time, at least a part of the transition metal is removed from the precursor between the heat treatments (hereinafter also referred to as “interval between heat treatments”) (hereinafter, this treatment is also simply referred to as “removal treatment”). Further, the transition metal may be further removed after the final heat treatment. Here, “carbonization” means that the content ratio of the carbon element to the total of the nitrogen element, hydrogen element, and carbon element contained in the finally obtained nitrogen-containing carbon material is the nitrogen element and hydrogen element contained in the precursor. This means a treatment that is higher than the carbon element content relative to the total carbon element.

なお、熱処理を重ねる毎に、プレカーサー中に部分的に窒素含有炭素材料が生成すると考えられるので、1回以上熱処理を施した後、化学的には「プレカーサー」と「窒素含有炭素材料」との中間的な状態になる。ただし、本発明では、便宜上、そのような中間的な状態のものも含めて「プレカーサー」と呼ぶことにする。   Each time heat treatment is repeated, it is considered that a nitrogen-containing carbon material is partially generated in the precursor. Therefore, after the heat treatment is performed once or more, chemically, the “precursor” and the “nitrogen-containing carbon material” It becomes an intermediate state. However, in the present invention, for the sake of convenience, such an intermediate state is also referred to as a “precursor”.

除去処理において、遷移金属の少なくとも一部を除去する方法としては、プレカーサーを溶媒に接触させる方法が好ましい。これに用いる溶剤としては、硫酸、硝酸、塩化水素及びリン酸に代表される酸並びにそれらの酸の水溶液が例示できる。これらの中では、取り扱いの観点から水溶液が好ましい。溶剤として酸の水溶液を用いてプレカーサーに接触させる場合、遷移金属をより効率的に除去する観点から、溶剤のpHが4以下であることが好ましく、3以下であることがより好ましく、2以下であることが特に好ましい。このようなpHになるよう、酸の水溶液中の酸濃度を調整すればよい。酸又は酸の水溶液の温度は特に限定されないが、酸又は酸の水溶液が安定的な状態で効率的に除去処理を行う観点から、0〜100℃であることが好ましく、10〜50℃であることがより好ましい。プレカーサーを溶媒に接触させる方法としては、プレカーサーを溶媒に浸漬する方法、プレカーサーに溶媒を噴霧する(吹き付ける)方法が挙げられる。プレカーサーを溶媒に浸漬する際、プレカーサーを洗浄するように、プレカーサー及び/又は溶媒を撹拌等により揺動すると、遷移金属の除去効率が更に向上するから好ましい。   In the removal treatment, as a method of removing at least a part of the transition metal, a method of bringing the precursor into contact with a solvent is preferable. Examples of the solvent used for this include acids typified by sulfuric acid, nitric acid, hydrogen chloride and phosphoric acid, and aqueous solutions of those acids. Among these, an aqueous solution is preferable from the viewpoint of handling. When contacting the precursor using an aqueous acid solution as the solvent, the pH of the solvent is preferably 4 or less, more preferably 3 or less, from the viewpoint of more efficiently removing the transition metal. It is particularly preferred. What is necessary is just to adjust the acid concentration in the aqueous solution of acid so that it may become such pH. The temperature of the acid or the aqueous acid solution is not particularly limited, but it is preferably 0 to 100 ° C., and preferably 10 to 50 ° C. from the viewpoint of efficiently removing the acid or the aqueous acid solution in a stable state. It is more preferable. Examples of the method of bringing the precursor into contact with the solvent include a method of immersing the precursor in the solvent and a method of spraying (spraying) the solvent onto the precursor. When the precursor is immersed in the solvent, it is preferable to rock the precursor and / or the solvent by stirring or the like so as to wash the precursor because the transition metal removal efficiency is further improved.

また、除去処理に先立って、プレカーサーを粉砕すること(以下、単に「粉砕処理」ともいう。)により、遷移金属を除去する効率を更に高めることができる。この場合、遷移金属を除去する効率を高める観点から、プレカーサーの平均粒子径(体積基準のメディアン径:50%D)が0.001〜100μmになるまで粉砕、及び必要に応じて分級するのが好ましい。この程度まで粉砕するために、乾式及び湿式のボールミル、ビーズミル、ジェットミル及びハンマーミル等を用いることができる。ただし、熱処理前のプレカーサーは軟らかくて粉砕し難いので、熱処理を1回以上施したプレカーサーを粉砕するのが好ましい。また、全ての熱処理を終えた後の窒素含有炭素材料を粉砕すると、粉砕によって新たな面が露出することによって、窒素含有炭素材料の物性が不均一になる場合があるので、粉砕は熱処理の合間で行うのが好ましい。なお、分級は炭素材料や窒素含有炭素材料に用いられる公知の方法により行うことができる。   Prior to the removal treatment, the efficiency of removing the transition metal can be further increased by pulverizing the precursor (hereinafter also simply referred to as “pulverization treatment”). In this case, from the viewpoint of increasing the efficiency of removing the transition metal, it is pulverized until the average particle diameter of the precursor (volume-based median diameter: 50% D) becomes 0.001 to 100 μm, and classified as necessary. preferable. In order to grind to this extent, dry and wet ball mills, bead mills, jet mills, hammer mills and the like can be used. However, since the precursor before heat treatment is soft and difficult to grind, it is preferable to grind the precursor that has been heat-treated at least once. In addition, if the nitrogen-containing carbon material after the completion of all the heat treatments is pulverized, a new surface may be exposed due to the pulverization, so that the physical properties of the nitrogen-containing carbon material may become uneven. It is preferable to carry out. The classification can be performed by a known method used for carbon materials and nitrogen-containing carbon materials.

なお、プレカーサーに3回以上熱処理を施す場合、全ての熱処理の合間で除去処理を行うことも可能であるが、いずれかの熱処理の合間で除去処理を行えばよく、全ての熱処理の合間に除去処理を行う必要はない。例えば、(1)1回目の熱処理後に粉砕処理を行い、2回目の熱処理後に除去処理を行ってから3回目の熱処理を行ってもよいし、(2)1回目の熱処理の後で粉砕処理と除去処理とをこの順に行った後に2回目の熱処理を行ってもよい。また、除去処理を複数回繰り返してもよいので、必ずしも1度の除去処理によって、プレカーサーから全ての遷移金属を除去する必要はない。   If the precursor is heat-treated at least three times, it is possible to perform the removal treatment between all heat treatments, but the removal treatment may be performed between any heat treatments, and removal is performed between all heat treatments. There is no need to do any processing. For example, (1) the pulverization treatment may be performed after the first heat treatment, the removal treatment may be performed after the second heat treatment, and then the third heat treatment may be performed, or (2) the pulverization treatment may be performed after the first heat treatment. After performing the removal process in this order, a second heat treatment may be performed. Further, since the removal process may be repeated a plurality of times, it is not always necessary to remove all the transition metals from the precursor by a single removal process.

