JP5918156B2 - Carbon alloy material, carbon alloy catalyst, and fuel cell manufacturing method - Google Patents

Carbon alloy material, carbon alloy catalyst, and fuel cell manufacturing method Download PDF

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Description

本発明はカーボンアロイ材料、その製造方法及びそれを用いたカーボンアロイ炭素触媒および燃料電池に関する。   The present invention relates to a carbon alloy material, a production method thereof, a carbon alloy carbon catalyst using the same, and a fuel cell.

固体高分子電解質形燃料電池の電極触媒は、高い酸素還元触媒活性と導電性を兼ね備えた特徴を有する必要がある。従来、白金(Pt)やパラジウム(Pd)等を用いる貴金属系触媒が、高い酸素還元活性を有する触媒として、例えば自動車や家庭用電熱併給システム等に使用される固体高分子電解質形燃料電池に用いられてきた。しかし、このような貴金属系触媒は高コストであるため、さらなる普及が難しくなっているのが現状である。
そのため、白金を大幅に低減した触媒や、白金を使用することなく形成された触媒の技術開発が進められている。例えば、樹脂等の前駆体に、コバルトフタロシアニン、鉄フタロシアニン等の金属錯体を混合して重合した重合物を焼成して得たカーボンアロイを用いた触媒が提案されている。
The electrode catalyst of a solid polymer electrolyte fuel cell needs to have characteristics that combine high oxygen reduction catalytic activity and conductivity. Conventionally, a noble metal catalyst using platinum (Pt), palladium (Pd) or the like is used as a catalyst having a high oxygen reduction activity, for example, in a solid polymer electrolyte fuel cell used in an automobile, a household electric heat supply system, or the like. Has been. However, since such noble metal-based catalysts are expensive, it is difficult to further spread them.
For this reason, technological development of a catalyst in which platinum is greatly reduced or a catalyst formed without using platinum is being promoted. For example, a catalyst using a carbon alloy obtained by firing a polymer obtained by mixing a metal complex such as cobalt phthalocyanine or iron phthalocyanine with a precursor such as a resin has been proposed.

非特許文献1には、炭水化物前駆体であるD−グルコース、D−フルクトース、D−キシロースおよびでんぷんと、イオン液体である[Bmim][FeCl4]とを加熱焼成したことが記載されているが、燃料電池用触媒特性に関する記載はない。
非特許文献2および3には、1種または2種のイオン液体を焼成したことが記載されているが、燃料電池用触媒特性に関する記載はなされていない。
非特許文献4には、イオン液体とNucleobasesなどの含窒素有機化合物とを、Silica担体に付着させて、焼成したことが記載されているが、燃料電池用触媒特性に関する記載はない。
非特許文献5には、重合性イオン液体とFeCl2を焼成した報告がなされているが、燃料電池用触媒特性に関する記載はない。
特許文献1には、イオン液体と金属前駆体と還元性液体を含む溶液を、炭素基板上に提供し、マイクロウェーブ加熱することで炭素基板上に金属のナノ粒子を産生させる方法が記載されている。特許文献1には、燃料電池用白金触媒に関する記載はなされているが、非白金触媒に関する記載はなかった。
Non-Patent Document 1 describes that D-glucose, D-fructose, D-xylose and starch as carbohydrate precursors and [Bmim] [FeCl 4 ] as an ionic liquid were heated and fired. There is no description regarding the catalyst characteristics for fuel cells.
Non-Patent Documents 2 and 3 describe that one or two kinds of ionic liquids are calcined, but there is no description regarding catalyst characteristics for fuel cells.
Non-Patent Document 4 describes that an ionic liquid and a nitrogen-containing organic compound such as Nucleobases are attached to a Silica support and calcined, but there is no description regarding catalyst characteristics for fuel cells.
Non-Patent Document 5 reports that a polymerizable ionic liquid and FeCl 2 were calcined, but there is no description regarding catalyst characteristics for fuel cells.
Patent Document 1 describes a method in which a solution containing an ionic liquid, a metal precursor, and a reducing liquid is provided on a carbon substrate, and metal nanoparticles are produced on the carbon substrate by microwave heating. Yes. Patent Document 1 describes a platinum catalyst for a fuel cell, but does not describe a non-platinum catalyst.

特表2009−525841号公報Special table 2009-525841

Zai−Lai Xieら, J. Mater. Chem., 21, 7434 (2011)Zai-Lai Xie et al. Mater. Chem. , 21, 7434 (2011) Jens Peter Paraknowitschら, Adv. Mater., 22, 87(2010)Jens Peter Paranowitsch et al., Adv. Mater. , 22, 87 (2010) Pasquale F. Fulvioら, Phys. Chem. Chem. Phys,, 13, 13486(2011)Pasquale F.M. Fulvio et al., Phys. Chem. Chem. Phys ,, 13, 13486 (2011) Wen Yangら, J. Am. Chem. Soc., 133, 206(2011)Wen Yang et al. Am. Chem. Soc. , 133, 206 (2011) Jiayin Yuanら, Chem. Mater., 22, 5003(2010)Jiain Yuan et al., Chem. Mater. , 22, 5003 (2010)

しかしながら、本発明者がこれらの文献に記載の製造方法を検討した結果、いずれも不満が残るものであることがわかった。具体的には、非特許文献1のカーボンアロイを用いて燃料電池用カーボンアロイ触媒を製造したところ、金属種としてFe,Co,Mn,Cr,Niを利用していないものであり、目的とする燃料電池用触媒特性を発現できていないものであることがわかった。
非特許文献4のカーボンアロイを用いて燃料電池用カーボンアロイ触媒を製造したところ、金属種としてFe,Co,Mn,Cr,Niを利用していないものであり、目的とする燃料電池用触媒特性を発現できていないものであることがわかった。
非特許文献5のカーボンアロイを用いて燃料電池用カーボンアロイ触媒を製造したところ、担体形状特性を利用していないため、高比表面積ではなく、目的とする燃料電池用触媒特性を発現できていないものであることがわかった。また、特許文献1に記載の貴金属系触媒である白金触媒において、単に金属を白金から他の金属に変えて非貴金属系のカーボンアロイ触媒を製造したところ、酸洗浄しない場合は、高比表面積でないため酸素還元反応活性が低く、また生成した金属の溶出を伴うため経時で性能低下を引き起こす、一方で酸洗浄すると白金と併用している還元性液体の影響によって触媒活性サイトの形成能が低下して酸化還元活性がきわめて低いカーボンアロイ触媒しか製造することができないことがわかった。
However, as a result of studying the production methods described in these documents, the inventor has found that all of them remain unsatisfactory. Specifically, when a carbon alloy catalyst for a fuel cell is produced using the carbon alloy of Non-Patent Document 1, it does not use Fe, Co, Mn, Cr, or Ni as a metal species, and is intended. It was found that the catalyst characteristics for fuel cells could not be expressed.
When a carbon alloy catalyst for a fuel cell is manufactured using the carbon alloy of Non-Patent Document 4, it does not use Fe, Co, Mn, Cr, or Ni as a metal species, and the desired catalyst characteristics for a fuel cell It was found that it was not able to express.
When a carbon alloy catalyst for a fuel cell was produced using the carbon alloy of Non-Patent Document 5, the carrier shape characteristics were not utilized, so the target fuel cell catalyst characteristics could not be achieved, rather than a high specific surface area. It turned out to be a thing. Further, in the platinum catalyst which is a noble metal catalyst described in Patent Document 1, when a metal alloy is simply changed from platinum to another metal to produce a non-noble metal carbon alloy catalyst, it is not a high specific surface area when acid cleaning is not performed. Therefore, the oxygen reduction reaction activity is low, and the resulting metal elution causes degradation in performance over time.On the other hand, acid cleaning reduces the ability to form catalytically active sites due to the influence of the reducing liquid used in combination with platinum. Thus, it was found that only a carbon alloy catalyst having a very low redox activity can be produced.

本発明の目的は、上記の問題点を解決するものである。すなわち、本発明が解決しようとする課題は、カーボンアロイ触媒に応用したときに酸化還元活性が十分に高いカーボンアロイ材料の製造方法を提供することにある。   The object of the present invention is to solve the above problems. That is, the problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a carbon alloy material having sufficiently high redox activity when applied to a carbon alloy catalyst.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、単にイオン液体(例えば、含窒素有機化合物およびその塩)を焼成しただけでは、目的とするカーボンアロイ材料を得ることができないことがわかった。これに対し、イオン液体と金属種を担体上に固着した前駆体を調製した後で、加熱焼成を行い、その後に酸洗浄を行うことにより、所望の燃料電池の空気極用酸素還元反応非白金触媒(燃料電池用カーボンアロイ触媒)を得ることができることを見出した。
以上の結果、本発明を完成するに至った。すなわち、上記課題は以下の手段により解決することができる。
The present inventor has intensively studied to solve the above problems. As a result, it was found that the target carbon alloy material could not be obtained simply by firing an ionic liquid (for example, a nitrogen-containing organic compound and its salt). On the other hand, after preparing a precursor in which an ionic liquid and a metal species are fixed on a support, heat-firing is performed, and then acid cleaning is performed, so that the oxygen reduction reaction non-platinum for a desired fuel cell air electrode It has been found that a catalyst (a carbon alloy catalyst for fuel cells) can be obtained.
As a result, the present invention has been completed. That is, the above problem can be solved by the following means.

[1] 担体に、少なくとも1種類以上のイオン液体を付着させる工程と、前記イオン液体が付着した前記担体を含む前駆体を焼成する工程と、焼成後の生成物を酸によって洗浄する工程を有し、前記前駆体がFe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種を含むことを特徴とするカーボンアロイ材料の製造方法。
[2] [1]に記載のカーボンアロイ材料の製造方法は、前記担体が、炭素材料または、焼成により炭素材料もしくはカーボンアロイ材料を生成する有機前駆体であることが好ましい。
[3] [1]または[2]に記載のカーボンアロイ材料の製造方法は、前記イオン液体のアニオン種として、[N(CN)2-、[C(CN)3-および[FeCl4-の中からいずれか1種類以上を用いることが好ましい。
[4] [1]〜[3]のいずれかに記載のカーボンアロイ材料の製造方法は、前記金属種が、鉄化合物またはコバルト化合物であることが好ましい。
[5] [4]に記載のカーボンアロイ材料の製造方法は、前記鉄化合物が、テトラクロロフェラートアニオンと含窒素4級カチオンとの塩、および塩化鉄のうち少なくとも一種であることが好ましい。
[6] [1]〜[5]のいずれかに記載のカーボンアロイ材料の製造方法で製造されたことを特徴とするカーボンアロイ材料。
[7] [6]に記載のカーボンアロイ材料を含有することを特徴とするカーボンアロイ触媒。
[8] [7]に記載のカーボンアロイ触媒を用いたことを特徴とする燃料電池。
[1] A step of attaching at least one kind of ionic liquid to the carrier, a step of firing the precursor containing the carrier to which the ionic liquid is attached, and a step of washing the product after firing with an acid. And the said precursor contains the metal seed | species containing 1 or more types among Fe, Co, Mn, Cr, and Ni, The manufacturing method of the carbon alloy material characterized by the above-mentioned.
[2] In the method for producing a carbon alloy material according to [1], the carrier is preferably a carbon material or an organic precursor that generates a carbon material or a carbon alloy material by firing.
[3] In the method for producing a carbon alloy material according to [1] or [2], the anion species of the ionic liquid are [N (CN) 2 ] , [C (CN) 3 ] and [FeCl 4 ]. - it is preferable to use any one or more of the.
[4] In the method for producing a carbon alloy material according to any one of [1] to [3], the metal species is preferably an iron compound or a cobalt compound.
[5] In the method for producing a carbon alloy material according to [4], the iron compound is preferably at least one of a salt of a tetrachloroferrate anion and a nitrogen-containing quaternary cation, and iron chloride.
[6] A carbon alloy material produced by the method for producing a carbon alloy material according to any one of [1] to [5].
[7] A carbon alloy catalyst comprising the carbon alloy material according to [6].
[8] A fuel cell using the carbon alloy catalyst according to [7].

本発明によれば、カーボンアロイ触媒に応用したときに酸化還元活性が十分に高いカーボンアロイ材料の製造方法を提供することができる。なお、本発明により製造されたカーボンアロイは、炭素触媒またはその代替品として使用することができ、該炭素触媒は、燃料電池や蓄電装置や環境触媒の用途に応用することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a carbon alloy material having a sufficiently high redox activity when applied to a carbon alloy catalyst. In addition, the carbon alloy manufactured by this invention can be used as a carbon catalyst or its substitute, and this carbon catalyst can be applied to the use of a fuel cell, an electrical storage apparatus, and an environmental catalyst.

本発明のカーボンアロイ材料を用いた燃料電池の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell using the carbon alloy material of this invention. 本発明のカーボンアロイ材料を用いた電気二重層キャパシタの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the electric double layer capacitor using the carbon alloy material of this invention.