より具体的には、熱処理を2回行い、熱処理の合間に除去処理を行う場合、粉砕処理は、1回目の熱処理の前、1回目の熱処理と除去処理との間、除去処理と2回目の熱処理との間、及び2回目の熱処理の後、のいずれか1つ以上の段階で行うことが可能である。   More specifically, when the heat treatment is performed twice and the removal treatment is performed between the heat treatments, the pulverization treatment is performed between the first heat treatment and the removal treatment, between the first heat treatment and the removal treatment, before the first heat treatment. It can be carried out in any one or more stages during the heat treatment and after the second heat treatment.

また、熱処理を2回、除去処理を熱処理の合間と2回目の熱処理の後とで行う場合、粉砕処理は、1回目の熱処理の前、1回目の熱処理と1回目の除去処理との間、1回目の除去処理と2回目の熱処理との間、2回目の熱処理と2回目の除去処理との間、及び2回目の除去処理の後、のいずれか1つ以上の段階で行うことが可能である。   In addition, when the heat treatment is performed twice and the removal treatment is performed between the heat treatment and after the second heat treatment, the pulverization treatment is performed between the first heat treatment and the first removal treatment before the first heat treatment. Can be performed in one or more stages between the first removal treatment and the second heat treatment, between the second heat treatment and the second removal treatment, and after the second removal treatment. It is.

さらに、熱処理を3回行う場合、除去処理は、1回目の熱処理と2回目の熱処理との間、及び、2回目の熱処理と3回目の熱処理との間のいずれか1つ以上の段階で行うことが可能であり、更に3回目の熱処理の後に行ってもよい。この場合、粉砕処理は、いずれかの熱処理と除去処理との間、あるいは、除去処理が行われない熱処理の合間で行うことが可能であり、最後の熱処理又は除去処理の後に行うこともできる。   Further, when the heat treatment is performed three times, the removal treatment is performed at any one or more stages between the first heat treatment and the second heat treatment, and between the second heat treatment and the third heat treatment. In addition, it may be performed after the third heat treatment. In this case, the pulverization process can be performed between any of the heat treatments and the removal process, or between the heat treatments where the removal process is not performed, and can be performed after the last heat treatment or the removal process.

少なくとも1回熱処理を行った後に除去処理を行うことにより、熱処理によって価数の変化が生じた遷移金属を除去すると考えられる。例えば、プレカーサーに含まれる遷移金属が鉄である場合、通常、遷移金属源は塩であるので、熱処理前のプレカーサー中で鉄は2価又は3価の状態で存在する。このプレカーサーに熱処理を施した場合、一部の鉄は0価に還元されるが、この還元状態の鉄はその後の熱処理に影響を与えると本発明者らは想定している。鉄に限らず、還元状態の遷移金属が存在する状態で熱処理を更に進めた場合、プレカーサー中の窒素に遷移金属が作用するためか、得られる窒素含有炭素材料に含まれる窒素の割合が減少してしまう傾向が見られた。そこで、熱処理を段階的に行い、生成した還元状態の遷移金属を熱処理の合間に除去しながら窒素含有炭素材料を合成することにより、熱処理中の反応に影響する物質(遷移金属又はそれに由来する物質)をプレカーサーから排除しながら熱処理を進めることになるので、窒素の含有割合が高い窒素含有炭素材料を得ることが可能となった。   It is considered that the transition metal in which the valence has been changed by the heat treatment is removed by performing the removal treatment after performing the heat treatment at least once. For example, when the transition metal contained in the precursor is iron, since the transition metal source is usually a salt, iron exists in a divalent or trivalent state in the precursor before heat treatment. When this precursor is subjected to heat treatment, some of the iron is reduced to zero valence, but the present inventors assume that this reduced iron affects the subsequent heat treatment. When the heat treatment is further advanced in the presence of a transition metal in a reduced state, not limited to iron, the transition metal acts on nitrogen in the precursor, or the ratio of nitrogen contained in the resulting nitrogen-containing carbon material decreases. There was a tendency to end up. Therefore, substances that affect the reaction during the heat treatment (transition metals or substances derived from them) are synthesized by performing the heat treatment stepwise and synthesizing the nitrogen-containing carbon material while removing the generated transition metal in the reduced state between the heat treatments. ) Is excluded from the precursor, and it is possible to obtain a nitrogen-containing carbon material having a high nitrogen content.

熱処理は、プレカーサーを気相中で加熱する処理であればよく、熱処理の到達温度(最高温度)や温度パターン、熱処理の際のプレカーサー周囲の雰囲気は、熱処理毎に変更することができる。熱処理の回数は、得られる窒素含有炭素材料の性質及びプロセス上の観点から、2〜20回であることが好ましく、2〜10回であることがより好ましく、2〜5回であることが更に好ましい。熱処理に用いられる装置は特に限定されないが、例えば、回転炉、トンネル炉、管状炉、流動焼成炉が挙げられる。熱処理の温度は、プレカーサー中の窒素元素の含有割合を高く保ちつつ炭化を進行させる観点から、熱処理の段階が進む毎に到達温度を高くすることが好ましい。以下のものに限定されないが、例えば、熱処理を2回行う場合、1回目(1段目)の熱処理での温度よりも2回目の熱処理での温度の方が高いことが好ましく、1回目の熱処理の到達温度は400〜690℃であることが好ましく、450〜670℃であることがより好ましく、500〜650℃であることが更に好ましい。この場合、2回目(2段目)の熱処理の到達温度は700〜1200℃であることが好ましく、720〜1100℃であることがより好ましく、750〜1050℃であることが更に好ましい。   The heat treatment may be any treatment that heats the precursor in the gas phase, and the temperature (maximum temperature) of the heat treatment, the temperature pattern, and the atmosphere around the precursor during the heat treatment can be changed for each heat treatment. The number of heat treatments is preferably 2 to 20 times, more preferably 2 to 10 times, and further preferably 2 to 5 times, from the viewpoint of the properties of the obtained nitrogen-containing carbon material and the process. preferable. Although the apparatus used for heat processing is not specifically limited, For example, a rotary furnace, a tunnel furnace, a tubular furnace, a fluidized-fired furnace is mentioned. The temperature of the heat treatment is preferably increased every time the stage of the heat treatment proceeds from the viewpoint of proceeding carbonization while keeping the nitrogen element content in the precursor high. Although not limited to the following, for example, when the heat treatment is performed twice, the temperature in the second heat treatment is preferably higher than the temperature in the first (first stage) heat treatment. Is preferably 400 to 690 ° C, more preferably 450 to 670 ° C, and still more preferably 500 to 650 ° C. In this case, the ultimate temperature of the second (second stage) heat treatment is preferably 700 to 1200 ° C, more preferably 720 to 1100 ° C, and further preferably 750 to 1050 ° C.

熱処理の際のプレカーサーの周囲雰囲気におけるガスとしては、不活性ガス及び賦活ガスを適宜選択することができ、1種又は2種以上を用いることができる。以下のガスに限定されないが、例えば、不活性ガスとしては、窒素ガス、及び希ガス(例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス及びネオンガス)が挙げられ、賦活ガスとしては、空気、水素ガス、水蒸気、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、メタンガス、酸素ガス、一酸化窒素ガス、アンモニアガスとそれらを上記不活性ガスで希釈したものが挙げられる。賦活ガスとしては、得られる窒素含有炭素材料の窒素含有率の高さという観点から、純アンモニアガス、又は純アンモニアを不活性ガスで希釈したアンモニア含有ガスが好ましい。また、熱処理の際の気相の圧力は、常圧、加圧及び減圧(例えば、10kPa以下、好ましくは真空中)のいずれであってもよい。プレカーサー周囲のガスは静止していても流通していてもよいが、窒素含有炭素材料の収率の観点から、流通していることが好ましい。不活性ガス雰囲気下では、得られる窒素含有炭素材料の比表面積は比較的小さくなるものの、プレカーサー中のアズルミン酸のガス化反応が起こり難く、高収率で炭化が進行する。一方、プレカーサーに、好ましくは不活性ガス雰囲気下で一度熱処理を施して、ある程度炭化させた後に、アンモニア含有ガス雰囲気下で熱処理を施すと、高い窒素含有率を維持したまま比表面積の大きな窒素含有炭素材料を得やすくなる。したがって、まず、不活性ガス雰囲気下でプレカーサーの熱処理を行い、次にアンモニア含有ガス雰囲気下で熱処理を行うことが好ましい。   As the gas in the ambient atmosphere of the precursor during the heat treatment, an inert gas and an activation gas can be selected as appropriate, and one or more kinds can be used. Although not limited to the following gases, for example, examples of the inert gas include nitrogen gas and rare gases (for example, argon gas, helium gas, and neon gas), and examples of the activation gas include air, hydrogen gas, water vapor, and one gas. Examples thereof include carbon oxide gas, carbon dioxide gas, methane gas, oxygen gas, nitric oxide gas, ammonia gas and those diluted with the above inert gas. The activation gas is preferably pure ammonia gas or ammonia-containing gas obtained by diluting pure ammonia with an inert gas from the viewpoint of high nitrogen content of the obtained nitrogen-containing carbon material. Further, the pressure of the gas phase during the heat treatment may be any of normal pressure, pressurization, and reduced pressure (for example, 10 kPa or less, preferably in a vacuum). The gas around the precursor may be stationary or distributed, but is preferably distributed from the viewpoint of the yield of the nitrogen-containing carbon material. Under an inert gas atmosphere, although the specific surface area of the obtained nitrogen-containing carbon material is relatively small, the gasification reaction of azulmic acid in the precursor hardly occurs and carbonization proceeds at a high yield. On the other hand, when the precursor is preferably heat-treated once in an inert gas atmosphere and carbonized to some extent, and then heat-treated in an ammonia-containing gas atmosphere, nitrogen content with a large specific surface area is maintained while maintaining a high nitrogen content. It becomes easy to obtain a carbon material. Therefore, it is preferable to first heat the precursor in an inert gas atmosphere and then perform the heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere.

熱処理時間としては、一回の熱処理につき好ましくは10秒〜100時間、より好ましくは5分〜50時間、更に好ましくは15分〜20時間、特に好ましくは30分〜10時間である。また、熱処理の際の圧力は、好ましくは0.01〜5MPa、より好ましくは0.05〜1MPa、更に好ましくは0.08〜0.3MPa、特に好ましくは、0.09〜0.15MPaである。圧力が5MPa以下であることにより、窒素含有炭素材料がsp3軌道によって構成され導電性の低いダイヤモンド構造となるのをより有効に抑制でき、また、0.01MPa以上であることにより、設備の気密性の維持が容易になる。   The heat treatment time is preferably 10 seconds to 100 hours, more preferably 5 minutes to 50 hours, still more preferably 15 minutes to 20 hours, and particularly preferably 30 minutes to 10 hours per heat treatment. The pressure during the heat treatment is preferably 0.01 to 5 MPa, more preferably 0.05 to 1 MPa, still more preferably 0.08 to 0.3 MPa, and particularly preferably 0.09 to 0.15 MPa. . When the pressure is 5 MPa or less, it is possible to more effectively suppress the nitrogen-containing carbon material from being composed of sp3 orbits and having a low conductivity diamond structure, and when the pressure is 0.01 MPa or more, the airtightness of the equipment Maintenance becomes easier.

最後の熱処理までの各工程を経て得られる窒素含有炭素材料は、遷移金属を含んでいてもよい。窒素含有炭素材料において、遷移金属の一部は、何らかの形で窒素含有炭素材料の高機能化に寄与している可能性もある。ただし、遷移金属の大部分にはそのような効果はなく、むしろ、窒素含有炭素材料の性能の劣化を招く恐れがある。例えば、鉄錯体が熱処理中に還元されて金属鉄になると、窒素含有炭素材料からの窒素の脱離を促進する効果がある。そのため、熱処理の合間に除去処理を行うが、最後の熱処理の後にも除去処理を行うことが好ましい。この最後の熱処理の後に行う除去処理においても、硫酸、硝酸、塩化水素及びリン酸に代表される酸並びにそれらの酸の水溶液が例示でき、好ましくは酸の水溶液である。酸の水溶液中の酸濃度は1〜98質量%であることが好ましく、10〜90質量%であることがより好ましく、20〜80%であることが更に好ましい。遷移金属を含む窒素含有炭素材料に対する酸又はその水溶液の混合比率は、質量比で1〜100000であることが好ましく、10〜10000であることがより好ましい。この除去処理における酸又は酸の水溶液の温度は0〜100℃であることが好ましく、10〜50℃であることがより好ましい。   The nitrogen-containing carbon material obtained through each step up to the final heat treatment may contain a transition metal. In the nitrogen-containing carbon material, a part of the transition metal may contribute to the enhancement of the function of the nitrogen-containing carbon material in some form. However, most of the transition metals do not have such an effect, but rather may deteriorate the performance of the nitrogen-containing carbon material. For example, when the iron complex is reduced during the heat treatment to become metallic iron, there is an effect of promoting desorption of nitrogen from the nitrogen-containing carbon material. Therefore, although the removal process is performed between heat treatments, it is preferable to perform the removal process even after the final heat treatment. Also in the removal treatment performed after the final heat treatment, acids represented by sulfuric acid, nitric acid, hydrogen chloride and phosphoric acid and aqueous solutions of these acids can be exemplified, and an aqueous solution of an acid is preferable. The acid concentration in the aqueous acid solution is preferably 1 to 98% by mass, more preferably 10 to 90% by mass, and still more preferably 20 to 80%. The mixing ratio of the acid or the aqueous solution thereof to the nitrogen-containing carbon material containing a transition metal is preferably 1 to 100,000, more preferably 10 to 10,000 in terms of mass ratio. The temperature of the acid or aqueous acid solution in this removal treatment is preferably 0 to 100 ° C, more preferably 10 to 50 ° C.

上述の観点から、最終的な含窒素炭素材料中の遷移金属の濃度は20質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが更に好ましい。   From the above viewpoint, the transition metal concentration in the final nitrogen-containing carbon material is preferably 20% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and further preferably 1% by mass or less. .