本発明における置換基とは、置換可能な基であればよく、例えばハロゲン原子(フッ素原子、クロル原子、臭素原子又は沃素原子)、ヒドロキシ基、シアノ基、脂肪族基(アラルキル基、シクロアルキル基、活性メチン基等を含む)、アリール基(置換する位置は問わない)、ヘテロ環基(置換する位置は問わない)、アシル基、脂肪族オキシ基(アルコキシ基又は、アルキレンオキシ基、エチレンオキシ基若しくはプロピレンオキシ基単位を繰り返し含む基を含む)、アリールオキシ基、ヘテロ環オキシ基、脂肪族カルボニル基、アリールカルボニル基、ヘテロ環カルボニル基、脂肪族オキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、ヘテロ環オキシカルボニル基、カルバモイル基、スルホニルカルバモイル基、アシルカルバモイル基、スルファモイルカルバモイル基、チオカルバモイル基、脂肪族カルボニルオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、ヘテロ環カルボニルオキシ基、アミノ基、脂肪族アミノ基、アリールアミノ基、ヘテロ環アミノ基、アシルアミノ基、脂肪族オキシアミノ基、アリールオキシアミノ基、スルファモイルアミノ基、アシルスルファモイルアミノ基、オキサモイルアミノ基、脂肪族オキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、ヘテロ環オキシカルボニルアミノ基、カルバモイルアミノ基、メルカプト基、脂肪族チオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、アルキルスルフィニル基、アリールスルフィニル基、脂肪族スルホニル基、アリールスルホニル基、ヘテロ環スルホニル基、スルファモイル基、脂肪族スルホニルウレイド基、アリールスルホニルウレイド基、ヘテロ環スルホニルウレイド基、脂肪族スルホニルオキシ基、アリールスルホニルオキシ基、ヘテロ環スルホニルオキシ基、スルファモイル基、脂肪族スルファモイル基、アリールスルファモイル基、ヘテロ環スルファモイル基、アシルスルファモイル基、スルフォニルスルファモイル基又はその塩、カルバモイルスルファモイル基、スルホンアミド基、脂肪族ウレイド基、アリールウレイド基、ヘテロ環ウレイド基、脂肪族スルホンアミド基、アリールスルホンアミド基、ヘテロ環スルホンアミド基、脂肪族スルフィニル基、アリールスルフィニル基、ニトロ基、ニトロソ基、ジアゾ基、アゾ基、ヒドラジノ基、ジ脂肪族オキシホスフィニル基、ジアリールオキシホスフィニル基、シリル基(例えばトリメチルシリル、t−ブチルジメチルシリル、フェニルジメチルシリル)、シリルオキシ基(例えばトリメチルシリルオキシ、t−ブチルジメチルシリルオキシ)、ボロノ基、イオン性親水性基(例えば、カルボキシル基、スルホ基、ホスホノ基及び4級アンモニウム基)等を挙げることができる。これらの置換基群は更に置換されてもよく、更なる置換基としては、以上に説明した置換基から選択される基を挙げることができる。   The substituent in the present invention may be any group that can be substituted, for example, a halogen atom (fluorine atom, chloro atom, bromine atom or iodine atom), hydroxy group, cyano group, aliphatic group (aralkyl group, cycloalkyl group). , Active methine group, etc.), aryl group (regarding the position of substitution), heterocyclic group (regarding the position of substitution), acyl group, aliphatic oxy group (alkoxy group, alkyleneoxy group, ethyleneoxy) Group or a group repeatedly containing propyleneoxy group units), aryloxy group, heterocyclic oxy group, aliphatic carbonyl group, arylcarbonyl group, heterocyclic carbonyl group, aliphatic oxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, heterocyclic ring Oxycarbonyl group, carbamoyl group, sulfonylcarbamoyl group, acylcarbamoyl group Sulfamoylcarbamoyl group, thiocarbamoyl group, aliphatic carbonyloxy group, aryloxycarbonyloxy group, heterocyclic carbonyloxy group, amino group, aliphatic amino group, arylamino group, heterocyclic amino group, acylamino group, aliphatic Oxyamino group, aryloxyamino group, sulfamoylamino group, acylsulfamoylamino group, oxamoylamino group, aliphatic oxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, heterocyclic oxycarbonylamino group, carbamoylamino group , Mercapto group, aliphatic thio group, arylthio group, heterocyclic thio group, alkylsulfinyl group, arylsulfinyl group, aliphatic sulfonyl group, arylsulfonyl group, heterocyclic sulfonyl group, sulfamoyl group, aliphatic sulfoni Ureido group, arylsulfonylureido group, heterocyclic sulfonylureido group, aliphatic sulfonyloxy group, arylsulfonyloxy group, heterocyclic sulfonyloxy group, sulfamoyl group, aliphatic sulfamoyl group, arylsulfamoyl group, heterocyclic sulfamoyl group, Acylsulfamoyl group, sulfonylsulfamoyl group or a salt thereof, carbamoylsulfamoyl group, sulfonamido group, aliphatic ureido group, arylureido group, heterocyclic ureido group, aliphatic sulfonamido group, arylsulfonamido group, Heterocyclic sulfonamide group, aliphatic sulfinyl group, arylsulfinyl group, nitro group, nitroso group, diazo group, azo group, hydrazino group, dialiphatic oxyphosphinyl group, diaryloxyphosphinyl group, silyl group ( For example, trimethylsilyl, t-butyldimethylsilyl, phenyldimethylsilyl), silyloxy group (for example, trimethylsilyloxy, t-butyldimethylsilyloxy), borono group, ionic hydrophilic group (for example, carboxyl group, sulfo group, phosphono group and 4 Secondary ammonium group) and the like. These substituent groups may be further substituted, and examples of the further substituent include groups selected from the substituents described above.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

[カーボンアロイの製造方法]
本発明のカーボンアロイの製造方法(以下、本発明の製造方法とも言う)は、担体に、少なくとも1種類以上のイオン液体を付着させる工程と、前記イオン液体が付着した前記担体を含む前駆体を焼成する工程と、焼成後の生成物を酸によって洗浄する工程を有し、前記前駆体がFe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種を含むことを特徴とする。
いかなる理論に拘泥するものでもないが、イオン液体は通常の有機化合物よりも耐熱性を有し、高温まで揮散せずに残存するため、イオン液体を担体表面に十分に付着させた前駆体を焼成することにより、担体形状に合わせて担体表面に薄い触媒層を形成することができたと考えられる。さらに本発明の製造方法では特定の金属種を前駆体に含有させておくことで、イオン液体と特定の金属種が相互作用して、極めて官能基密度が高まることで担体表面の触媒サイトの数を増やすことができる。その結果、担体表面に生成した0価の金属を酸洗浄した後に、0価の金属が抜けた空隙により、さらに触媒サイトが多数設けられた触媒層を形成することができる。そのため、カーボンアロイ触媒に応用したときに酸化還元活性が十分に高いカーボンアロイ材料が得られると考えられる。
以下、本発明のカーボンアロイ材料の製造方法について、以上の工程を順に説明する。
[Production method of carbon alloy]
The carbon alloy production method of the present invention (hereinafter also referred to as the production method of the present invention) includes a step of attaching at least one ionic liquid to a carrier, and a precursor containing the carrier to which the ionic liquid is adhered. The method includes a step of firing and a step of washing the product after firing with an acid, wherein the precursor includes a metal species including one or more of Fe, Co, Mn, Cr and Ni.
Although not bound by any theory, ionic liquids have higher heat resistance than ordinary organic compounds and remain without volatilization to high temperatures, so firing precursors with ionic liquids sufficiently adhered to the support surface By doing so, it is considered that a thin catalyst layer could be formed on the surface of the carrier in accordance with the shape of the carrier. Furthermore, in the production method of the present invention, the number of catalyst sites on the surface of the support is increased by allowing the ionic liquid and the specific metal species to interact with each other by containing the specific metal species in the precursor, thereby increasing the functional group density. Can be increased. As a result, after acid washing of the zero-valent metal generated on the surface of the carrier, a catalyst layer having a large number of catalyst sites can be formed by voids from which the zero-valent metal has been removed. Therefore, it is considered that a carbon alloy material having sufficiently high redox activity can be obtained when applied to a carbon alloy catalyst.
Hereinafter, the above processes will be described in order for the method for producing the carbon alloy material of the present invention.

<前駆体の調製工程>
本発明のカーボンアロイ材料の製造方法は、担体に、少なくとも1種類以上のイオン液体を付着させる前駆体の調製工程を含む。
前記担体に、前記イオン液体を付着させる方法としては特に制限はないが、担体の表面形状にあわせて前記イオン液体を付着させる方法が好ましい。
このような方法としては、例えば、塗布、浸漬などの方法を用いることが好ましい。塗布や浸漬の方法としては特に制限はなく、公知の方法を用いることができる。前記担体が細孔を有する材料である場合は、細孔内部の担体表面にも十分にイオン液体を付着させることが好ましく、さらにイオン液体を十分かつ薄く付着させることが、焼成後に得られるカーボンアロイの比表面積を大きくする観点から好ましい。
<Precursor preparation step>
The method for producing a carbon alloy material of the present invention includes a precursor preparation step in which at least one ionic liquid is attached to a carrier.
The method for adhering the ionic liquid to the carrier is not particularly limited, but a method of adhering the ionic liquid according to the surface shape of the carrier is preferable.
As such a method, for example, a method such as coating or dipping is preferably used. There is no restriction | limiting in particular as a method of application | coating or immersion, A well-known method can be used. When the carrier is a material having pores, it is preferable that the ionic liquid is sufficiently adhered to the surface of the carrier inside the pores, and that the ionic liquid is sufficiently and thinly adhered is a carbon alloy obtained after firing. It is preferable from the viewpoint of increasing the specific surface area.

(イオン液体(別名、イオン性液体))
前記イオン液体としては特に制限はなく、公知のイオン液体を用いることができる。
前記イオン液体は下記一般式(11)で表されるイオン性物質を含有することが好ましい。
(Ionic liquid (aka ionic liquid))
There is no restriction | limiting in particular as said ionic liquid, A well-known ionic liquid can be used.
The ionic liquid preferably contains an ionic substance represented by the following general formula (11).

一般式(11)
[Q]m n+[Y]n m-
(一般式(11)中、Qn+はn価の有機カチオンを表し、Ym-はm価のアニオンを表し、nおよびmはそれぞれ独立に自然数を表す。)
Formula (11)
[Q] m n + [Y] n m-
(In general formula (11), Q n + represents an n-valent organic cation, Y m− represents an m-valent anion, and n and m each independently represent a natural number.)

前記一般式(11)中、nおよびmはそれぞれ独立に自然数を表し、1〜5の整数であることが好ましく、1〜3の整数であることがより好ましく、1または2であることが特に好ましく、1であることがより特に好ましい。   In the general formula (11), n and m each independently represent a natural number, preferably an integer of 1 to 5, more preferably an integer of 1 to 3, and particularly preferably 1 or 2. 1 is more preferable and 1 is more particularly preferable.

前記一般式(11)の[Q]m n+として好ましい構造は、下記一般式(C−1)〜(C−8)で表される構造である。 [Q] Preferred structures as m n + in the general formula (11) is a structure represented by the following general formula (C-1) ~ (C -8).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

一般式(C−1)〜(C−8)中、R11〜R14はそれぞれ独立に、アルキル基を表し、R11〜R14の内の2つが互いに連結して5〜7員環を形成してもよい。ただし、一般式(C−1)〜(C−8)中、可能な部位に置換基を有していてもよいし、R11〜R14のアルキル基に置換基が有ってもよい。 In the general formulas (C-1) to (C-8), R 11 to R 14 each independently represents an alkyl group, and two of R 11 to R 14 are connected to each other to form a 5- to 7-membered ring. It may be formed. However, in the general formulas (C-1) to (C-8), a possible site may have a substituent, and the alkyl group of R 11 to R 14 may have a substituent.

前記一般式(C−1)〜(C−8)中、R11〜R14の表すアルキル基としては、炭素数1〜8のアルキル基が好ましく、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、アリル基がより好ましく、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基が特に好ましい。R11〜R14は同一であっても異なっていてもよいが、分子中に2以上のR11〜R14を有する場合は少なくとも2種以上のアルキル基を含むことが好ましく、その場合はR11〜R14のいずれか一方がメチル基を表し、もう一方がエチル基、プロピル基およびブチル基のいずれかを表すことが好ましい。
11〜R14の表すアルキル基は更に置換基を有していてもよく、好ましい置換基としてはアルコキシ基、ビニル基、水酸基などが挙げられる。
In the general formulas (C-1) to (C-8), the alkyl group represented by R 11 to R 14 is preferably an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, or a butyl group. Pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, hexadecyl group, octadecyl group and allyl group are more preferable, and methyl group, ethyl group, propyl group and butyl group are particularly preferable. R 11 to R 14 may be the same or different, but when the molecule has two or more R 11 to R 14 , it preferably contains at least two or more alkyl groups. It is preferable that any one of 11 to R 14 represents a methyl group, and the other represents one of an ethyl group, a propyl group, and a butyl group.
The alkyl group represented by R 11 to R 14 may further have a substituent, and preferred examples of the substituent include an alkoxy group, a vinyl group, and a hydroxyl group.

前記一般式(C−1)〜(C−8)の中では窒素原子を含むものが、後述する含窒素有機化合物をイオン液体が兼ねる観点から好ましく、より好ましい構造は前記一般式(C−1)〜(C−3)であり、特に好ましい構造は前記一般式(C−1)である。   Among the general formulas (C-1) to (C-8), those containing a nitrogen atom are preferable from the viewpoint that an ionic liquid serves as a nitrogen-containing organic compound described later, and a more preferable structure is the general formula (C-1). ) To (C-3), and a particularly preferred structure is the general formula (C-1).

前記一般式(1)における[Y]n m-としては、ハロゲンアニオン(Cl-,Br-、F-、I-)、BF4 -、PF6 -、イミドアニオン[N(SO2CF32 -、N(COCF3)(SO2CF3-、N(CN)2 -など]、カルバニオン[C(CN)3 -など]、R21OSO3 -、R21SO3 -、FeCl4 -、CoCl4 2-などが挙げられる。
前記R21はそれぞれ独立にアルキル基を表し、炭素数1〜8のアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜2のアルキル基であることがより好ましい。さらに前記R21はアルキル基の置換基として、フッ素が好ましく、トリフルオロアルキル基であることがより好ましく、トリフルオロメチル基が特に好ましい。
[Y] n m− in the general formula (1) includes halogen anions (Cl , Br , F , I ), BF 4 , PF 6 , and imide anions [N (SO 2 CF 3 ). 2 , N (COCF 3 ) (SO 2 CF 3 ) , N (CN) 2 − and the like], carbanion [C (CN) 3 − and the like], R 21 OSO 3 , R 21 SO 3 and FeCl 4 - , CoCl 4 2- and the like.
Each R 21 independently represents an alkyl group, preferably an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and more preferably an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms. Further, R 21 is preferably fluorine as a substituent of the alkyl group, more preferably a trifluoroalkyl group, and particularly preferably a trifluoromethyl group.

前記一般式(1)における[Y]n m-は、得られるカーボンアロイ材料のN/C比を高める観点から、窒素原子を含むアニオンであることが好ましい。一方で、前記一般式(1)における[Y]n m-は、特定の金属種をイオン液体に含ませる観点から、Fe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種を含むアニオンであることが好ましい。これらの観点から、本発明の製造方法では、[Y]n m-、すなわち前記イオン液体のアニオン種として、N(CN)2 -、C(CN)3 -およびFeCl4 -の中からいずれか1種類以上を用いることが好ましい。 [Y] n m− in the general formula (1) is preferably an anion containing a nitrogen atom from the viewpoint of increasing the N / C ratio of the obtained carbon alloy material. On the other hand, [Y] n m− in the general formula (1) is a metal species including one or more of Fe, Co, Mn, Cr and Ni from the viewpoint of including a specific metal species in the ionic liquid. It is preferable that it is an anion containing. From these viewpoints, in the production method of the present invention, [Y] n m− , that is, any one of N (CN) 2 , C (CN) 3 and FeCl 4 as the anionic species of the ionic liquid. It is preferable to use one or more types.

前記一般式(1)で表されるイオン液体の好ましい具体例としては、例えば以下の組み合わせで表されるものを挙げることができる。   Preferable specific examples of the ionic liquid represented by the general formula (1) include, for example, those represented by the following combinations.

Figure 0005918156
Figure 0005918156

11=メチル基、アリル基;
12=エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、オクタデカン基、アリル基;
R 11 = methyl group, allyl group;
R 12 = ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, octadecane group, allyl group;

Figure 0005918156
Figure 0005918156

前記イオン液体としては、1種のイオン液体のみを用いてよく、2種以上のイオン液体を併用してもよく、2種のイオン液体を併用することが好ましい。
ここで、前記イオン液体は、少なくとも1種の含窒素有機化合物を含むことが好ましい。また、前記イオン液体は、少なくとも1種のFe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種を含むことが好ましい。さらに、前記イオン液体は、少なくとも1種の含窒素有機化合物と、少なくとも1種のFe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種とを含むことがより好ましい。前記含窒素有機化合物や、前記Fe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種が、イオン液体に含まれていることにより、各成分を加熱する時に揮散しにくくさせることができる。
As said ionic liquid, only 1 type of ionic liquid may be used, 2 or more types of ionic liquids may be used together, and it is preferable to use 2 types of ionic liquids together.
Here, the ionic liquid preferably contains at least one nitrogen-containing organic compound. Moreover, it is preferable that the said ionic liquid contains the metal seed | species which contains 1 or more types among at least 1 sort (s) of Fe, Co, Mn, Cr, and Ni. Furthermore, it is more preferable that the ionic liquid contains at least one nitrogen-containing organic compound and at least one metal species including at least one of Fe, Co, Mn, Cr and Ni. The ionic liquid contains the nitrogen-containing organic compound and the metal species including one or more of the Fe, Co, Mn, Cr, and Ni, thereby making it difficult to volatilize when each component is heated. it can.

前記イオン液体を2種以上併用する場合は、窒素原子を含む有機カチオンと、窒素原子を含むアニオンとを含む第一のイオン液体と、窒素原子を含む有機カチオンと、Fe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種とを含む第二のイオン液体を組み合わせて用いることが好ましい。
窒素原子を含む有機カチオンとFe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種とを含む第二のイオン液体としては、テトラクロロフェラートアニオンと含窒素4級カチオンとの塩を含むイオン液体を用いることがより好ましい。
When two or more ionic liquids are used in combination, a first ionic liquid containing an organic cation containing a nitrogen atom and an anion containing a nitrogen atom, an organic cation containing a nitrogen atom, and Fe, Co, Mn, Cr It is preferable to use a combination of a second ionic liquid containing a metal species including at least one of Ni and Ni.
As the second ionic liquid containing an organic cation containing a nitrogen atom and a metal species containing one or more of Fe, Co, Mn, Cr and Ni, a salt of a tetrachloroferrate anion and a nitrogen-containing quaternary cation It is more preferable to use an ionic liquid containing

なお、本発明では、前記イオン液体はこれらの含窒素有機化合物や、Fe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種を必須成分とする態様に限定されるものではない。
前記イオン液体に含窒素有機化合物が含まれない場合は、前記前駆体にその他の成分として、後述する含窒素有機化合物が含まれていることが好ましい。
また、前記イオン液体にFe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種が含まれない場合は、前記前駆体にその他の成分として、後述するFe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種が含まれていることが好ましい。
In addition, in this invention, the said ionic liquid is not limited to the aspect which uses these nitrogen-containing organic compounds and the metal seed | species containing one or more types among Fe, Co, Mn, Cr, and Ni as an essential component.
When the nitrogen-containing organic compound is not contained in the ionic liquid, it is preferable that the precursor contains a nitrogen-containing organic compound described later as the other component.
Further, when the ionic liquid does not contain a metal species including one or more of Fe, Co, Mn, Cr and Ni, the precursor includes other components such as Fe, Co, Mn, Cr and the like described later. It is preferable that the metal seed | species which contains 1 or more types among Ni is contained.

(含窒素有機化合物)
前記前駆体は、前記イオン液体として含窒素有機化合物を含むこと、または、前記イオン液体の他に含窒素有機化合物を含むことが好ましい。
前記含窒素有機化合物は、前記イオン性液体として用いられる、前記一般式(11)で表される化合物中の窒素原子を含む化合物であることが好ましい。
また、前記含窒素機化合物は、下記一般式(1)で表わされる化合物およびその互変異性体、ならびに、それらの塩またはそれらの水和物であることも好ましい。
(Nitrogen-containing organic compounds)
The precursor preferably contains a nitrogen-containing organic compound as the ionic liquid, or contains a nitrogen-containing organic compound in addition to the ionic liquid.
The nitrogen-containing organic compound is preferably a compound containing a nitrogen atom in the compound represented by the general formula (11) used as the ionic liquid.
In addition, the nitrogen-containing machine compound is preferably a compound represented by the following general formula (1), a tautomer thereof, a salt thereof, or a hydrate thereof.

Figure 0005918156
Figure 0005918156

一般式(1)においてQ1は5〜7員環の芳香族環またはヘテロ環を表し、R0は、下記一般式(2)〜(5)で表される置換基を表し、n0は1から4の整数を表す。 In the general formula (1), Q 1 represents a 5- to 7-membered aromatic ring or heterocycle, R 0 represents a substituent represented by the following general formulas (2) to (5), and n0 is 1 Represents an integer from 4 to 4.

一般式(2)
*−CN
General formula (2)
* -CN

Figure 0005918156
Figure 0005918156

一般式(3)〜(5)中、R1〜R8はそれぞれ独立に、水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、アリール基、ヘテロ環基、または隣り合う2つの置換基で形成されるヘテロ環を表し、*はQ1への結合部を表す。 In the general formulas (3) to (5), R 1 to R 8 are each independently formed by a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, an aryl group, a heterocyclic group, or two adjacent substituents. Represents a heterocycle, and * represents a bond to Q 1 .

前記含窒素有機化合物は、一般式(1)で表され、分子内に前記一般式(2)〜(5)で表される構造の少なくとも1つ及び不飽和結合を有する有機化合物である。
分子内に前記一般式(2)〜(5)で表される構造の少なくとも1つを有することで、焼成して得られる含窒素カーボンアロイにおいて、C、N、金属からなる高酸素還元活性を有する活性点が生成すると考えられる。
The nitrogen-containing organic compound is represented by the general formula (1), and is an organic compound having at least one structure represented by the general formulas (2) to (5) and an unsaturated bond in the molecule.
By having at least one of the structures represented by the general formulas (2) to (5) in the molecule, the nitrogen-containing carbon alloy obtained by firing has high oxygen reduction activity consisting of C, N, and metal. It is thought that the active point which has is produced | generated.

一般式(1)においてQ1は5〜7員環の芳香族環またはヘテロ環を表す。但し、Q1は5〜7員環の芳香族環またはヘテロ環を一部に含む縮合環であってもよい。
本発明では、前記一般式(1)中、Q1は、5または6員環の芳香族環またはヘテロ環、あるいはそれらを含む縮合環であることが好ましい。
さらに前記一般式(1)中、Q1は、芳香族環または芳香族ヘテロ環であることが好ましい。不飽和結合が存在することで、後述する各種の相互作用によりカーボンアロイ骨格が形成されやすくなる。
In the general formula (1), Q 1 represents a 5- to 7-membered aromatic ring or heterocyclic ring. However, Q 1 may be a condensed ring partially including a 5- to 7-membered aromatic ring or a hetero ring.
In the present invention, in the general formula (1), Q 1 is preferably a 5- or 6-membered aromatic ring or heterocycle, or a condensed ring containing them.
Further, in the general formula (1), Q 1 is preferably an aromatic ring or an aromatic heterocycle. The presence of the unsaturated bond makes it easier to form a carbon alloy skeleton due to various interactions described later.

一般式(1)中、Q1が表す5または6員環の芳香族環またはヘテロ環は、下記一般式(A−1)〜(A−20)で表される構造であることが好ましい。 In the general formula (1), the 5- or 6-membered aromatic ring or heterocycle represented by Q 1 is preferably a structure represented by the following general formulas (A-1) to (A-20).

Figure 0005918156
Figure 0005918156
Figure 0005918156
Figure 0005918156

一般式(A−1)〜(A−20)中、R51〜R56のうち少なくとも一つは一般式(1)におけるRとの連結部を表し、R51〜R56のうちRとの連結部以外の基はそれぞれ独立に水素原子、又は置換基を表し、隣接する置換基は互いに結合して5又は6員環を形成してもよい。また、縮合複素多環化合物であってもよい。 In formula (A-1) ~ (A -20), at least one of R 51 to R 56 represents a linking portion between the R in the general formula (1), the R of the R 51 to R 56 Groups other than the linking part each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and adjacent substituents may be bonded to each other to form a 5- or 6-membered ring. Further, it may be a condensed heteropolycyclic compound.

51〜R56の表す置換基としては、前述の置換基の項で述べた基であって、置換可能な基であれば特に制限されることなく選択される。R51〜R56の置換基として、好ましくはアルキル基、ハロゲン原子(フッ素原子、クロル原子、臭素原子又は沃素原子)、脂肪族基、アリール基、ヘテロ環基、ヒドロキシル基、アシル基、脂肪族オキシカルボニル基、置換基を有していてもよいカルバモイル基、置換基を有していてもよいウレイド基、アシルアミノ基、スルホンアミド基、脂肪族オキシ基、脂肪族チオ基、シアノ基又はスルホニル基等であり、より好ましくはハロゲン原子(フッ素原子、クロル原子、臭素原子又は沃素原子)、脂肪族基、アリール基、ヘテロ環基、ヒドロキシル基、脂肪族オキシカルボニル基、置換基を有していてもよいカルバモイル基、置換基を有していてもよいウレイド基、脂肪族オキシ基等を挙げることができる。
51〜R56の表す置換基として好ましいものは、アルキル基(メチル基、エチル基、t−ブチル基など)、アリール基(フェニル基、ナフチル基など)、ハロゲン原子(塩素原子、臭素原子、フッ素原子など)およびヘテロアリール基(ピリジル基など)である。その中でも、R51〜R56の表す置換基としてハロゲン原子およびヘテロアリール基が好ましく、塩素原子およびピリジル基がより好ましい。なお、複素環の中で、ヘテロ環内に窒素が含まれることが好ましく、これにより含窒素有機化合物の結晶構造に由来したエッジ部に規則正しく窒素が配列するため、遊離した金属イオンが配位しやすくなる。
The substituents represented by R 51 to R 56 are selected without any particular limitation as long as they are groups described in the above-mentioned substituent group and can be substituted. As a substituent for R 51 to R 56 , an alkyl group, a halogen atom (a fluorine atom, a chloro atom, a bromine atom or an iodine atom), an aliphatic group, an aryl group, a heterocyclic group, a hydroxyl group, an acyl group, and an aliphatic group are preferable. An oxycarbonyl group, an optionally substituted carbamoyl group, an optionally substituted ureido group, an acylamino group, a sulfonamide group, an aliphatic oxy group, an aliphatic thio group, a cyano group or a sulfonyl group More preferably, it has a halogen atom (fluorine atom, chloro atom, bromine atom or iodine atom), aliphatic group, aryl group, heterocyclic group, hydroxyl group, aliphatic oxycarbonyl group, and substituent. And a carbamoyl group which may be substituted, an ureido group which may have a substituent, an aliphatic oxy group and the like.
Preferable substituents represented by R 51 to R 56 are alkyl groups (methyl group, ethyl group, t-butyl group etc.), aryl groups (phenyl group, naphthyl group etc.), halogen atoms (chlorine atom, bromine atom, A fluorine atom) and a heteroaryl group (such as a pyridyl group). Among these, as a substituent represented by R 51 to R 56 , a halogen atom and a heteroaryl group are preferable, and a chlorine atom and a pyridyl group are more preferable. In the heterocycle, it is preferable that nitrogen is contained in the heterocycle, and as a result, nitrogen is regularly arranged at the edge portion derived from the crystal structure of the nitrogen-containing organic compound, so that the free metal ion is coordinated. It becomes easy.

51〜R56の中に含まれる水素原子の数は、1〜4個であることが好ましく、2〜4個であることがより好ましい。 The number of hydrogen atoms contained in R 51 to R 56 is preferably 1 to 4, and more preferably 2 to 4.

前記一般式(A−1)〜(A−20)中、前記一般式(1)で表される化合物のQ1の好ましい構造は前記一般式(A−1)〜(A−6)で表される構造である。 In the general formulas (A-1) to (A-20), preferred structures of Q 1 of the compound represented by the general formula (1) are represented by the general formulas (A-1) to (A-6). Is the structure.

前記Q1は、ベンゼン環またはピリジン環、またはそれらを含む縮合環であることがより好ましい。 Q 1 is more preferably a benzene ring, a pyridine ring, or a condensed ring containing them.

前記一般式(1)におけるR1は、下記一般式(2)〜(5)で表される置換基を表す。 R 1 in the general formula (1) represents a substituent represented by the following general formulas (2) to (5).

一般式(2)
*−CN
General formula (2)
* -CN

Figure 0005918156
Figure 0005918156

一般式(3)〜(5)中、R1〜R8はそれぞれ独立に、水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、アリール基、ヘテロ環基、または隣り合う2つの置換基で形成されるヘテロ環を表し、*はQ1への結合部を表す。 In the general formulas (3) to (5), R 1 to R 8 are each independently formed by a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, an aryl group, a heterocyclic group, or two adjacent substituents. Represents a heterocycle, and * represents a bond to Q 1 .

前記一般式(2)〜(5)で表される構造が含まれることにより、分解生成物中にCN結合が生成し、このCNと金属とが相互作用することによって、炭素化まで窒素が保持される。そのため、カーボンアロイのグラフェン内に窒素が導入されやすくなり、酸素還元反応活性に優れるため好ましい。   By including the structures represented by the general formulas (2) to (5), a CN bond is generated in the decomposition product, and this CN and metal interact to hold nitrogen until carbonization. Is done. Therefore, it is preferable because nitrogen is easily introduced into the graphene of carbon alloy and is excellent in oxygen reduction reaction activity.

前記R1〜R8が表す各基の好ましい態様としては、水素原子または前述の置換基の項で述べた基を挙げることができる。
その中でも、前記R1〜R4はそれぞれ独立に水素原子またはアルキル基であることが好ましく、水素原子であることがより好ましい。
前記R5およびR6はそれぞれ独立に水素原子またはアルキル基であることが好ましく、水素原子であることがより好ましい。
前記R7およびR8はそれぞれ独立に水素原子またはアルキル基であることが好ましく、互いに結合して環を形成してもよい。R7およびR8が互いに結合して形成する環としては、例えばベンゼン環、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、トリアジン環、ピリダジン環、ピロール環、ピラゾール環、イミダゾール環、トリアゾール環、オキサゾール環、オキサジアゾール環、チアゾール環、チアジアゾール環、フラン環、チオフェン環、セレノフェン環、シロール環、ゲルモール環、ホスホール環、ピロリドン環等が挙げられる。好ましくは、ピロリドン環、ベンゼン環、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、トリアジン環、ピリダジン環、ピロール環、ピラゾール環、イミダゾール環、トリアゾール環、であり、より好ましくはピロール環またはピロリドン環を挙げることができる。
Preferable embodiments of each group represented by R 1 to R 8 include a hydrogen atom or a group described in the above-mentioned substituent group.
Among them, R 1 to R 4 are preferably each independently a hydrogen atom or an alkyl group, and more preferably a hydrogen atom.
R 5 and R 6 are preferably each independently a hydrogen atom or an alkyl group, and more preferably a hydrogen atom.
R 7 and R 8 are preferably each independently a hydrogen atom or an alkyl group, and may be bonded to each other to form a ring. Examples of the ring formed by combining R 7 and R 8 with each other include, for example, a benzene ring, a pyridine ring, a pyrazine ring, a pyrimidine ring, a triazine ring, a pyridazine ring, a pyrrole ring, a pyrazole ring, an imidazole ring, a triazole ring, an oxazole ring, Examples thereof include an oxadiazole ring, a thiazole ring, a thiadiazole ring, a furan ring, a thiophene ring, a selenophene ring, a silole ring, a gelmol ring, a phosphole ring, and a pyrrolidone ring. Preferred are pyrrolidone ring, benzene ring, pyridine ring, pyrazine ring, pyrimidine ring, triazine ring, pyridazine ring, pyrrole ring, pyrazole ring, imidazole ring, triazole ring, more preferably pyrrole ring or pyrrolidone ring. Can do.

前記一般式(1)で表される化合物中、好ましいRは前記一般式(2)または(3)で表される構造である。
なお、前記一般式(4)で表される構造を含む前記一般式(1)で表される化合物としては、特開2011−225431号公報中において一般式(1)で表されている化合物を挙げることができる。
Among the compounds represented by the general formula (1), preferable R is a structure represented by the general formula (2) or (3).
In addition, as a compound represented by the said General formula (1) including the structure represented by the said General formula (4), the compound represented by General formula (1) in Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-225431 is mentioned. Can be mentioned.

前記一般式(1)におけるn0は1から4の整数を表し、1〜3の整数であることが好ましく、1または2であることがより好ましい。   N0 in the general formula (1) represents an integer of 1 to 4, preferably an integer of 1 to 3, and more preferably 1 or 2.

本発明では、前記含窒素有機化合物は、一般式(6)または(7)あるいはそれらの2量体以上の多量体で表わされる化合物であることが好ましい。   In the present invention, the nitrogen-containing organic compound is preferably a compound represented by the general formula (6) or (7) or a multimer of dimers or more thereof.