本実施形態の窒素含有炭素材料は、その用途によって、所望の平均粒子径を有するように調整され得る。窒素含有炭素材料を電極として用いる場合、電極としての性能を効率的に発揮するためには、その平均粒子径((体積基準のメディアン径:50%D)を適切に調整することが好ましい。具体的には、電極の比活性を向上させるためには平均粒子径が小さい方が好ましく、また、粒子同士が密に凝集し物質輸送が阻害されることを抑制する観点(例えば、固体高分子形燃料電池の正極触媒として用いる場合、酸素分子が活性点に供給され難くなるのを避ける観点)から、平均粒子径は大きい方が好ましい。これらのことを踏まえて電極としての性能を効率的に発揮する観点から、窒素含有炭素材料の平均粒子径は、1nm以上100μm以下であることが好ましく、5nm以上10μm以下であることがより好ましく、10nm以上1μm以下であることが更に好ましい。一般に、アズルミン酸やプレカーサーは熱処理によって融解しないため、平均粒子径を調整するには、炭化工程の前にアズルミン酸及び/又はプレカーサーを造粒したり粉砕したりしてもよく、炭化工程中の熱処理の間にプレカーサーを粉砕してもよく、炭化工程後に窒素含有炭素材料を粉砕してもよい。特に、窒素含有炭素材料の平均粒子径を1μm以下の微粒子とする場合、粉砕が適しているが、熱処理前のアズルミン酸やプレカーサーは粘着性が高かったり軟らかかったりし、炭化工程後の含窒素炭素材料は硬度が高いため、上述のように炭化工程における熱処理の合間に、プレカーサーを粉砕することが好ましい。プレカーサーの粘着性や柔らかさをなるべく低減してから粉砕を行う観点から、好ましくは到達温度200〜1000℃、より好ましくは300〜900℃、更に好ましくは400〜800℃で熱処理した後のプレカーサーを粉砕する。造粒の方法としては、以下の方法に限らないが、例えば、アズルミン酸と遷移金属の原料とを含む液を乾燥させる際に、スプレードライヤーにて造粒する方法が挙げられる。また、粉砕の方法としては、以下の方法に限らないが、例えば、プレカーサー又は窒素含有炭素材料をボールミル、ビーズミル、ジェットミル等にて粉砕する方法が挙げられる。   The nitrogen-containing carbon material of the present embodiment can be adjusted so as to have a desired average particle diameter depending on its use. When a nitrogen-containing carbon material is used as an electrode, it is preferable to appropriately adjust the average particle diameter ((volume-based median diameter: 50% D)) in order to efficiently exhibit the performance as an electrode. Specifically, in order to improve the specific activity of the electrode, it is preferable that the average particle diameter is small, and the viewpoint that suppresses that the particles are densely aggregated and mass transport is inhibited (for example, solid polymer type) When used as a positive electrode catalyst of a fuel cell, it is preferable that the average particle diameter is large from the viewpoint of preventing oxygen molecules from becoming difficult to be supplied to the active site. From this viewpoint, the average particle diameter of the nitrogen-containing carbon material is preferably 1 nm or more and 100 μm or less, more preferably 5 nm or more and 10 μm or less, and 10 nm or more and 1 μm or less. In general, since azulmic acid and precursor are not melted by heat treatment, the average particle size can be adjusted by granulating or pulverizing azulmic acid and / or precursor before the carbonization step. The precursor may be pulverized during the heat treatment during the carbonization process, or the nitrogen-containing carbon material may be pulverized after the carbonization process, particularly when the average particle diameter of the nitrogen-containing carbon material is 1 μm or less. Although pulverization is suitable, azurmic acid and precursors before heat treatment are highly sticky or soft, and nitrogen-containing carbon material after carbonization process has high hardness. It is preferable to pulverize the precursor from the viewpoint of pulverizing after reducing the tackiness and softness of the precursor as much as possible. The precursor after heat treatment at an ultimate temperature of 200 to 1000 ° C., more preferably 300 to 900 ° C., and even more preferably 400 to 800 ° C. is pulverized. Examples of a method of granulating with a spray dryer when drying a liquid containing an acid and a raw material of a transition metal include, but are not limited to the following methods, but include, for example, a precursor or a nitrogen-containing material. Examples thereof include a method of pulverizing a carbon material with a ball mill, a bead mill, a jet mill or the like.

なお、本実施形態の窒素含有炭素材料は、例えば、一酸化窒素、一酸化炭素、芳香族炭化水素等の有害物質を酸化する排ガス浄化触媒、ベンジルアルコール類の選択的酸化触媒として用いることも可能である。この場合、触媒としての性能を効率的に発揮し、かつ触媒の損失を防止する観点から、平均粒子径(体積基準のメディアン径:50%D)が0.1μm以上100μm以下であることが好ましく、0.5μm以上30μm以下であることがより好ましい。   The nitrogen-containing carbon material of the present embodiment can also be used, for example, as an exhaust gas purification catalyst that oxidizes harmful substances such as nitric oxide, carbon monoxide, and aromatic hydrocarbons, and a selective oxidation catalyst for benzyl alcohols. It is. In this case, the average particle diameter (volume-based median diameter: 50% D) is preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less from the viewpoint of efficiently exhibiting the performance as a catalyst and preventing the loss of the catalyst. More preferably, it is 0.5 μm or more and 30 μm or less.

電極又は触媒用途向けには、窒素含有炭素材料のBET法により測定した比表面積は、30〜2500m2/gの範囲内にすることが好ましい。比表面積を30m2/g以上とすることにより各種の活性をより高めることができ、2500m2/g以下とすることにより、そのような比表面積を有する窒素含有炭素材料を合成するのが更に容易となる。BET法により測定した比表面積のより好ましい範囲は、50〜1000m2/gである。比表面積を増大するには、一般の炭素材料と同様に、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、塩化亜鉛、リン酸等を用いた薬品賦活や、二酸化炭素、水素、水蒸気等を用いたガス賦活を用いることができるが、窒素含有炭素材料における高窒素含有率を維持する観点から、上記のアンモニア含有ガス又は酸素含有ガスを用いるガス賦活が好ましい。 For electrode or catalyst applications, the specific surface area of the nitrogen-containing carbon material measured by the BET method is preferably in the range of 30 to 2500 m 2 / g. By setting the specific surface area to 30 m 2 / g or more, various activities can be further enhanced, and by setting the specific surface area to 2500 m 2 / g or less, it is easier to synthesize a nitrogen-containing carbon material having such a specific surface area. It becomes. A more preferable range of the specific surface area measured by the BET method is 50 to 1000 m 2 / g. In order to increase the specific surface area, chemical activation using potassium hydroxide, sodium hydroxide, zinc chloride, phosphoric acid, etc., and gas activation using carbon dioxide, hydrogen, water vapor, etc. are performed as in the case of general carbon materials. Although it can be used, gas activation using the above ammonia-containing gas or oxygen-containing gas is preferable from the viewpoint of maintaining a high nitrogen content in the nitrogen-containing carbon material.