Figure 0005918156
Figure 0005918156

一般式(6)および(7)中、n1は1〜5の整数を表し、n2は1〜6の整数を表す。n1は1〜4であることが好ましく、2〜4であることが好ましく、2であることがより好ましい。n2は1〜4であることが好ましく、2〜4であることが好ましく、2であることがより好ましい。
但し、前記一般式(6)または(7)で表される化合物は、シアノ基以外の置換基を有していてもよいが、シアノ基のみを有することが好ましい。
In general formula (6) and (7), n1 represents the integer of 1-5, n2 represents the integer of 1-6. n1 is preferably 1 to 4, preferably 2 to 4, and more preferably 2. n2 is preferably 1 to 4, preferably 2 to 4, and more preferably 2.
However, the compound represented by the general formula (6) or (7) may have a substituent other than a cyano group, but preferably has only a cyano group.

前記一般式(1)で表される化合物を具体的に例示するが、本発明はこれらに限定されない。   The compound represented by the general formula (1) is specifically exemplified, but the present invention is not limited thereto.

Figure 0005918156
Figure 0005918156

また、前記含窒素有機化合物は、分子が規則的に配列しやすいという結晶性を有する観点から、含窒素結晶性有機化合物であることが好ましい。但し、含窒素結晶性有機化合物は少なくとも含窒素金属錯体以外を1種類以上含むことが好ましい。
含窒素金属錯体は、精製が困難であり、含窒素配位子と金属錯体の組成比が一定であるため、焼成時に分解した際、含窒素配位子の分解速度と配位金属錯体の気化速度の制御ができず目的とする酸素還元反応活性が十分高い含窒素カーボンアロイを得ることが難しい。
配位金属錯体の含窒素配位子の分解速度が調整できたとしても含窒素金属錯体が分解し、金属が直接還元を被るため、生成した近接の0価金属同士が凝集結晶化しやすくなる。すると、含窒素金属錯体が分解して生成した含窒素配位子と特定の金属種との相互作用数が減少し、官能基密度が低くなるため、目的とする酸素還元反応活性が十分高い含窒素カーボンアロイを得ることが難しい。
ただし、含窒素金属錯体と含窒素有機化合物とを混ぜ合わせることは好ましい。これは、含窒素金属錯体が分解して生成した含窒素配位子と特定の金属種との相互作用数が減少することを含窒素有機化合物が補完するため、極めて高い官能基密度を達成でき、目的とする酸素還元反応活性が十分高い含窒素カーボンアロイを得ることができるためである。
In addition, the nitrogen-containing organic compound is preferably a nitrogen-containing crystalline organic compound from the viewpoint of having crystallinity that molecules are easily arranged regularly. However, the nitrogen-containing crystalline organic compound preferably contains at least one kind other than the nitrogen-containing metal complex.
Nitrogen-containing metal complexes are difficult to purify and the composition ratio of nitrogen-containing ligands and metal complexes is constant, so when decomposed during firing, the decomposition rate of nitrogen-containing ligands and the vaporization of coordination metal complexes It is difficult to obtain a nitrogen-containing carbon alloy having a sufficiently high target oxygen reduction reaction activity because the speed cannot be controlled.
Even if the decomposition rate of the nitrogen-containing ligand of the coordination metal complex can be adjusted, the nitrogen-containing metal complex is decomposed and the metal undergoes direct reduction, so that the adjacent zero-valent metals are easily aggregated and crystallized. As a result, the number of interactions between the nitrogen-containing ligand formed by decomposition of the nitrogen-containing metal complex and the specific metal species decreases, and the functional group density decreases, so that the target oxygen reduction reaction activity is sufficiently high. It is difficult to obtain a nitrogen carbon alloy.
However, it is preferable to mix a nitrogen-containing metal complex and a nitrogen-containing organic compound. This is because the nitrogen-containing organic compound complements the decrease in the number of interactions between the nitrogen-containing ligand formed by decomposition of the nitrogen-containing metal complex and the specific metal species, so that an extremely high functional group density can be achieved. This is because a target nitrogen-containing carbon alloy having sufficiently high oxygen reduction reaction activity can be obtained.

前記含窒素結晶性有機化合物は、π−π相互作用、配位結合、電荷移動相互作用、及び水素結合より選択される、2つ以上の結合又は相互作用により結晶構造を形成していることが好ましい。結晶構造を形成した低分子化合物を用いることにより分子間相互作用を向上させて、含窒素カーボンアロイを得る際の焼成時の気化を抑制することができるためである。   The nitrogen-containing crystalline organic compound has a crystal structure formed by two or more bonds or interactions selected from π-π interaction, coordination bond, charge transfer interaction, and hydrogen bond. preferable. This is because the use of a low-molecular compound having a crystal structure can improve the intermolecular interaction and suppress vaporization during firing when obtaining a nitrogen-containing carbon alloy.

ここで言う結晶構造とは結晶中の分子の配列様式・配置様式のことをいう。言い換えると、結晶構造は単位格子の繰り返し構造からなり、分子はこの単位胞内の任意の部位に配置して、配向をしている。また、結晶中、分子は均一な様体をなしている。すなわち、結晶中の官能基の配置が均一であるため、分子の各相互作用は、単位胞内もしくは単位胞外で同一である。たとえば、積層構造を有する窒素有機化合物の場合、芳香環、複素環、縮合多環、縮合複素多環、不飽和基(C≡N基、ビニル基、アリル基、アセチレン基)等は相互作用(例えば芳香環はface−to−faceでπ−π相互作用(π−πスタック))が生じる。これらの環や基における不飽和結合由来の炭素のSP2軌道もしくはSP軌道が分子間で規則正しく等間隔で重なることで積層し、積層カラム構造を形成する。   The crystal structure here refers to the arrangement and arrangement of molecules in the crystal. In other words, the crystal structure consists of a repeating structure of unit cell, and the molecules are arranged at any position in the unit cell and oriented. In the crystal, the molecules have a uniform appearance. That is, since the arrangement of functional groups in the crystal is uniform, each molecular interaction is the same inside or outside the unit cell. For example, in the case of a nitrogen organic compound having a laminated structure, an aromatic ring, a heterocyclic ring, a condensed polycyclic ring, a condensed heterocyclic polycyclic ring, an unsaturated group (C≡N group, vinyl group, allyl group, acetylene group) and the like interact with each other ( For example, in an aromatic ring, a π-π interaction (π-π stack) occurs in a face-to-face. Stacking is performed by SP2 orbitals of carbons derived from unsaturated bonds in these rings and groups being regularly stacked at equal intervals between molecules to form a stacked column structure.

さらにこの積層カラム構造において、隣接する積層カラム間は水素結合またはファンデルワールス相互作用により、分子間距離が規定された均一な構造を有する。このため、結晶内の熱伝達が容易に達成される効果を有する。
また、前記含窒素有機化合物は低分子化合物でありながら結晶性を有し、熱に対してフォノン(量子化された格子振動)により振動緩和され耐熱性を有することが好ましい。そのため分解温度が炭素化温度まで保持され、分解物の気化が低減されて炭素化され、カーボンアロイ骨格が形成される。
Further, in this stacked column structure, adjacent stacked columns have a uniform structure in which the intermolecular distance is defined by hydrogen bonding or van der Waals interaction. For this reason, it has the effect that the heat transfer in a crystal | crystallization is achieved easily.
In addition, the nitrogen-containing organic compound is preferably a low-molecular compound and has crystallinity, and is preferably relaxed by phonons (quantized lattice vibration) against heat and has heat resistance. Therefore, the decomposition temperature is maintained up to the carbonization temperature, the vaporization of the decomposition product is reduced and carbonized, and a carbon alloy skeleton is formed.

結晶性の化合物は焼成時に配向が制御できることから、均一な炭素材料となるため好ましい。   A crystalline compound is preferable because the orientation can be controlled at the time of firing, so that it becomes a uniform carbon material.

含窒素有機化合物は、さらに融点が25℃以上であることが好ましい。融点が25℃未満であると、焼成時に耐熱性に寄与する空気層が存在せず、温度と蒸気圧の関係から沸騰もしくは突沸してしまい、炭素材料を得ることができない。   The nitrogen-containing organic compound preferably further has a melting point of 25 ° C. or higher. When the melting point is less than 25 ° C., there is no air layer contributing to heat resistance during firing, and boiling or bumping occurs due to the relationship between temperature and vapor pressure, and a carbon material cannot be obtained.

前記含窒素有機化合物は、分子量が60〜2000であることが好ましく、100〜1500であることがより好ましく、130〜1000であることが特に好ましい。   The nitrogen-containing organic compound preferably has a molecular weight of 60 to 2000, more preferably 100 to 1500, and particularly preferably 130 to 1000.

前記含窒素有機化合物は、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。また、後述する無機金属塩以外の含窒素有機化合物中の金属含有量は、10ppm以下であることが好ましい。なお、分子量を上記範囲とすることで、焼成前の精製が容易となる。   The nitrogen-containing organic compounds may be used alone or in combination of two or more. Moreover, it is preferable that the metal content in nitrogen-containing organic compounds other than the inorganic metal salt mentioned later is 10 ppm or less. In addition, the refinement | purification before baking becomes easy by making molecular weight into the said range.

前記含窒素有機化合物の窒素含率は、0.1質量%〜55質量%であることが好ましく、1質量%〜30質量%であることがより好ましく、更に4質量%〜20質量%であることが特に好ましい。上記範囲で窒素原子(N)を含有する化合物を使用することにより、別途窒素源となる化合物を導入する必要がなく、結晶エッジに規則正しく窒素原子と金属が均一に位置して、窒素と金属が相互作用しやすくなる。これにより窒素原子と金属の組成比がより高酸素還元活性を有する組成比となり得る。   The nitrogen content of the nitrogen-containing organic compound is preferably 0.1% by mass to 55% by mass, more preferably 1% by mass to 30% by mass, and further 4% by mass to 20% by mass. It is particularly preferred. By using a compound containing a nitrogen atom (N) within the above range, there is no need to introduce a separate nitrogen source compound, the nitrogen atom and metal are regularly positioned uniformly on the crystal edge, and the nitrogen and metal are It becomes easy to interact. Thereby, the composition ratio of nitrogen atom and metal can be a composition ratio having higher oxygen reduction activity.

また、含窒素有機化合物は、窒素雰囲気下で400℃におけるΔTGが−95%〜−0.1%である難揮発性化合物であることが好ましく、−95%〜−1%である難揮発性化合物であることがより好ましく、−90%〜−5%である難揮発性化合物であることが特に好ましい。含窒素有機化合物は、焼成時に気化しないで、炭素化する難揮発性化合物であることが好ましい。
ここで、ΔTGは前記含窒素有機化合物および前記無機金属塩との混合物のTG−DTA測定において、窒素を毎分100mL流通下、30℃から1000℃まで毎分10℃で昇温した際、室温(30℃)における質量を基準にした400℃での質量減少率を指す。
Further, the nitrogen-containing organic compound is preferably a hardly volatile compound having a ΔTG of −95% to −0.1% at 400 ° C. in a nitrogen atmosphere, and is hardly volatile that is −95% to −1%. More preferably, it is a compound, and it is especially preferable that it is a hardly volatile compound which is -90% to -5%. The nitrogen-containing organic compound is preferably a hardly volatile compound that is carbonized without being vaporized during firing.
Here, ΔTG is the room temperature when the temperature is increased from 30 ° C. to 1000 ° C. at 10 ° C./min in a TG-DTA measurement of the mixture of the nitrogen-containing organic compound and the inorganic metal salt at a flow rate of 100 mL / min. The mass reduction rate at 400 ° C. based on the mass at (30 ° C.).

前記含窒素有機化合物は、前記一般式(1)で表される構造の顔料であることも好ましい。
顔料は分子間でπ−π相互作用により、積層カラム構造を形成し、積層カラム間を水素結合又はファンデルワールス相互作用により、分子間距離が規定された均一な構造を有するため、結晶内の熱伝達が容易に達成される効果を有する。また、低分子化合物でありながら結晶性を有し、熱に対してフォノン(量子化された格子振動)により振動緩和され耐熱性を有する。そのため分解温度が炭素化温度まで保持され、分解物の気化が低減されて炭素化が達成される効果を有する。
なかでも、イソインドリン系顔料、イソインドリノン系顔料、ジケトピロロピロール系顔料、キナクリドン系顔料、オキサジン系顔料、フタロシアニン系顔料、キノフタロン系顔料、および上記顔料をラテント化したラテント顔料、また染料を金属イオンで顔料化したレーキ顔料等の顔料が好ましく、ジケトピロロピロール系顔料、キナクリドン系顔料、イソインドリン系顔料、イソインドリノン系顔料、キノフタロン系顔料、および上記顔料をラテント化したラテント顔料(後述)がより好ましい。これらの顔料を焼成すると分解生成するベンゾニトリル(Ph−CN)骨格が反応活性種となり、より高い酸素還元反応活性を有するカーボンアロイ触媒が生成するからである。また金属種(M)が共存することによりPh−CN…Mの錯体を形成し、更に高酸素還元反応活性なカーボンアロイが生成する。
The nitrogen-containing organic compound is also preferably a pigment having a structure represented by the general formula (1).
The pigment forms a stacked column structure by π-π interaction between molecules, and has a uniform structure in which the intermolecular distance is defined by hydrogen bonding or van der Waals interaction between the stacked columns. It has the effect that heat transfer is easily achieved. Moreover, although it is a low molecular weight compound, it has crystallinity, and is vibration-reduced by phonons (quantized lattice vibration) against heat, and has heat resistance. Therefore, the decomposition temperature is maintained up to the carbonization temperature, and there is an effect that the vaporization of the decomposition product is reduced and the carbonization is achieved.
Among them, isoindoline pigments, isoindolinone pigments, diketopyrrolopyrrole pigments, quinacridone pigments, oxazine pigments, phthalocyanine pigments, quinophthalone pigments, and latent pigments or dyes obtained by converting the above pigments into A pigment such as a lake pigment pigmented with a metal ion is preferred, and a diketopyrrolopyrrole pigment, a quinacridone pigment, an isoindoline pigment, an isoindolinone pigment, a quinophthalone pigment, and a latent pigment obtained by laminating the above pigment ( (Described later) is more preferable. This is because, when these pigments are fired, the benzonitrile (Ph-CN) skeleton, which is decomposed and formed, becomes a reactive species, and a carbon alloy catalyst having higher oxygen reduction reaction activity is generated. In addition, when the metal species (M) coexists, a complex of Ph—CN... M is formed, and a carbon alloy having a high oxygen reduction reaction activity is generated.

(金属種)
本発明のカーボンアロイの製造方法は、前駆体の調製工程においてFe、Co、Ni、MnおよびCrのうち1種類以上を含む金属種を用いる。本明細書中、「金属種」とは、無機金属塩、有機金属錯体、有機金属塩(イオン液体、磁性流体)に含まれる金属元素を意味する。
(Metal species)
The carbon alloy production method of the present invention uses a metal species including one or more of Fe, Co, Ni, Mn and Cr in the precursor preparation step. In the present specification, the “metal species” means a metal element contained in an inorganic metal salt, an organic metal complex, or an organic metal salt (ionic liquid, magnetic fluid).

前記金属種に含まれる金属原子の合計量に対する、Fe、Co、Ni、MnおよびCrの合計割合は、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましく、100質量%であることが特に好ましい。   The total ratio of Fe, Co, Ni, Mn and Cr to the total amount of metal atoms contained in the metal species is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and 100% by mass. % Is particularly preferred.