本実施態様の窒素含有炭素材料は、炭素原子に対する窒素原子の原子数比(N/C)が0.005〜0.6であると好ましい。また、CuKα線をX線源として得られるX線回折図において、回折角(2θ)が24.0〜26.5°の位置にピークを有し、該ピークの半値幅が7.5°以下であると好ましい。これらが上記数値範囲内にあることにより、窒素含有炭素材料は、本発明による作用効果をより有効且つ確実に奏することができる。   The nitrogen-containing carbon material of this embodiment preferably has an atomic ratio (N / C) of nitrogen atoms to carbon atoms of 0.005 to 0.6. In addition, in an X-ray diffraction diagram obtained using CuKα rays as an X-ray source, the diffraction angle (2θ) has a peak at a position of 24.0 to 26.5 °, and the half width of the peak is 7.5 ° or less. Is preferable. When these are within the above numerical range, the nitrogen-containing carbon material can more effectively and reliably exhibit the effects of the present invention.

上記(N/C)は、より好ましくは0.04以上、更に好ましくは0.05以上、特に好ましくは0.06以上である。また、上記(N/C)は、より好ましくは0.5以下、更に好ましくは0.4以下、特に好ましくは0.3以下である。   The above (N / C) is more preferably 0.04 or more, further preferably 0.05 or more, and particularly preferably 0.06 or more. The (N / C) is more preferably 0.5 or less, still more preferably 0.4 or less, and particularly preferably 0.3 or less.

上記回折角(2θ)は、より好ましくは25.0〜26.7°の位置に、更に好ましくは25.4〜26.5°の位置に、特に好ましくは25.6〜26.4°の位置にピークを有する。上記ピークの半値幅は、より好ましくは7°以下であり、更に好ましくは6°以下であり、特に好ましくは5°以下である。また、上記ピークの半値幅は、より好ましくは0.001°以上であり、更に好ましくは0.01°以上であり、特に好ましくは0.04°以上である。   The diffraction angle (2θ) is more preferably 25.0 to 26.7 °, still more preferably 25.4 to 26.5 °, and particularly preferably 25.6 to 26.4 °. Has a peak in position. The full width at half maximum of the peak is more preferably 7 ° or less, still more preferably 6 ° or less, and particularly preferably 5 ° or less. The half width of the peak is more preferably 0.001 ° or more, still more preferably 0.01 ° or more, and particularly preferably 0.04 ° or more.

上記炭化工程の熱処理における温度を上述の程度まで高くすることにより、窒素含有炭素材料の結晶成長がより十分となり、半値幅が更に狭くなり、上述の範囲にX線回折ピークを有するようになる。あるいは、上述のようにして得られた窒素含有炭素材料を、例えば、1200〜1500℃の高温で更に焼成することにより、半値幅やX線回折ピークを上述の範囲内に制御することも可能である。   By increasing the temperature in the heat treatment in the carbonization step to the above-described level, the crystal growth of the nitrogen-containing carbon material becomes more sufficient, the full width at half maximum is further narrowed, and the X-ray diffraction peak comes to be in the above range. Alternatively, the full width at half maximum and the X-ray diffraction peak can be controlled within the above-described range by further firing the nitrogen-containing carbon material obtained as described above at a high temperature of 1200 to 1500 ° C., for example. is there.

例えば、窒素含有炭素材料を作製し、これを大気圧下、200Ncc/min.の窒素気流中で60分かけて1000℃まで昇温し、1000℃で1時間保持することにより、X線回折角(2θ)が24.0〜26.5°の位置にピークを有し、該ピークの半値幅が7.5°以下である窒素含有炭素材料を得ることができる。   For example, a nitrogen-containing carbon material is prepared, and this is 200 Ncc / min. The temperature was raised to 1000 ° C. over 60 minutes in a nitrogen stream and held at 1000 ° C. for 1 hour, whereby the X-ray diffraction angle (2θ) had a peak at a position of 24.0 to 26.5 °, A nitrogen-containing carbon material having a half width of the peak of 7.5 ° or less can be obtained.

なお、上述から推測できるとおり、焼成履歴の不明な窒素含有炭素材料についてX線回折ピークを調べる場合、窒素含有炭素材料の試験片を焼成せずにX線回折の測定を行い、所定の回折ピークを示さないときは、試験片を大気圧下200Ncc/min.の窒素気流中で60分かけて1000℃まで昇温し、1000℃で1時間ホールド(保持)した後のX線回折ピークも調べるのが好ましい。   As can be inferred from the above, when examining the X-ray diffraction peak of a nitrogen-containing carbon material whose firing history is unknown, the X-ray diffraction measurement is performed without firing the test piece of the nitrogen-containing carbon material, and a predetermined diffraction peak is obtained. Is not shown, the test piece was 200 Ncc / min. It is preferable to examine the X-ray diffraction peak after the temperature is raised to 1000 ° C. in a nitrogen flow of 60 minutes and held at 1000 ° C. for 1 hour.

本実施形態の窒素含有炭素材料は、固体高分子型に代表される燃料電池用電極、金属−空気電池用電極等の各種電極の材料として用いることができ、その電極としての活性は従来の窒素含有炭素材料と比較して高いものである。また、本実施形態の窒素含有炭素材料は、各種化学反応の触媒としても用いることが可能であり、その触媒としての活性は従来の窒素含有炭素材料と比較して高いものである。   The nitrogen-containing carbon material of the present embodiment can be used as a material for various electrodes such as a fuel cell electrode typified by a solid polymer type and a metal-air battery electrode, and the activity as the electrode is conventional nitrogen. It is high compared with the contained carbon material. In addition, the nitrogen-containing carbon material of the present embodiment can be used as a catalyst for various chemical reactions, and its activity as a catalyst is higher than that of a conventional nitrogen-containing carbon material.

本実施形態の窒素含有炭素材料を用いた、すなわちこれを含む電極を作製する方法は特に限定されず、従来の炭素材料と同様の一般的な方法で作製することができる。例えば、窒素含有炭素材料とプロトン伝導性物質とを溶媒中で混合してペースト状とし、これをプロトン伝導性膜に直接塗布した後に、その塗布層を乾燥させることにより電極を作製することができる。プロトン伝導性物質としてはプロトンを伝達できる材料であれば特に制限なく用いることができ、ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)、アシプレックス(商品名、旭化成イーマテリアルズ社製)などのスルホン酸基を有する含フッ素系イオン交換樹脂が挙げられる。また、プロトン伝導性膜としては、プロトン伝導性物質と同様の材料からなる膜を用いることができる。電極を作製する方法として、プロトン伝導性膜に直接ペーストを塗布する方法だけでなく、テトラフルオロエチレンシート等のシート上にペーストを塗布して電極を作製した後に、プロトン伝導性膜にその電極を転写する方法も採用できる。   The method for producing the electrode containing the nitrogen-containing carbon material of the present embodiment, that is, including the same, is not particularly limited, and can be produced by a general method similar to the conventional carbon material. For example, an electrode can be produced by mixing a nitrogen-containing carbon material and a proton conductive material in a solvent to form a paste, applying the paste directly to the proton conductive membrane, and then drying the applied layer. . Any proton-conducting material can be used as long as it can transmit protons. Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass), Aciplex (trade name, Asahi Kasei E) And fluorine-containing ion exchange resins having a sulfonic acid group, such as Materials). As the proton conductive membrane, a membrane made of the same material as the proton conductive substance can be used. As a method for producing an electrode, not only a method of directly applying a paste to a proton conductive membrane, but also an electrode is produced by applying a paste on a sheet such as a tetrafluoroethylene sheet, and then the electrode is applied to the proton conductive membrane. A transfer method can also be adopted.

アズルミン酸の原料としてはアクリロニトリル等基礎原料の製造において、プロピレンやプロパン等の原料が反応する際に副生物として得られる青酸が利用可能である。青酸を熱処理して製造されるアズルミン酸から窒素含有炭素材料を製造する方法は、工程数が少なく、比較的高い収率である。よって省資源、省エネルギーに窒素含有炭素材料を製造する方法と言える。したがって、燃料電池の電極及びこの電極を用いて得られる燃料電池に利用する場合も、効率的且つ安価で、しかも省資源、省エネルギーで製造することができ、工業上非常に有用である。   As a raw material of azulmic acid, hydrocyanic acid obtained as a by-product when a raw material such as propylene or propane reacts in the production of a basic raw material such as acrylonitrile can be used. The method for producing a nitrogen-containing carbon material from azulmic acid produced by heat treating cyanic acid has a small number of steps and a relatively high yield. Therefore, it can be said that it is a method for producing a nitrogen-containing carbon material in order to save resources and energy. Therefore, even when used for an electrode of a fuel cell and a fuel cell obtained by using this electrode, it can be manufactured efficiently and inexpensively with resource saving and energy saving, which is very useful industrially.

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。   As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to the said this embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

以下に本発明の実施例等を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、これらは例示的なものであり、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。当業者は、以下に示す実施例に様々な変更を加えて本発明として実施することができ、かかる変更は本願の特許請求の範囲に包含される。   EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples of the present invention below, but these are illustrative and the present invention is not limited to the following examples. Those skilled in the art can make various modifications to the embodiments described below and implement the present invention, and such modifications are included in the claims of the present application.

分析方法は以下のとおりとした。
<分析方法>
(電気化学測定)
電極作製法及び回転電極法によるリニアスイープボルタンメトリーの測定方法(日厚計測製の回転リングディスク電極装置「RRDE−1」を使用。)を以下に示す。まず、バイアル瓶に、含窒素炭素材料5mgを秤取し、そこに、ガラスビーズをスパチュラ一杯、5質量%ナフィオン(商品名)分散液(シグマアルドリッチジャパン製)を50μL、並びにイオン交換水及びエタノールをそれぞれ150μLずつ添加し、それらの混合物に20分間超音波を照射してスラリーを作製した。このスラリーを4μL秤取し、回転電極のガラス状炭素上に塗布し、飽和水蒸気下で乾燥した。乾燥後の回転電極を作用極とし、可逆水素電極(RHE)を参照極として、炭素電極を対極とした。0.5M硫酸を電解液とし、その電解液に酸素を30分間バブリングした後、掃引速度1mV/s、回転速度1500rpmで1.1Vから0Vまで掃引して電気化学測定を行った。
The analysis method was as follows.
<Analysis method>
(Electrochemical measurement)
The measurement method of linear sweep voltammetry by the electrode manufacturing method and the rotating electrode method (using a rotating ring disk electrode device “RRDE-1” manufactured by Nisshi Kogyo) is shown below. First, 5 mg of a nitrogen-containing carbon material is weighed into a vial, and a glass bead is filled with a spatula, 5% by mass of Nafion (trade name) dispersion (manufactured by Sigma Aldrich Japan) is 50 μL, ion-exchanged water and ethanol. 150 μL of each was added, and the mixture was irradiated with ultrasonic waves for 20 minutes to prepare a slurry. 4 μL of this slurry was weighed, applied onto the glassy carbon of the rotating electrode, and dried under saturated steam. The dried rotating electrode was the working electrode, the reversible hydrogen electrode (RHE) was the reference electrode, and the carbon electrode was the counter electrode. 0.5M sulfuric acid was used as an electrolyte solution, and oxygen was bubbled through the electrolyte solution for 30 minutes, and then the electrochemical measurement was performed by sweeping from 1.1 V to 0 V at a sweep speed of 1 mV / s and a rotation speed of 1500 rpm.

<アズルミン酸の製造例>
水350gに青酸150gを溶解させた水溶液を調製し、攪拌を行いながら、その水溶液に25%アンモニア水溶液120gを10分間かけて添加し、得られた混合液を35℃に加熱した。重合が始まり黒褐色の重合物が析出し始め、温度は徐々に上昇し45℃となった。重合開始2時間後から30質量%の青酸水溶液を200g/hの速度で更に添加し、4時間かけて800g添加した。青酸水溶液の添加中は反応温度を50℃に保つように制御した。この温度で、更に100時間攪拌した。得られた黒色沈殿物をろ過によって分離し、黒色のアズルミン酸を得た。このときの青酸に対するアズルミン酸の収率は96%であった。得られた黒色のアズルミン酸を水洗した後、乾燥器にて120℃で4時間乾燥させた。
<Production example of azulmic acid>
An aqueous solution in which 150 g of hydrocyanic acid was dissolved in 350 g of water was prepared. While stirring, 120 g of a 25% aqueous ammonia solution was added to the aqueous solution over 10 minutes, and the resulting mixture was heated to 35 ° C. Polymerization started and a blackish brown polymer started to precipitate, and the temperature gradually increased to 45 ° C. From 2 hours after the start of polymerization, a 30% by mass aqueous solution of hydrocyanic acid was further added at a rate of 200 g / h, and 800 g was added over 4 hours. During the addition of the aqueous hydrocyanic acid solution, the reaction temperature was controlled to be kept at 50 ° C. The mixture was further stirred at this temperature for 100 hours. The resulting black precipitate was separated by filtration to obtain black azulmic acid. At this time, the yield of azulmic acid with respect to hydrocyanic acid was 96%. The obtained black azulmic acid was washed with water and then dried at 120 ° C. for 4 hours in a dryer.

[比較例1]
<プレカーサーの調製>
1Lのナス型フラスコに上記乾燥後のアズルミン酸6.0g、硝酸鉄(III)・9水和物0.55g及び純水400gを加え、90℃の油浴中で1時間撹拌した。その後、ロータリーエバポレーターにて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で8時間乾燥させてプレカーサーを得た。
[Comparative Example 1]
<Precursor preparation>
To the 1 L eggplant-shaped flask were added 6.0 g of azulmic acid after drying, 0.55 g of iron (III) nitrate nonahydrate and 400 g of pure water, and the mixture was stirred in an oil bath at 90 ° C. for 1 hour. Then, the solvent was removed with a rotary evaporator and dried at 80 ° C. for 8 hours with a vacuum dryer to obtain a precursor.

<窒素含有炭素材料の合成>
得られたプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、プレカーサーから鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.29g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
1.0 g of the obtained precursor was placed on a quartz boat, which was placed in a quartz tubular furnace having an inner diameter of 36 mm, and the furnace was heated from room temperature to 600 at room temperature over 60 minutes under a nitrogen flow of atmospheric pressure and 1 NL / min. The temperature was raised to 0 ° C. and kept at 600 ° C. for 5 hours. After cooling to room temperature, this was pulverized and classified with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, trade name “Pulverisete-7”) to adjust the average particle size to about 2 μm. Thereafter, the precursor after classification is immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours and then filtered three times to remove at least a part of iron from the precursor, and finally the nitrogen-containing carbon material 0.29 g was obtained. The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. Table 1 shows currents when the potential is 0.5V.