本発明の製造方法では、前記金属種は鉄化合物またはコバルト化合物であることが好ましい。
前記金属種に含まれる金属原子の合計量に対する、Fe、Coの合計割合は、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましく、100質量%であることが特に好ましい。
In the production method of the present invention, the metal species is preferably an iron compound or a cobalt compound.
The total ratio of Fe and Co to the total amount of metal atoms contained in the metal species is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and particularly preferably 100% by mass. preferable.

前記金属種は鉄化合物であることがより好ましい。
前記金属種に含まれる金属原子の合計量に対する、Feの合計割合は、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましく、100質量%であることが特に好ましい。
前記鉄化合物としては、前記鉄化合物が、テトラクロロフェラートアニオンと含窒素4級カチオンとの塩、および塩化鉄のうち少なくとも一種であることがより好ましい。
More preferably, the metal species is an iron compound.
The total proportion of Fe with respect to the total amount of metal atoms contained in the metal species is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and particularly preferably 100% by mass.
More preferably, the iron compound is at least one of a salt of a tetrachloroferrate anion and a nitrogen-containing quaternary cation, and iron chloride.

・有機金属塩:
前記有機金属塩としての金属種としては、前述のイオン液体として挙げた金属種を用いることができる。有機金属塩としての前記金属種の好ましい範囲は、前述のイオン液体中にアニオンとして含まれる金属の好ましい範囲と同様であり、例えばテトラクロロフェラートアニオンと含窒素4級カチオンとの塩であることが特に好ましい。
・ Organic metal salt:
As the metal species as the organic metal salt, the metal species mentioned as the ionic liquid can be used. The preferred range of the metal species as the organic metal salt is the same as the preferred range of the metal contained as an anion in the ionic liquid, for example, a salt of a tetrachloroferrate anion and a nitrogen-containing quaternary cation. Is particularly preferred.

・無機金属塩:
前記前駆体の調製には、Fe、Co、Ni、MnおよびCrのうち1種類以上を含む無機金属塩が用いられることが好ましい。
これにより、窒素原子との相互作用によって、より高い酸素還元活性を有するカーボンアロイが生成し得る。含窒素有機化合物を含む有機材料を焼成することにより、含窒素有機化合物が分解し、生成した分解生成物が気相中で含窒素カーボンアロイ触媒を形成する。その際に、気相中に金属が近傍に存在すると、分解生成物は金属と相互作用(錯体を形成)し、含窒素カーボンアロイ触媒の性能が更に向上する。また、窒素原子(N)を構成元素として含む含窒素有機化合物に添加されている特定の遷移金属化合物の触媒作用等により、窒素原子(N)が炭素触媒表面に高濃度に固定化された含窒素カーボンアロイが形成され、この窒素原子(N)と相互作用した遷移金属化合物を含んだ炭素微粒子が形成されることが好ましい。なお、後述する酸処理によって一部の窒素原子(N)と相互作用した遷移金属化合物が脱落してもよい。
・ Inorganic metal salts:
For the preparation of the precursor, an inorganic metal salt containing one or more of Fe, Co, Ni, Mn and Cr is preferably used.
Thereby, the carbon alloy which has higher oxygen reduction activity can be produced | generated by interaction with a nitrogen atom. By firing an organic material containing a nitrogen-containing organic compound, the nitrogen-containing organic compound is decomposed, and the generated decomposition product forms a nitrogen-containing carbon alloy catalyst in the gas phase. At that time, if a metal is present in the vicinity of the gas phase, the decomposition product interacts with the metal (forms a complex), and the performance of the nitrogen-containing carbon alloy catalyst is further improved. In addition, the nitrogen atom (N) is immobilized on the surface of the carbon catalyst at a high concentration due to the catalytic action of a specific transition metal compound added to the nitrogen-containing organic compound containing the nitrogen atom (N) as a constituent element. It is preferable that a carbon fine particle containing a transition metal compound that has formed a nitrogen carbon alloy and interacted with the nitrogen atom (N) is formed. In addition, the transition metal compound which interacted with a part of nitrogen atoms (N) may be removed by the acid treatment described later.

コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、クロムの塩は、炭素触媒の触媒活性を向上させるナノサイズのシェル構造を形成することに優れ、その中でも特に、コバルト、鉄は、ナノサイズのシェル構造を形成することに優れるため好ましい。また、炭素触媒に含有されたコバルト、鉄は、炭素触媒中において触媒の酸素還元活性を向上させることができる。遷移金属として最も好ましくは鉄である。鉄含有含窒素カーボンアロイは立ち上り電位が高く、反応電子数(後述)がコバルトよりも高く、燃料電池の耐久性を比較的向上させるためである。なお、炭素触媒の活性を阻害しない限り、遷移金属以外の元素(例えば、ホウ素、アルカリ金属(Na,K,Cs)、アルカリ土類(Mg,Ca,Ba)、鉛、スズ、インジウム、タリウム等)が1種類以上含まれてもよい。   The salts of cobalt, iron, manganese, nickel, and chromium are excellent in forming a nano-sized shell structure that improves the catalytic activity of the carbon catalyst, and in particular, cobalt and iron form a nano-sized shell structure. It is preferable because it is particularly excellent. Further, cobalt and iron contained in the carbon catalyst can improve the oxygen reduction activity of the catalyst in the carbon catalyst. Most preferably, the transition metal is iron. This is because the iron-containing nitrogen-containing carbon alloy has a high rise potential, a higher number of reaction electrons (described later) than cobalt, and relatively improves the durability of the fuel cell. As long as the activity of the carbon catalyst is not inhibited, elements other than transition metals (for example, boron, alkali metals (Na, K, Cs), alkaline earths (Mg, Ca, Ba), lead, tin, indium, thallium, etc. ) May be included in one or more types.

無機金属塩としては、特に限定はされないが、水酸化物、酸化物、窒化物、硫酸化物、亜硫酸化物、硫化物、スルホン化物、カルボニル化物、硝酸化物、亜硝酸化物、ハロゲン化物等とすることができる。好ましくは対イオンがハロゲンイオン、硝酸イオン又は硫酸イオンである。対イオンがハロゲンイオン、硝酸イオン又は硫酸イオンであるハロゲン化物、硝酸化物、又は硫酸化物は、加熱分解時に生成した炭素表面で炭素と結合し、比表面積を増大させるため好ましい。
本発明では、前記無機金属塩はハロゲン化物であることが好ましい。その中でも、塩化鉄であることがより好ましい。
The inorganic metal salt is not particularly limited, but hydroxide, oxide, nitride, sulfate, sulfite, sulfide, sulfonate, carbonylate, nitrate, nitrite, halide, etc. Can do. Preferably, the counter ion is a halogen ion, a nitrate ion or a sulfate ion. Halides, nitrates or sulfates whose counter ions are halogen ions, nitrate ions or sulfate ions are preferred because they bind to carbon on the carbon surface produced during thermal decomposition and increase the specific surface area.
In the present invention, the inorganic metal salt is preferably a halide. Among these, iron chloride is more preferable.

また無機金属塩は結晶水を含むことができる。無機金属塩が結晶水を含むことにより熱伝導率が向上するため、均一に焼成可能になる点で好ましい。結晶水を含む無機金属塩としては、例えば、塩化コバルト(III)含水塩、塩化鉄(III)含水塩、塩化コバルト(II)含水塩、塩化鉄(II)含水塩を好適に使用することができる。   The inorganic metal salt can contain crystal water. Since the inorganic metal salt contains crystal water, the thermal conductivity is improved, which is preferable in that it can be uniformly fired. As the inorganic metal salt containing crystal water, for example, cobalt chloride (III) hydrate salt, iron chloride (III) hydrate salt, cobalt chloride (II) hydrate salt, iron chloride (II) hydrate salt is preferably used. it can.

前記前駆体中に含まれる前記イオン液体、前記含窒素有機化合物、前記Fe、Co、Ni、MnおよびCrのうち1種類以上を含む無機金属塩の合計(但し、合計には水和水の質量を含める)に対する、前記無機金属塩(但し、ここでいう無機金属塩には水和水の質量を含める)の量は、0.1質量%以上85質量%以下が好ましく、0.5質量%以上80質量%以下がより好ましく、1質量%以上75質量%以下がもっとも好ましい。   Sum of inorganic metal salts containing one or more of the ionic liquid, the nitrogen-containing organic compound, the Fe, Co, Ni, Mn and Cr contained in the precursor (however, the sum is the mass of hydrated water) The amount of the inorganic metal salt (including the mass of hydrated water in the inorganic metal salt herein) is preferably 0.1% by mass or more and 85% by mass or less, and 0.5% by mass It is more preferably 80% by mass or less and most preferably 1% by mass or more and 75% by mass or less.

この範囲にすることによって、高い酸素還元反応活性(ORR活性)を有するカーボンアロイが生成し得る。   By setting it within this range, a carbon alloy having high oxygen reduction reaction activity (ORR activity) can be generated.

ORR活性は、実施例にて詳述する方法により電流密度を求め、これをORR活性値として測定することができる。高出力を得るために、酸素還元する際の電流密度値が低いことが好ましく、具体的には、−400μA/cm2以下が好ましく、−500μA/cm2以下がより好ましく、−600μA/cm2以下が更に好ましく、最も好ましくは−700μA/cm2以下である。 The ORR activity can be measured as the ORR activity value by obtaining the current density by the method described in detail in the Examples. To obtain high output, it is preferable current density value is low at the time of oxygen reduction, specifically, preferably -400μA / cm 2 or less, more preferably -500μA / cm 2 or less, -600μA / cm 2 The following is more preferable, and most preferable is −700 μA / cm 2 or less.

なお、焼成前の有機材料において、含窒素有機化合と無機金属塩は均一分散させる必要がないという利点を有する。すなわち、含窒素有機化合物が焼成分解した際に、その分解生成物と無機金属塩等の気化物が接触していれば、酸素還元反応活性を有する活性種が形成すると考えられるため、室温での含窒素有機化合物と無機金属塩との混合状態にカーボンアロイの酸素還元反応活性は影響を受けない。   In the organic material before firing, there is an advantage that the nitrogen-containing organic compound and the inorganic metal salt do not need to be uniformly dispersed. That is, when the nitrogen-containing organic compound is decomposed by firing, if the decomposition product is in contact with a vaporized substance such as an inorganic metal salt, it is considered that an active species having oxygen reduction reaction activity is formed. The oxygen reduction reaction activity of the carbon alloy is not affected by the mixed state of the nitrogen-containing organic compound and the inorganic metal salt.

なお、無機金属塩の粒径は、直径0.001μm以上100μm以下であることが好ましい。より好ましくは0.01μm以上10μm以下である。無機金属塩の粒径をこの範囲内にすることで、含窒素有機化合物と均一に混合させることが可能となり、含窒素有機化合物が分解生成時に錯体を形成しやすくなる。   The particle size of the inorganic metal salt is preferably 0.001 μm or more and 100 μm or less. More preferably, it is 0.01 μm or more and 10 μm or less. By making the particle size of the inorganic metal salt within this range, it becomes possible to uniformly mix with the nitrogen-containing organic compound, and the nitrogen-containing organic compound is likely to form a complex when decomposed.

・有機金属錯体:
本発明のカーボンアロイ材料の製造方法は、前記前駆体がさらに少なくとも一種の有機金属錯体を含むことが好ましい。前記前駆体に有機金属錯体を添加することにより、ORR高活性であることに加え、さらに高反応電子数を示すカーボンアロイ触媒を得ることができる。
前記有機金属錯体としては、基礎錯体工学研究会編、錯体化学−基礎と最新の話題−、講談社サイエンティフィク(1994)に記載されている化合物を例示することができ、具体的には金属イオンに配位子が配位した化合物を好ましく例示することができる。なお、有機金属錯体は、多様な配位子の配位数をとることができ、配位幾何異性体でも良いし、金属イオンの価数が異なっても良い。また、有機金属錯体は、金属−炭素結合を有する有機金属化合物でも良い。
・ Organic metal complexes:
In the method for producing a carbon alloy material of the present invention, it is preferable that the precursor further contains at least one organometallic complex. By adding an organometallic complex to the precursor, a carbon alloy catalyst exhibiting a high number of reaction electrons can be obtained in addition to high ORR activity.
Examples of the organometallic complex include compounds described in Basic Complex Engineering Study Group, Complex Chemistry-Fundamentals and Latest Topics-, Kodansha Scientific (1994), specifically, metal ions. A compound in which a ligand is coordinated to can be preferably exemplified. In addition, the organometallic complex can take the coordination number of various ligands, may be a coordination geometric isomer, and may have different valences of metal ions. The organometallic complex may be an organometallic compound having a metal-carbon bond.

前記金属イオンとして好ましいものは、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、クロムのイオンである。
前記配位子として好ましいものは、単座配位子(ハロゲン化物イオン、シアン化物イオン、アンモニア、ピリジン(py)、トリフェニルホスフィン、カルボン酸等)、二座配位子(エチレンジアミン(en)、β‐ジケトナート(アセチルアセトナート(acac)、ピバロイルメタン(DPM)、ジイソブトキシメタン(DIBM)、イソブトキシピバロイルメタン(IBPM)、テトラメチルオクタジオン(TMOD))、トリフルオロアセチルアセトナート(TFA)、ビピリジン(bpy)、フェナントレン(phen)等)、多座配位子(エチレンジアミンテトラ酢酸イオン(edta))等)である。
Preferred as the metal ions are cobalt, iron, manganese, nickel, and chromium ions.
Preferred as the ligand are monodentate ligands (halide ion, cyanide ion, ammonia, pyridine (py), triphenylphosphine, carboxylic acid, etc.), bidentate ligands (ethylenediamine (en), β -Diketonates (acetylacetonate (acac), pivaloylmethane (DPM), diisobutoxymethane (DIBM), isobutoxypivaloylmethane (IBPM), tetramethyloctadione (TMOD)), trifluoroacetylacetonate (TFA), Bipyridine (bpy), phenanthrene (phen), etc.), multidentate ligands (ethylenediaminetetraacetate ion (edta), etc.).