[比較例2]
<窒素含有炭素材料の合成>
比較例1の「プレカーサーの調製」において調製したプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で80分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、プレカーサーから鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.15g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
[Comparative Example 2]
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
1.0 g of the precursor prepared in “Preparation of Precursor” of Comparative Example 1 was placed on a quartz boat, accommodated in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm, and the inside of the furnace was fed with nitrogen at atmospheric pressure and 1 NL / min. The temperature was raised from room temperature to 800 ° C. over 80 minutes and kept at 800 ° C. for 1 hour. After cooling to room temperature, this was pulverized and classified with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, trade name “Pulverisete-7”) to adjust the average particle size to about 2 μm. Thereafter, the precursor after classification is immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours and then filtered three times to remove at least a part of iron from the precursor, and finally the nitrogen-containing carbon material 0.15 g was obtained. The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. Table 1 shows currents when the potential is 0.5V.

[実施例1]
<窒素含有炭素材料の合成>
プレカーサーとして、比較例1の「窒素含有炭素材料の合成」と同様の方法により合成した窒素含有炭素材料0.29gを用いた。それを石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス流通下で20分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを、33質量%の塩酸400mLに浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.04g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
[Example 1]
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
As a precursor, 0.29 g of a nitrogen-containing carbon material synthesized by the same method as “Synthesis of nitrogen-containing carbon material” in Comparative Example 1 was used. It was placed on a quartz boat and housed in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm. The inside of the furnace was heated from room temperature to 800 ° C. over 20 minutes under an atmospheric pressure, 1 NL / min ammonia gas flow. It was kept for 1 hour. After cooling to room temperature, this was immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours and then filtered three times to remove at least a portion of the iron, and finally the nitrogen-containing carbon material 0.04 g was obtained. The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. Table 1 shows currents when the potential is 0.5V.

[実施例2]
<窒素含有炭素材料の合成>
プレカーサーとして、実施例1の「窒素含有炭素材料の合成」と同様の方法により合成した窒素含有炭素材料0.20gを用いた。それを石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス流通下で20分間かけて室温から1000℃まで昇温し、1000℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを、33質量%の塩酸400mLに浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.05g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
[Example 2]
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
As a precursor, 0.20 g of a nitrogen-containing carbon material synthesized by the same method as “Synthesis of nitrogen-containing carbon material” in Example 1 was used. It was placed on a quartz boat and housed in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm, and the temperature inside the furnace was increased from room temperature to 1000 ° C. over 20 minutes under the flow of ammonia gas at atmospheric pressure and 1 NL / min. It was kept for 1 hour. After cooling to room temperature, this was immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours and then filtered three times to remove at least a portion of the iron, and finally the nitrogen-containing carbon material 0.05 g was obtained. The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. Table 1 shows currents when the potential is 0.5V.

[比較例3]
<プレカーサーの調製>
1Lのナス型フラスコにエチレンジアミン80g、純水200gを加え撹拌してエチレンジアミン水溶液を調製した。そこに上記乾燥後のアズルミン酸6.0gを添加し、90℃の油浴中で1時間撹拌した。次に、そこに鉄フタロシアニンを1.8g添加し、再び90℃の油浴中で1時間撹拌した。その後、ロータリーエバポレーターにて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で8時間乾燥させてプレカーサーを得た。
[Comparative Example 3]
<Precursor preparation>
To a 1 L eggplant-shaped flask, 80 g of ethylenediamine and 200 g of pure water were added and stirred to prepare an ethylenediamine aqueous solution. Thereto was added 6.0 g of the dried azulmic acid, and the mixture was stirred in an oil bath at 90 ° C. for 1 hour. Next, 1.8 g of iron phthalocyanine was added thereto and again stirred in an oil bath at 90 ° C. for 1 hour. Then, the solvent was removed with a rotary evaporator and dried at 80 ° C. for 8 hours with a vacuum dryer to obtain a precursor.

<窒素含有炭素材料の合成>
得られたプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で80分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、プレカーサーから鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.36g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
1.0 g of the obtained precursor was placed on a quartz boat, which was placed in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm, and the inside of the furnace was heated from room temperature to 800 ° C. over 80 minutes under nitrogen flow at atmospheric pressure and 1 NL / min. The temperature was raised to 0 ° C. and kept at 800 ° C. for 5 hours. After cooling to room temperature, this was pulverized and classified with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, trade name “Pulverisete-7”) to adjust the average particle size to about 2 μm. Thereafter, the precursor after classification is immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours and then filtered three times to remove at least a part of iron from the precursor, and finally the nitrogen-containing carbon material 0.36 g was obtained. The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. Table 1 shows currents when the potential is 0.5V.

[実施例3]
<窒素含有炭素材料の合成>
比較例3の「プレカーサーの調製」において調製したプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、プレカーサーから鉄の少なくとも一部を除去した。更に、この除去処理後のプレカーサーを全量石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス流通下で20分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを、33質量%の塩酸400mLに浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.05g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
[Example 3]
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
1.0 g of the precursor prepared in “Preparation of Precursor” of Comparative Example 3 was placed on a quartz boat, accommodated in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm, and nitrogen flow in the furnace at atmospheric pressure and 1 NL / min. The temperature was raised from room temperature to 600 ° C. over 60 minutes and kept at 600 ° C. for 5 hours. After cooling to room temperature, this was pulverized and classified with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, trade name “Pulverisete-7”) to adjust the average particle size to about 2 μm. Thereafter, the precursor after classification was immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours, and then filtered three times to remove at least a part of iron from the precursor. Further, the precursor after the removal treatment was placed in a quartz boat in a total amount and accommodated in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm, and the inside of the furnace was heated from room temperature to 800 ° C. over 20 minutes under an ammonia gas flow of atmospheric pressure and 1 NL / min. And kept at 800 ° C. for 1 hour. After cooling to room temperature, this was immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours and then filtered three times to remove at least a portion of the iron, and finally the nitrogen-containing carbon material 0.05 g was obtained. The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. Table 1 shows currents when the potential is 0.5V.

[比較例4]
<プレカーサーの調製>
1Lのナス型フラスコにアズルミン酸6.0g、硝酸コバルト(II)・6水和物0.93g及び純水400gを加え、90℃の油浴中で1時間撹拌した。その後、ロータリーエバポレーターにて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で8時間乾燥させてプレカーサーを得た。
[Comparative Example 4]
<Precursor preparation>
Into a 1 L eggplant-shaped flask, 6.0 g of azulmic acid, 0.93 g of cobalt (II) nitrate hexahydrate and 400 g of pure water were added, and the mixture was stirred in a 90 ° C. oil bath for 1 hour. Then, the solvent was removed with a rotary evaporator and dried at 80 ° C. for 8 hours with a vacuum dryer to obtain a precursor.