金属錯体として好ましいものはβ‐ジケトナート金属錯体(ビス(アセチルアセトナート)鉄(II)[Fe(acac)2],トリス(アセチルアセトナート)鉄(III)[Fe(acac)3]、ビス(アセチルアセトナート)コバルト(II)[Co(acac)2]、トリス(アセチルアセトナート)コバルト(III)[Co(acac)3], トリス(ジピバロイルメタン)鉄(III)[Fe(DPM)3]、トリス(ジピバロイルメタン)コバルト(III)[Co(DPM)3]、トリス(ジイソブトキシメタン)鉄(III) [Fe(DIBM)3]、トリス(ジイソブトキシメタン)コバルト(III) [Co(DIBM)3]、トリス(イソブトキシピバロイルメタン)コバルト(III) [Co(IBPM)3]、トリス(テトラメチルオクタジオン)鉄(III) [Fe(TMOD)3]、トリス(テトラメチルオクタジオン)コバルト(III) [Co(TMOD)3]、トリス(1,10−フェナントロリナート)鉄(III)塩化物[Fe(phen)3]Cl2、トリス(1,10−フェナントロリナート)コバルト(III)塩化物[Co(phen)3]Cl2、N,N’−エチレンジアミンビス(サリチリデンアミナト)酸鉄(II)[Fe(salen)]、N,N’−エチレンジアミンビス(サリチリデンアミナト)酸コバルト(II)[Co(salen)]、トリス(2,2’−ビピリジン)鉄(II)塩化物[Fe(bpy)3]Cl2、トリス(2,2’−ビピリジン)コバルト(II)塩化物[Co(bpy)3]Cl2、金属フタロシアニン(MPc)、酢酸鉄[Fe(OAc)2]酢酸鉄[Fe(OAc)2]を挙げることができる。
その中でもβ−ジケトナート鉄錯体(ビス(アセチルアセトナート)鉄(II)[Fe(acac)2]、トリス(アセチルアセトナート)鉄(III)[Fe(acac)3]、ビス(ジピバロイルメタン)鉄(II)[Fe(DPM)2]、ビス(ジイソブトキシメタン)鉄(II) [Fe(DIBM)2]、ビス(イソブトキシピバロイルメタン)鉄(II) [Fe(IBPM)2]、ビス(テトラメチルオクタジオン)鉄(II) [Fe(TMOD)2])、N,N’−エチレンジアミンビス(サリチリデンアミナト)酸鉄(II)[Fe(salen)]、トリス(2,2’−ビピリジン)鉄(II)塩化物[Fe(bpy)3]Cl2、鉄フタロシアニン(MPc)、酢酸鉄[Fe(OAc)2]ビス(アセチルアセトナート)鉄(II)[Fe(acac)2]が好ましい。
Preferred metal complexes are β-diketonate metal complexes (bis (acetylacetonato) iron (II) [Fe (acac) 2 ], tris (acetylacetonato) iron (III) [Fe (acac) 3 ], bis ( Acetylacetonato) cobalt (II) [Co (acac) 2 ], tris (acetylacetonato) cobalt (III) [Co (acac) 3 ], tris (dipivaloylmethane) iron (III) [Fe (DPM 3 ], tris (dipivaloylmethane) cobalt (III) [Co (DPM) 3 ], tris (diisobutoxymethane) iron (III) [Fe (DIBM) 3 ], tris (diisobutoxymethane) cobalt ( III) [Co (DIBM) 3 ], tris (isobutoxypivaloylmethane) cobalt (III) [Co (IBPM) 3 ], tris (tetramethyloctadione) iron (III) [Fe (TMOD) 3 ], tris (tetramethyloctadione) cobalt (III) [Co (TMOD) 3 ], tris (1,10-phenanthroli Nate) iron (III) chloride [Fe (phen) 3 ] Cl 2 , tris (1,10-phenanthrolinato) cobalt (III) chloride [Co (phen) 3 ] Cl 2 , N, N′— Ethylenediaminebis (salicylideneaminato) acid iron (II) [Fe (salen)], N, N′-ethylenediaminebis (salicylideneaminato) cobalt (II) [Co (salen)], tris (2 , 2′-bipyridine) iron (II) chloride [Fe (bpy) 3 ] Cl 2 , tris (2,2′-bipyridine) cobalt (II) chloride [Co (bpy) 3 ] Cl 2 Metal phthalocyanine (MPc) and iron acetate [Fe (OAc) 2 ] iron acetate [Fe (OAc) 2 ].
Among them, β-diketonate iron complex (bis (acetylacetonato) iron (II) [Fe (acac) 2 ], tris (acetylacetonato) iron (III) [Fe (acac) 3 ], bis (dipivaloyl) Methane) iron (II) [Fe (DPM) 2 ], bis (diisobutoxymethane) iron (II) [Fe (DIBM) 2 ], bis (isobutoxypivaloylmethane) iron (II) [Fe (IBPM) 2 ], bis (tetramethyloctadione) iron (II) [Fe (TMOD) 2 ]), N, N′-ethylenediaminebis (salicylideneaminato) iron (II) [Fe (salen)], tris (2,2′-bipyridine) iron (II) chloride [Fe (bpy) 3 ] Cl 2 , iron phthalocyanine (MPc), iron acetate [Fe (OAc) 2 ] bis (acetylacetonate) iron (II) [Fe (acac) 2 ] is preferred.

(β−ジケトナート金属錯体)
本発明のカーボンアロイ材料の製造方法では、前記有機金属錯体がβ‐ジケトナート鉄(II)錯体であるアセチルアセトン鉄(II)、ビス(ジピバロイルメタン)鉄(II)[Fe(DPM)2]、ビス(ジイソブトキシメタン)鉄(II) [Fe(DIBM)2]、ビス(イソブトキシピバロイルメタン)鉄(II) [Fe(IBPM)2]、ビス(テトラメチルオクタジオン)鉄(II) [Fe(TMOD)2]であることが特に好ましい。
(Β-diketonate metal complex)
In the method for producing a carbon alloy material of the present invention, the organometallic complex is a β-diketonate iron (II) complex, which is acetylacetone iron (II), bis (dipivaloylmethane) iron (II) [Fe (DPM) 2 ], Bis (diisobutoxymethane) iron (II) [Fe (DIBM) 2 ], bis (isobutoxypivaloylmethane) iron (II) [Fe (IBPM) 2 ], bis (tetramethyloctadione) iron ( II) [Fe (TMOD) 2 ] is particularly preferred.

前記金属錯体として、β−ジケトナート金属錯体を詳細に述べる。β−ジケトナート金属錯体は、下記一般式(8)で表される化合物およびその互変異性体を示す。   A β-diketonate metal complex will be described in detail as the metal complex. The β-diketonate metal complex represents a compound represented by the following general formula (8) and a tautomer thereof.

Figure 0005918156
Figure 0005918156

前記式(8)中、Mは金属を示し、R1およびR3はそれぞれ独立に、置換基を有していてもよい炭化水素基を示し、また、R2は水素原子又は置換基を有していてもよい炭化水素基を示す。R1、R2、R3は、それぞれ互いに結合して環を形成していてもよい。nは0以上の整数を示し、mは1以上の整数を示す。この化合物においては、金属Mの原子又はイオンに対して、β−ジケトン又はそのイオンが配位又は結合している。 In the formula (8), M represents a metal, R 1 and R 3 each independently represents a hydrocarbon group which may have a substituent, and R 2 has a hydrogen atom or a substituent. The hydrocarbon group which may be carried out is shown. R 1 , R 2 and R 3 may be bonded to each other to form a ring. n represents an integer of 0 or more, and m represents an integer of 1 or more. In this compound, β-diketone or its ion is coordinated or bonded to the atom or ion of metal M.

好ましい金属としては、コバルト、鉄、マンガン、ニッケル、クロム、より好ましくはコバルト、鉄、さらに好ましくは鉄である。   Preferred metals are cobalt, iron, manganese, nickel, chromium, more preferably cobalt, iron, and still more preferably iron.

1、R2、R3の置換基を有していてもよい炭化水素基における「炭化水素基」としては、例えば、脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基、芳香族炭化水素基、複素環式(ヘテロ環式)炭化水素基、およびこれらが複数個結合した基などが挙げられる。脂肪族炭化水素基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、s−ブチル、t−ブチル、ヘキシル基などのアルキル基(C1-6アルキル基等);アリル基などのアルケニル基(C2-6アルケニル基等)などが挙げられる。脂環式炭化水素基としては、例えば、シクロペンチル、シクロヘキシル基などのシクロアルキル基(3〜15員のシクロアルキル基等);シクロヘキセニル基などのシクロアルケニル基(3〜15員のシクロアルケニル基等);アダマンチル基などの橋かけ炭素環式基(炭素数6〜20程度の橋かけ炭素環式基等)などが挙げられる。芳香族炭化水素基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基等の炭素数6〜20程度の芳香族炭化水素基(アリール基)などが挙げられる。複素環式(ヘテロ環式)炭化水素基としては、例えば、ピロリル基、イミダゾリル基、ピラゾリル基等の含窒素五員環炭化水素基;ピリジル基、ピラジニル基、ピリミジニル基、ピリダジニル基の含窒素六員環炭化水素基;ピロリジジニル基、インドリジニル基、イソインドリル基、イソインインドリニル基、インドリル基、インダゾリル基、プリニル基、キノリジニル基、キノリニル基、ナフチリジニル基、フタラジニル基、キノキサリニル基、シンノリニル基、プテリジニル基等の含窒素縮合二環系炭化水素基;カルバゾリル基、β−カルボリニル基、フェナントリジニル基、アクリジニル基、ペリミジニル基、フェナントロリニル基、フェナジニル基、アンチリジニル基等の含窒素縮合三環系炭化水素基;含酸素単環系、含酸素多環系、含硫黄系、含セレン・テルル環系炭化水素基などが挙げられる。 Examples of the “hydrocarbon group” in the hydrocarbon group optionally having a substituent for R 1 , R 2 , and R 3 include an aliphatic hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, and an aromatic hydrocarbon group. , Heterocyclic (heterocyclic) hydrocarbon groups, and groups in which a plurality of these are bonded. Examples of the aliphatic hydrocarbon group include alkyl groups such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, s-butyl, t-butyl, and hexyl groups (C 1-6 alkyl groups and the like); An alkenyl group ( C2-6 alkenyl group etc.) etc. are mentioned. Examples of alicyclic hydrocarbon groups include cycloalkyl groups such as cyclopentyl and cyclohexyl groups (3 to 15 membered cycloalkyl groups); cycloalkenyl groups such as cyclohexenyl groups (3 to 15 membered cycloalkenyl groups and the like) ); A bridged carbocyclic group such as an adamantyl group (such as a bridged carbocyclic group having about 6 to 20 carbon atoms). Examples of the aromatic hydrocarbon group include an aromatic hydrocarbon group (aryl group) having about 6 to 20 carbon atoms such as a phenyl group and a naphthyl group. Heterocyclic (heterocyclic) hydrocarbon groups include, for example, nitrogen-containing five-membered hydrocarbon groups such as pyrrolyl, imidazolyl and pyrazolyl groups; nitrogen-containing six-membered pyridyl, pyrazinyl, pyrimidinyl and pyridazinyl groups Member ring hydrocarbon group; pyrrolidinyl group, indolizinyl group, isoindolyl group, isoinindolinyl group, indolyl group, indazolyl group, purinyl group, quinolidinyl group, quinolinyl group, naphthyridinyl group, phthalazinyl group, quinoxalinyl group, cinnolinyl group, pteridinyl group Nitrogen-containing condensed bicyclic hydrocarbon group such as carbazolyl group, β-carbolinyl group, phenanthridinyl group, acridinyl group, perimidinyl group, phenanthrolinyl group, phenazinyl group, antiridinyl group, etc. Hydrocarbon group; oxygen-containing monocyclic system, oxygen-containing polycyclic system Sulfur-containing and selenium-containing tellurium ring system hydrocarbon group.

前記炭化水素基が有していてもよい置換基としては、例えば、フッ素、塩素、臭素原子などのハロゲン原子;メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロピルオキシ、ブトキシ、イソブチルオキシ、t−ブチルオキシ基などのアルコキシ基(C1-4アルコキシ基等);ヒドロキシ基;メトキシカルボニル、エトキシカルボニル基などのアルコキシカルボニル基(C1-4アルコキシ−カルボニル基等);アセチル、プロピオニル、ベンゾイル基などのアシル基(C1-10アシル基等);シアノ基;ニトロ基などが挙げられる。 Examples of the substituent which the hydrocarbon group may have include, for example, halogen atoms such as fluorine, chlorine and bromine atoms; alkoxy such as methoxy, ethoxy, propoxy, isopropyloxy, butoxy, isobutyloxy and t-butyloxy groups group (C 1-4 alkoxy group); a hydroxyl group; methoxy carbonyl, alkoxycarbonyl groups such as ethoxycarbonyl group (C 1-4 alkoxy - carbonyl group); acetyl, propionyl, acyl groups such as benzoyl group (C 1 -10 acyl group); cyano group; nitro group and the like.

1、R2、R3が、それぞれ互いに結合して形成する環としては、例えば、シクロペンタン環、シクロペンテン環、シクロヘキサン環、シクロヘキセン環などの5〜15員のシクロアルカン環又はシクロアルケン環などが挙げられる。 Examples of the ring formed by combining R 1 , R 2 , and R 3 with each other include, for example, a 5- to 15-membered cycloalkane ring or cycloalkene ring such as a cyclopentane ring, a cyclopentene ring, a cyclohexane ring, and a cyclohexene ring. Is mentioned.

1、R3としては、アルキル基(C1-6アルキル基等)、アルケニル基(C2-6アルケニル基等)、シクロアルキル基(3〜15員のシクロアルキル基等)、シクロアルケニル基(3〜15員のシクロアルケニル基等)、アリール基(C6-15アリール基等)、置換基を有するアリール基(p−メチルフェニル基、p−ヒドロキシフェニル基などの置換基を有するC6-15アリール基等)などが好ましい。R2としては、水素原子、アルキル基(C1-6アルキル基等)、アルケニル基(C2-6アルケニル基等)、シクロアルキル基(3〜15員のシクロアルキル基等)、シクロアルケニル基(3〜15員のシクロアルケニル基等)、アリール基(C6-15アリール基等)、置換基を有するアリール基(p−メチルフェニル基、p−ヒドロキシフェニル基などの置換基を有するC6-15アリール基等)などが好ましい。 R 1 and R 3 include an alkyl group (C 1-6 alkyl group etc.), an alkenyl group (C 2-6 alkenyl group etc.), a cycloalkyl group (3-15 membered cycloalkyl group etc.), a cycloalkenyl group. (3- to 15-membered cycloalkenyl group etc.), aryl group (C 6-15 aryl group etc.), aryl group having a substituent (C 6 having a substituent such as p-methylphenyl group, p-hydroxyphenyl group) -15 aryl group). R 2 includes a hydrogen atom, an alkyl group (C 1-6 alkyl group etc.), an alkenyl group (C 2-6 alkenyl group etc.), a cycloalkyl group (3-15 membered cycloalkyl group etc.), a cycloalkenyl group. (3- to 15-membered cycloalkenyl group etc.), aryl group (C 6-15 aryl group etc.), aryl group having a substituent (C 6 having a substituent such as p-methylphenyl group, p-hydroxyphenyl group) -15 aryl group).

前記式(8)で表される化合物において、金属の価数nは、0価、1価、2価、3価等のいずれであってもよいが、通常2価または3価である。金属が2価又は3価の場合には、β−ジケトンは、対応するアニオンであるβ−ジケトナートとして配位する。金属の価数をnとした場合、通常、配位数mは同一である。ただし、金属に溶媒等を軸配位させても良く、その場合、金属の価数nと配位数mが異なっても良い。
軸配位しても良い溶媒として、ピリジン、アセトニトリル、アルコール等が例示されるが、軸配位するものであればどの様なものでも良い。
In the compound represented by the formula (8), the valence n of the metal may be any of 0, 1, 2, 3 and the like, but is usually divalent or trivalent. When the metal is divalent or trivalent, the β-diketone is coordinated as the corresponding anion, β-diketonate. When the metal valence is n, the coordination number m is usually the same. However, a solvent or the like may be axially coordinated with the metal. In that case, the valence n and the coordination number m of the metal may be different.
Examples of the solvent that may be axially coordinated include pyridine, acetonitrile, alcohol, and the like, but any solvent that can be axially coordinated may be used.

β−ジケトナート鉄錯体は、市販のものをそのまま、または精製して使用してもよいし、調製して使用してもよい。また、反応系中で発生させて使用することもできる。反応系中で発生させる場合には、例えば、鉄の塩化物、水酸化物とアセチルアセトン等のβ−ジケトンを添加すればよい。この際、必要に応じてアンモニア、アミン類、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物や炭酸塩、カルボン酸塩などの塩基を添加することができる。   As the β-diketonate iron complex, a commercially available product may be used as it is or after purification, or it may be prepared and used. It can also be generated and used in a reaction system. When it is generated in the reaction system, for example, iron chloride, hydroxide and β-diketone such as acetylacetone may be added. At this time, a base such as ammonia, amines, alkali metal or alkaline earth metal hydroxides, carbonates or carboxylates can be added as necessary.

β−ジケトナート鉄錯体の添加量は、通常0.001〜50モル%、好ましくは0.01〜10モル%、特に好ましくは0.1〜1モル%程度である。   The amount of β-diketonate iron complex added is usually 0.001 to 50 mol%, preferably 0.01 to 10 mol%, particularly preferably about 0.1 to 1 mol%.

(導電助剤)
本発明における前駆体に、導電助剤を添加して焼成しても良いし、カーボンアロイに添加してもよい。導電性助剤が均一に分散されるため好ましくは導電助剤を添加して焼成する方が好ましい。
(Conductive aid)
The precursor in the present invention may be fired by adding a conductive additive, or may be added to a carbon alloy. Since the conductive auxiliary agent is uniformly dispersed, it is preferable to add a conductive auxiliary agent and fire.

前記導電助剤としては、限定されないが、例えば、ノーリット(NORIT社製)、ケッチェンブラック(Lion社製)、バルカン(Cabot社製)、ブラックパール(Cabot社製)、アセチレンブラック(Chevron社製)(いずれも商品名)等のカーボンブラック、黒鉛をはじめ、C60やC70等のフラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボン繊維等の炭素材料が挙げられる。   Although it does not limit as said conductive support agent, For example, Norit (made by NORIT), Ketjen black (made by Lion), Vulcan (made by Cabot), black pearl (made by Cabot), acetylene black (made by Chevron) ) (All are trade names), carbon materials such as carbon black, graphite, fullerenes such as C60 and C70, carbon nanotubes, carbon nanohorns, and carbon fibers.

導電助剤の添加量として、好ましくは0.01質量%〜50質量%、より好ましくは0.1質量%〜20質量%であり、さらに好ましいのは1質量%〜10質量%である。
導電助剤を多く添加しすぎると、系中で無機金属塩から生成する金属の凝集・成長が不均一になり目的とする多孔性含窒素炭素を得ることができないため、不適である。
As addition amount of a conductive support agent, Preferably it is 0.01 mass%-50 mass%, More preferably, it is 0.1 mass%-20 mass%, More preferably, it is 1 mass%-10 mass%.
If too much conductive additive is added, the aggregation / growth of the metal produced from the inorganic metal salt in the system becomes non-uniform and the desired porous nitrogen-containing carbon cannot be obtained, which is not suitable.

(担体)
本発明のカーボンアロイ材料の製造方法に用いることができる担体としては、本発明の趣旨に反しない限りにおいて特に制限はない。
本発明のカーボンアロイ材料の製造方法は、前記担体が、炭素材料または、焼成により炭素材料もしくはカーボンアロイ材料を生成する有機前駆体であることが好ましい。
具体的には、前記担体は、細孔を有する炭素材料または、焼成により炭素材料もしくはカーボンアロイ材料を生成する有機前駆体であることがより好ましい。
(Carrier)
The carrier that can be used in the method for producing the carbon alloy material of the present invention is not particularly limited as long as it is not contrary to the gist of the present invention.
In the method for producing a carbon alloy material according to the present invention, the carrier is preferably a carbon material or an organic precursor that generates a carbon material or a carbon alloy material by firing.
Specifically, the carrier is more preferably a carbon material having pores or an organic precursor that generates a carbon material or a carbon alloy material by firing.

前記炭素材料としては限定されないが、例えば、ケッチェンブラック(Lion社製)、バルカンブラック(Cabot社製)、ブラックパール(Cabot社製)、ノーリット(NORIT社製)、アセチレンブラック(Chevron社製)(いずれも商品名)等のカーボンブラック、C60やC70等のフラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノホーン、炭素繊維、黒鉛、活性炭等が挙げられる。また、これらの2種類以上を組み合わせて用いても良いし、焼成により得ても良い。
また前記カーボンアロイ材料を生成する有機前駆体としては、分子量2000以下の前記含窒素有機化合物を用いることができる。この中で炭素材料としては、導電性を有する多孔質炭素材料が好ましく、導電性多孔質カーボンブラックがより好ましい。
また、特開2009−525841号公報に記載されている炭素基板も本発明では好ましく担体として用いることができる。
Examples of the carbon material include, but are not limited to, Ketjen Black (manufactured by Lion), Vulcan Black (manufactured by Cabot), Black Pearl (manufactured by Cabot), Norrit (manufactured by NORIT), and acetylene black (manufactured by Chevron). (All are trade names) such as carbon black, fullerenes such as C60 and C70, carbon nanotubes, graphene, carbon nanohorns, carbon fibers, graphite, activated carbon and the like. Two or more of these may be used in combination or may be obtained by firing.
As the organic precursor for producing the carbon alloy material, the nitrogen-containing organic compound having a molecular weight of 2000 or less can be used. Among these, as a carbon material, the porous carbon material which has electroconductivity is preferable, and electroconductive porous carbon black is more preferable.
In addition, a carbon substrate described in JP-A-2009-525841 can also be preferably used as a carrier in the present invention.

このような担体の入手方法としては特に制限はなく、商業的に入手することができる。
本発明に好ましく用いられる担体の具体例としては、ケッチェンブラックシリーズ(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名)など)を挙げることができる。
There is no restriction | limiting in particular as an acquisition method of such a support | carrier, It can obtain commercially.
Specific examples of the carrier preferably used in the present invention include the Ketjen Black series (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name), etc.).

前記前駆体中における各成分の比率としては特に制限はない。
前記前駆体中、前記イオン液体、前記含窒素有機化合物、前記Fe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種および前記有機金属錯体と、前記担体との比率は質量比で0.1:9.9〜9.9:0.1であることが好ましく、0.5:9.5〜9.5:0.5であることがより好ましく、1:9〜9:1であることが特に好ましい。
前記前駆体中、前記イオン液体、前記含窒素有機化合物、前記Fe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含むイオン液体および前記有機金属錯体の合計に対する、金属原子の含有量は、0.1〜85質量%あることが好ましく、0.5〜50質量%であることがより好ましく、1〜20質量%であることが特に好ましい。
There is no restriction | limiting in particular as a ratio of each component in the said precursor.
In the precursor, the ratio of the ionic liquid, the nitrogen-containing organic compound, the metal species including one or more of Fe, Co, Mn, Cr, and Ni and the organometallic complex, and the carrier is a mass ratio. It is preferably 0.1: 9.9 to 9.9: 0.1, more preferably 0.5: 9.5 to 9.5: 0.5, and 1: 9 to 9: 1. It is particularly preferred that
In the precursor, the content of metal atoms with respect to the total of the ionic liquid, the nitrogen-containing organic compound, the ionic liquid containing one or more of the Fe, Co, Mn, Cr and Ni and the organometallic complex is: It is preferably 0.1 to 85% by mass, more preferably 0.5 to 50% by mass, and particularly preferably 1 to 20% by mass.

<前駆体を焼成する工程>
前記カーボンアロイ材料の製造方法は、前記前駆体を焼成する工程が、
1)前記前駆体を調製する工程、
2)不活性雰囲気下で室温から炭素化温度まで毎分1℃以上1000℃以下で昇温する昇温工程、
3)500℃〜1000℃まで、0.1〜100時間保持する炭素化工程、
4)炭素化温度から室温まで冷却する冷却工程を含んでいることが好ましい。
5)炭素化処理後に、カーボンアロイを室温まで冷却した後、粉砕処理を行ってもよい。
本発明のカーボンアロイ材料の製造方法は前記焼成工程の後に、
6)焼成された含窒素カーボンアロイを酸で洗浄する工程を含むことが好ましい。
7)前記酸洗浄工程の後に、酸洗浄された含窒素カーボンアロイを再焼成する工程を含むことがより好ましい。
<Step of firing the precursor>
In the method for producing the carbon alloy material, the step of firing the precursor includes:
1) preparing the precursor,
2) A temperature raising step in which the temperature is raised from room temperature to the carbonization temperature at 1 ° C. or more and 1000 ° C. or less under an inert atmosphere;
3) A carbonization step for holding from 500 ° C to 1000 ° C for 0.1 to 100 hours,
4) It is preferable to include a cooling step of cooling from the carbonization temperature to room temperature.
5) After the carbonization treatment, the carbon alloy may be cooled to room temperature and then pulverized.
The method for producing the carbon alloy material of the present invention includes the firing step,
6) It is preferable to include a step of washing the baked nitrogen-containing carbon alloy with an acid.
7) More preferably, after the acid cleaning step, a step of refiring the acid-cleaned nitrogen-containing carbon alloy is included.

<昇温工程・炭素化工程>
本発明の製造方法は、前記イオン液体が付着した前記担体を含む前駆体を炭素化温度まで加熱処理することが好ましい。
<Temperature raising process / carbonization process>
In the production method of the present invention, it is preferable to heat-treat the precursor containing the carrier to which the ionic liquid is adhered to the carbonization temperature.

この炭素化温度までの加熱処理において、昇温処理の部分をまとめて不融化処理とする。
炭素化処理の焼成温度は、含窒素有機化合物が熱分解及び炭素化する温度であれば特に制限されないが、炭素化温度の上限は1000℃である必要がある。炭素化温度が1000℃を超える場合には、炭素骨格中に窒素が残留し難いため、N/C原子比が低下し、酸素還元反応活性が低くなる傾向にある。更に、炭化物の収率が著しく低減し、炭化物が収率よく製造できない場合がある。
反応温度の下限は400℃であることが好ましく、500℃であることがより好ましく、600℃であることが更に好ましい。反応温度を400℃以上にすることによって、十分に炭化が進んで高い触媒性能を有するカーボンアロイが得られる。また、反応温度が1000℃以下であれば炭素骨格中に窒素が残留し、所望のN/C原子比とすることでき、十分な酸素還元反応活性が得られる。
本発明の製造方法が後述する再焼成工程を含む場合、再焼成工程をはじめの炭素化処理を行う温度よりも高温で行う観点から、炭素化処理の焼成温度は、400〜900℃であることが好ましく、500〜850℃であることがより好ましく、600〜800℃の範囲であることが更に好ましい。
In the heat treatment up to this carbonization temperature, the portions of the temperature rise treatment are collectively referred to as an infusible treatment.
The firing temperature of the carbonization treatment is not particularly limited as long as the nitrogen-containing organic compound is thermally decomposed and carbonized, but the upper limit of the carbonization temperature needs to be 1000 ° C. When the carbonization temperature exceeds 1000 ° C., it is difficult for nitrogen to remain in the carbon skeleton, so the N / C atomic ratio tends to decrease and the oxygen reduction reaction activity tends to decrease. Furthermore, the yield of carbide may be significantly reduced, and the carbide may not be produced with good yield.
The lower limit of the reaction temperature is preferably 400 ° C, more preferably 500 ° C, and still more preferably 600 ° C. By setting the reaction temperature to 400 ° C. or higher, a carbon alloy having sufficiently high carbon performance due to sufficiently advanced carbonization can be obtained. Moreover, if reaction temperature is 1000 degrees C or less, nitrogen will remain in carbon skeleton and it can be set as desired N / C atomic ratio, and sufficient oxygen reduction reaction activity will be obtained.
When the production method of the present invention includes a re-baking step described later, the firing temperature of the carbonization treatment is 400 to 900 ° C. from the viewpoint of performing the re-baking step at a temperature higher than the temperature at which the carbonization treatment is started. Is preferable, it is more preferable that it is 500-850 degreeC, and it is still more preferable that it is the range of 600-800 degreeC.

炭素化処理においては、被処理物を400℃〜1000℃で、0.1時間〜100時間保持し、より好ましくは1時間〜10時間保持する。10時間を超えて炭化処理しても処理時間に相応する効果は得られない場合がある。   In the carbonization treatment, the workpiece is held at 400 ° C. to 1000 ° C. for 0.1 hour to 100 hours, more preferably 1 hour to 10 hours. Even if the carbonization treatment is performed for more than 10 hours, the effect corresponding to the treatment time may not be obtained.

炭素化処理は、不活性雰囲気下で行うことが好ましく、不活性ガスまたは非酸化性ガス流通下で行うことが好ましい。ガスの流速は、内径36mmφ当たり0.01〜2.0リットル/分であることが好ましく、内径36mmφ当たり0.05〜1.0リットル/分であることがより好ましく、内径36mmφ当たり0.1〜0.5リットル/分のガスを流通させることが特に好ましい。毎分0.01リットル以下で焼成した場合、焼成時に副生したアモルファス状炭素を留去することができず、生成する含窒素カーボンアロイの処理温度低下を引き起こす、また、毎分2.0リットル以上で焼成した場合、炭化する前に基質が気化してしまい含窒素カーボンアロイが生成しないため好ましくない。流速がこの範囲であると、好適に目的とする含窒素カーボンアロイを得ることができるので好ましい。   The carbonization treatment is preferably performed under an inert atmosphere, and is preferably performed under a flow of an inert gas or a non-oxidizing gas. The gas flow rate is preferably 0.01 to 2.0 liters / min per 36 mmφ inner diameter, more preferably 0.05 to 1.0 liters / min per 36 mmφ inner diameter, and 0.1 per liter 36 mmφ inner diameter. It is particularly preferred to flow a gas of ~ 0.5 liter / min. When firing at 0.01 liters or less per minute, the amorphous carbon produced as a by-product during firing cannot be distilled off, causing a decrease in the processing temperature of the nitrogen-containing carbon alloy to be produced, and 2.0 liters per minute The above baking is not preferable because the substrate is vaporized before carbonization and a nitrogen-containing carbon alloy is not generated. It is preferable for the flow rate to be within this range because the desired nitrogen-containing carbon alloy can be suitably obtained.

第一段階で高温度での炭化処理を行うと、カーボンアロイの収率が低減するが、得られるカーボンアロイの結晶子サイズがそろい、そのため金属が均一に分布し、活性が高い状態を保持する。結果として、優れた酸素還元性能を有するカーボンアロイの製造が可能になった。   When carbonizing at a high temperature in the first stage, the yield of carbon alloy is reduced, but the crystallite size of the obtained carbon alloy is uniform, so that the metal is uniformly distributed and maintains a high activity state. . As a result, it became possible to produce a carbon alloy having excellent oxygen reduction performance.

またこの昇温処理を二段階に分けて昇温しても良い。より具体的には、比較的低温での第一段階の処理を行うことで、熱に不安定な不純物成分、溶媒等を除去することができる。
続いて、第二段階の処理を行うことで、有機材料の分解反応と炭素化反応を連続して行うことができるばかりでなく、分解生成物と金属とが相互作用して、金属を、より活性が高い状態で安定化することができる。例えば鉄イオンを、2価の状態で含むものとすることができる。その結果、高い酸素還元性能を有するカーボンアロイを製造することができる。
Further, the temperature increase process may be performed in two stages. More specifically, by performing the first stage treatment at a relatively low temperature, it is possible to remove thermally unstable impurity components, solvents, and the like.
Subsequently, by performing the second stage treatment, not only the decomposition reaction and carbonization reaction of the organic material can be performed continuously, but also the decomposition product and the metal interact, It can be stabilized with high activity. For example, iron ions can be included in a divalent state. As a result, a carbon alloy having high oxygen reduction performance can be produced.