<窒素含有炭素材料の合成>
得られたプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、プレカーサーからコバルトの少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.30g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
1.0 g of the obtained precursor was placed on a quartz boat, which was placed in a quartz tubular furnace having an inner diameter of 36 mm, and the furnace was heated from room temperature to 600 at room temperature over 60 minutes under a nitrogen flow of atmospheric pressure and 1 NL / min. The temperature was raised to 0 ° C. and kept at 600 ° C. for 5 hours. After cooling to room temperature, a planetary ball mill by grinding and classifying at (Fritsch, Ltd., trade name "Pulverisette-7"), to adjust the average particle size of about 2 [mu] m. Thereafter, the precursor after classification is immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours and then filtered three times to remove at least a part of cobalt from the precursor, and finally the nitrogen-containing carbon material 0.30 g was obtained. The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. Table 1 shows currents when the potential is 0.5V.

比較例5
<窒素含有炭素材料の合成>
比較例4の「プレカーサーの合成」において調製したプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、濃塩酸に分級後のプレカーサーを浸漬して濾過することによりコバルトの少なくとも一部を除去した。更に、この除去処理後のプレカーサーを全量石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉にて、大気圧、1NL/minの窒素流通下で20分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを、33質量%の塩酸400mLに浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、コバルトの少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.04g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
[ Comparative Example 5 ]
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
1.0 g of the precursor prepared in “Precursor synthesis” of Comparative Example 4 was placed on a quartz boat, and it was housed in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm, and the inside of the furnace was supplied with nitrogen at atmospheric pressure and 1 NL / min. The temperature was raised from room temperature to 600 ° C. over 60 minutes and kept at 600 ° C. for 5 hours. After cooling to room temperature, this was pulverized and classified with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, trade name “Pulverisete-7”) to adjust the average particle size to about 2 μm. Thereafter, at least a part of the cobalt was removed by immersing the classified precursor in concentrated hydrochloric acid and filtering. Furthermore, the precursor after the removal treatment was placed in a quartz boat in a total amount, and the temperature was raised from room temperature to 800 ° C. over 20 minutes in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm under a nitrogen flow of atmospheric pressure and 1 NL / min. It was kept at 800 ° C. for 1 hour. After cooling to room temperature, this was immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours, and then filtered three times to remove at least a part of cobalt , and finally the nitrogen-containing carbon material was removed. 0.04 g was obtained. The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. Table 1 shows currents when the potential is 0.5V.

[実施例
<窒素含有炭素材料の合成>
比較例1の「プレカーサーの合成」と同様にして調製したプレカーサーのうち1.0gを石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、それを大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から500℃まで昇温し、500℃のまま5時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。その後、33質量%の塩酸400mLに分級後のプレカーサーを浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去したプレカーサー0.29gを得た。このプレカーサー0.29gを石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス流通下で20分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを、33質量%の塩酸400mLに浸漬して2時間撹拌した後に濾過することを3回繰り返すことにより、鉄の少なくとも一部を除去し、最終的に窒素含有炭素材料を0.04g得た。得られた窒素含有炭素材料について、上記電気化学測定を行った。電位が0.5Vのときの電流を表1に示す。
[Example 4 ]
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
1.0 g of the precursor prepared in the same manner as “Synthesis of Precursor” in Comparative Example 1 was placed on a quartz boat and accommodated in a quartz tubular furnace having an inner diameter of 36 mm, which was passed through nitrogen at an atmospheric pressure of 1 NL / min. The temperature was raised from room temperature to 500 ° C. over 60 minutes and kept at 500 ° C. for 5 hours. After cooling to room temperature, this was pulverized and classified with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, trade name “Pulverisete-7”) to adjust the average particle size to about 2 μm. Thereafter, the precursor after classification was immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours and then filtered three times to obtain 0.29 g of a precursor from which at least a part of iron had been removed. 0.29 g of this precursor was placed on a quartz boat, accommodated in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm, and the inside of the furnace was heated from room temperature to 800 ° C. over 20 minutes under the flow of ammonia gas at atmospheric pressure and 1 NL / min. And kept at 800 ° C. for 1 hour. After cooling to room temperature, this was immersed in 400 mL of 33% by mass hydrochloric acid, stirred for 2 hours and then filtered three times to remove at least a portion of the iron, and finally the nitrogen-containing carbon material 0.04 g was obtained. The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. Table 1 shows currents when the potential is 0.5V.

本発明の窒素含有炭素材料は、燃料電池用電極、金属−空気電池の電極等の各種電極の他、化学反応の触媒等として有用である。また、本発明の窒素含有炭素材料の製造方法は、アクリロニトリル等の基礎原料の製造において副生物として製造されている青酸の重合物を利用可能であり、工程数が少なく、しかも炭素化収率が高い。そのため、省資源、省エネルギーとなる製造方法として有用である。   The nitrogen-containing carbon material of the present invention is useful as a catalyst for a chemical reaction in addition to various electrodes such as an electrode for a fuel cell and an electrode for a metal-air battery. Further, the method for producing a nitrogen-containing carbon material of the present invention can use a polymer of cyanuric acid produced as a by-product in the production of basic raw materials such as acrylonitrile, has a small number of steps, and has a carbonization yield. high. Therefore, it is useful as a production method that saves resources and energy.

Claims (4)

アズルミン酸ととを含む窒素含有炭素材料のプレカーサーを炭化する工程を有し、
前記工程が、前記プレカーサーに第1の熱処理を施す第1の工程と、前記第1の熱処理を施された前記プレカーサーから前記の少なくとも一部を除去する第2の工程と、前記の少なくとも一部が除去された前記プレカーサーに第2の熱処理を施す第3の工程と、を有し、
前記第3の工程において、前記プレカーサー周囲の雰囲気がアンモニア含有ガス雰囲気である、
窒素含有炭素材料の製造方法。
Having a step of carbonizing a precursor of a nitrogen-containing carbon material containing azulmic acid and iron ,
The step includes a first step of performing a first heat treatment on the precursor, a second step of removing at least a part of the iron from the precursor subjected to the first heat treatment, and at least a portion of the iron . a third step of performing second heat treatment on a part has been removed the precursor, was closed,
In the third step, the atmosphere around the precursor is an ammonia-containing gas atmosphere.
A method for producing a nitrogen-containing carbon material.
前記第1の工程と前記第3の工程との間に、前記プレカーサーを粉砕する第4の工程を更に有する、請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, further comprising a fourth step of pulverizing the precursor between the first step and the third step. 前記第1の工程において、前記プレカーサー周囲の雰囲気が不活性ガス雰囲気である、請求項1又は2に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein in the first step, the atmosphere around the precursor is an inert gas atmosphere. 前記第3の工程において、前記アンモニア含有ガス雰囲気が純アンモニアガス、又は、純アンモニアガスを不活性ガスで希釈したアンモニア含有ガス雰囲気であって前記プレカーサー周囲のガスは流通している、請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。 In the third step, the ammonia-containing gas atmosphere of pure ammonia gas, or pure ammonia gas What ammonia-containing gas atmosphere der diluted with an inert gas, the precursor around the gas is circulated, wherein Item 4. The method according to any one of Items 1 to 3.
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