更に、第二段階の処理を行うことで、続く炭素化処理における処理温度を上げることができ、炭素構造の規則性がより高められたカーボンアロイを得ることが可能になる。その結果、カーボンアロイの導電性が向上し、高い酸素還元性能が得られ、また、触媒としての耐久性も向上する。   Furthermore, by performing the second stage treatment, the treatment temperature in the subsequent carbonization treatment can be increased, and it becomes possible to obtain a carbon alloy in which the regularity of the carbon structure is further improved. As a result, the conductivity of the carbon alloy is improved, high oxygen reduction performance is obtained, and durability as a catalyst is also improved.

第一段階の温度まで昇温するのは、熱に安定な構造だけを保持し、第二段階の処理に向けて余熱操作を行うためである。第二段階で、炭素化温度まで昇温するのは、適切なカーボンアロイを得るためである。一方、炭素化温度を超えると炭化が過剰に進み、適切なカーボンアロイが得られない場合があることに加え、収率が低下するおそれがある。   The reason for raising the temperature to the temperature of the first stage is to keep only the heat-stable structure and perform the preheating operation for the second stage processing. The reason for raising the temperature to the carbonization temperature in the second stage is to obtain an appropriate carbon alloy. On the other hand, when the carbonization temperature is exceeded, carbonization proceeds excessively, and an appropriate carbon alloy may not be obtained, and the yield may decrease.

第一段階の昇温処理は、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。不活性雰囲気とは、窒素ガスや希ガス雰囲気下などのガス雰囲気をいう。なお、酸素が含まれていたとしても、被処理物を燃焼させない程度まで酸素量を制限した雰囲気であればよい。当該雰囲気は、閉鎖系又は新たなガスを流通させる流通系の何れであってもよく、好ましくは流通系とする。流通系とする場合には、ガスの流速は、内径36mmφ当たり0.01〜2.0リットル/分のガスを流通させることが好ましく、ガスの流速は、内径36mmφ当たり0.05〜1.0リットル/分のガスを流通させることがより好ましく、ガスの流速は、内径36mmφ当たり0.1〜0.5リットル/分のガスを流通させることが特に好ましい。   It is preferable to perform the temperature rising process in the first stage in an inert atmosphere. The inert atmosphere refers to a gas atmosphere such as a nitrogen gas or a rare gas atmosphere. Note that even if oxygen is contained, the atmosphere may be any atmosphere in which the amount of oxygen is limited to such an extent that the workpiece is not combusted. The atmosphere may be either a closed system or a distribution system for circulating a new gas, and is preferably a distribution system. In the case of a circulation system, the gas flow rate is preferably 0.01 to 2.0 liters / minute per 36 mmφ inner diameter, and the gas flow rate is 0.05 to 1.0 per 36 mmφ inner diameter. It is more preferable to circulate a gas of 1 liter / min, and it is particularly preferable that the gas flow rate is 0.1 to 0.5 liter / min of gas per an inner diameter of 36 mmφ.

第一段階の昇温処理では、含窒素有機化合物と無機金属塩等とを含む有機材料を100℃〜500℃まで昇温することが好ましく、150℃〜400℃まで昇温することが更に好ましい。こうすることにより、均一な予備炭化物が得られる。   In the first stage temperature increase treatment, the organic material containing the nitrogen-containing organic compound and the inorganic metal salt is preferably heated to 100 ° C. to 500 ° C., more preferably 150 ° C. to 400 ° C. . By doing so, a uniform preliminary carbide is obtained.

第一段階の昇温処理は、含窒素有機化合物と無機金属塩等とを含む有機材料を炭化装置等に挿入した後に常温から所定温度まで昇温してもよいし、或いは、所定温度の炭化装置等へ有機材料を挿入してもよい。好適には、常温から所定温度まで昇温するのがよい。常温から所定温度まで昇温する場合には、昇温速度を一定にすることが好ましい。より具体的には、昇温速度は毎分1℃以上1000℃以下で昇温することが好ましく、毎分1℃以上500℃以下で昇温することがより好ましい。   In the first stage temperature increase treatment, an organic material containing a nitrogen-containing organic compound and an inorganic metal salt may be inserted into a carbonization apparatus and then heated from room temperature to a predetermined temperature, or carbonization at a predetermined temperature may be performed. An organic material may be inserted into the device or the like. Preferably, the temperature is raised from room temperature to a predetermined temperature. In the case where the temperature is raised from room temperature to a predetermined temperature, it is preferable to keep the temperature raising rate constant. More specifically, the temperature rising rate is preferably 1 to 1000 ° C./min, more preferably 1 to 500 ° C./min.

第二段階の昇温処理は、第一段階の昇温処理の終了後にそのまま温度を上げて第二段階の昇温処理を行ってもよい。また、一旦室温まで冷却した後に温度を上げ、第二段階の昇温処理を行ってもよい。また、第一段階の昇温処理後に予備炭化物を室温まで冷却した際には、均一に粉砕してもよいし、更に成形してもよいし、酸洗浄をして金属を除去してもよい。均一に粉砕して、酸洗浄を行うことが好ましい。
より具体的には、昇温速度は毎分10℃以上1000℃以下で昇温することが好ましく、毎分10℃以上500℃以下で昇温することがより好ましい。
第二段階の昇温処理は、不活性雰囲気下で行うことが好ましく、流通系とする場合には、ガスの流速は、内径36mmφ当たり0.01〜2.0リットル/分のガスを流通させることが好ましく、ガスの流速は、内径36mmφ当たり0.05〜1.0リットル/分のガスを流通させることがより好ましく、ガスの流速は、内径36mmφ当たり0.1〜0.5リットル/分のガスを流通させることが特に好ましい。
第一段階でのガス流量と異なっていても良い。
In the second-stage temperature increase process, the temperature may be increased as it is after the first-stage temperature increase process, and the second-stage temperature increase process may be performed. Moreover, after cooling to room temperature once, you may raise temperature and perform the temperature rising process of a 2nd step. Further, when the preliminary carbide is cooled to room temperature after the temperature raising process in the first stage, it may be uniformly pulverized, further molded, or acid washed to remove the metal. . It is preferable to pulverize uniformly and perform acid cleaning.
More specifically, the temperature increase rate is preferably 10 ° C. or more and 1000 ° C. or less per minute, and more preferably 10 ° C. or more and 500 ° C. or less per minute.
The second temperature increase treatment is preferably performed in an inert atmosphere, and in the case of a flow system, the gas flow rate is 0.01 to 2.0 liters / minute of gas per 36 mmφ inner diameter. More preferably, the gas flow rate is more preferably 0.05 to 1.0 liter / min for an inner diameter of 36 mmφ, and the gas flow rate is 0.1 to 0.5 liter / min for an inner diameter of 36 mmφ. It is particularly preferable to circulate the gas.
It may be different from the gas flow rate in the first stage.

炭素化処理は、賦活剤の存在下で行うことが好ましい。賦活剤の存在下、高温で炭化処理することにより、カーボンアロイの細孔が発達して表面積が増大し、カーボンアロイの表面における金属の露出度が向上することにより、触媒としての性能が向上する。なお、炭化物の表面積は、N2吸着量により測定することができる。 The carbonization treatment is preferably performed in the presence of an activator. By carbonizing at a high temperature in the presence of an activator, the pores of the carbon alloy develop and the surface area increases, and the degree of exposure of the metal on the surface of the carbon alloy improves, thereby improving the performance as a catalyst. . The surface area of the carbide can be measured by the N 2 adsorption amount.

使用できる賦活剤は、特に制限されないが、例えば、二酸化炭素、水蒸気、空気、酸素、アルカリ金属水酸化物、塩化亜鉛、及びリン酸からなる群より選択される少なくとも1種を用いることができ、更に好ましくは、二酸化炭素、水蒸気、空気、酸素からなる群より選択される少なくとも1種を用いることができる。二酸化炭素や水蒸気などの気体賦活剤は、第二炭化処理の雰囲気中に2〜80モル%、好ましくは10〜60モル%含有させればよい。2モル%以上であれば十分な賦活効果が得られる一方で、80モル%を超える場合には賦活効果が顕著になり炭化物の収率が著しく低減し、効率よく炭化物を製造することができなくなるおそれがある。また、アルカリ金属水酸化物等の固体賦活剤は、固体の状態で被炭化物と混合してもよく、或いは、水等の溶媒で溶解又は希釈した後、被炭化物を含浸するか、或いはスラリー状にして被炭化物に練り込んでもよい。液体賦活剤は、水等で希釈した後、被炭化物を含浸するか或いは被炭化物に練り込めばよい。   The activator that can be used is not particularly limited, and for example, at least one selected from the group consisting of carbon dioxide, water vapor, air, oxygen, alkali metal hydroxide, zinc chloride, and phosphoric acid can be used. More preferably, at least one selected from the group consisting of carbon dioxide, water vapor, air, and oxygen can be used. A gas activator such as carbon dioxide or water vapor may be contained in the atmosphere of the second carbonization treatment in an amount of 2 to 80 mol%, preferably 10 to 60 mol%. If it is 2 mol% or more, a sufficient activation effect can be obtained, while if it exceeds 80 mol%, the activation effect becomes remarkable and the yield of carbide is remarkably reduced, making it impossible to produce carbide efficiently. There is a fear. In addition, the solid activator such as alkali metal hydroxide may be mixed with the carbonized substance in a solid state, or after being dissolved or diluted with a solvent such as water, impregnated with the carbonized substance or in a slurry state. And may be kneaded into the article to be carbonized. The liquid activator may be diluted with water or the like and then impregnated with the carbonized material or kneaded into the carbonized material.

炭素化後に窒素原子を導入することもできる。このとき、窒素原子を導入する方法としては、液相ドープ法、気相ドープ法、又は、気相−液相ドープ法を用いて行うことができる。例えば、カーボンアロイに窒素源であるアンモニア雰囲気下で200℃以上800℃以下、5分以上180分以下保持することにより、熱処理して、炭素触媒の表面に窒素原子を導入することができる。   Nitrogen atoms can also be introduced after carbonization. At this time, as a method for introducing nitrogen atoms, a liquid phase doping method, a gas phase doping method, or a gas phase-liquid phase doping method can be used. For example, by holding the carbon alloy at 200 ° C. or more and 800 ° C. or less for 5 minutes or more and 180 minutes or less in an ammonia atmosphere as a nitrogen source, nitrogen atoms can be introduced on the surface of the carbon catalyst by heat treatment.

<冷却工程・粉砕処理>
また、炭素化処理後に、カーボンアロイを室温まで冷却した後、粉砕処理を行ってもよい。粉砕処理は当業者に公知のいずれの方法でも行うことができ、例えば、ボールミル、機械粉砕器等を用いて粉砕することができる。
<Cooling process and grinding process>
Further, after the carbonization treatment, the carbon alloy may be cooled to room temperature and then pulverized. The pulverization can be performed by any method known to those skilled in the art. For example, the pulverization can be performed using a ball mill, a mechanical pulverizer, or the like.

<酸洗浄工程>
本発明のカーボンアロイ材料の製造方法は、前記焼成工程の後に、焼成された含窒素カーボンアロイを酸で洗浄する工程を含む。
生成したカーボンアロイ触媒の表面上の金属を酸洗浄することにより、ORR活性を飛躍的に向上させることができる。いかなる理論に拘泥するものでもないが、この酸洗浄処理により、最適な多孔性を有する(多孔性含窒素炭素)を得ることができるためと予想される。
酸洗浄処理としては、強酸又は弱酸を含む、任意の水性ブロンステッド(プロトン)酸を酸洗浄工程において用いることができる。更に、無機酸(鉱酸)又は有機酸を用いることができる。好適な酸の例としては、HCI、HBr、HI、H2SO4、H2SO3、HNO3、HClO4、[HSO4-、[HSO3-、[H3O]+、H2[C24]、HCO2H、HCIO3、HBrO3、HBrO4、HIO3、HIO4、FSO3H、CF3SO3H、CF3CO2H、CH3CO2H、B(OH)3、など(これらの任意の組み合わせを含む)が挙げられるが、これらに限定されない。
また、特表2010−524195号公報に記載の方法を本発明でも用いることができる。
<Acid cleaning process>
The method for producing a carbon alloy material of the present invention includes a step of washing the fired nitrogen-containing carbon alloy with an acid after the firing step.
By washing the metal on the surface of the produced carbon alloy catalyst with acid, the ORR activity can be dramatically improved. Without being bound by any theory, it is expected that this acid cleaning treatment can obtain an optimal porosity (porous nitrogen-containing carbon).
As the acid cleaning treatment, any aqueous Bronsted (proton) acid including a strong acid or a weak acid can be used in the acid cleaning step. Furthermore, an inorganic acid (mineral acid) or an organic acid can be used. Examples of suitable acids include HCI, HBr, HI, H 2 SO 4 , H 2 SO 3 , HNO 3 , HClO 4 , [HSO 4 ] , [HSO 3 ] , [H 3 O] + , H 2 [C 2 O 4 ], HCO 2 H, HCIO 3 , HBrO 3 , HBrO 4 , HIO 3 , HIO 4 , FSO 3 H, CF 3 SO 3 H, CF 3 CO 2 H, CH 3 CO 2 H, B (OH) 3 , etc. (including any combination thereof), but are not limited to these.
In addition, the method described in JP-T-2010-524195 can also be used in the present invention.

<再焼成工程>
本発明のカーボンアロイ材料の製造方法は、前記酸洗浄工程の後に、酸洗浄された含窒素カーボンアロイを再焼成する工程を含むことが好ましい。このような再焼成工程により、含窒素カーボンアロイを電極に塗布したときの塗布量の増加に伴って電流密度を向上させることができ、ORR活性を向上させることができる。なお、酸処理工程を経ていない従来のカーボンアロイ(例えば、特開2011−225431号公報に記載のカーボンアロイの700℃焼成品)は、塗布量を増やしても、あまり電流密度に向上が見られない。
再焼成工程をはじめの炭素化処理を行う温度よりも高温で行う観点から、再焼成工程の焼成温度の上限は、1000℃以下であり、焼成温度の下限は500℃以上であることが好ましく、600℃以上であることがより好ましく、700℃以上であることが更に好ましい。
<Refiring process>
The method for producing a carbon alloy material of the present invention preferably includes a step of re-baking the acid-cleaned nitrogen-containing carbon alloy after the acid cleaning step. By such a refiring step, the current density can be improved with the increase in the coating amount when the nitrogen-containing carbon alloy is applied to the electrode, and the ORR activity can be improved. In addition, even if the conventional carbon alloy which has not passed through the acid treatment process (for example, the 700 degreeC baking product of the carbon alloy described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-225431) increases application amount, current density is improved so much. Absent.
From the viewpoint of performing the re-baking step at a temperature higher than the temperature at which the carbonization treatment is first performed, the upper limit of the firing temperature in the re-baking step is preferably 1000 ° C. or less, and the lower limit of the firing temperature is preferably 500 ° C. or more. The temperature is more preferably 600 ° C. or higher, and further preferably 700 ° C. or higher.

[カーボンアロイ材料]
本発明のカーボンアロイ材料は、本発明のカーボンアロイ材料の製造方法で製造される。
[Carbon alloy materials]
The carbon alloy material of the present invention is produced by the method for producing a carbon alloy material of the present invention.

上記前駆体の焼成により得られた本発明のカーボンアロイ材料は、窒素が導入されている含窒素カーボンアロイであることが好ましい。本発明のカーボンアロイには、炭素がsp2混成軌道により化学結合し、二次元に広がった六角網面構造を持つ炭素原子の集合体であるグラフェンが存在することが好ましい。 The carbon alloy material of the present invention obtained by firing the precursor is preferably a nitrogen-containing carbon alloy into which nitrogen has been introduced. The carbon alloy of the present invention preferably contains graphene, which is an aggregate of carbon atoms having a hexagonal network structure in which carbon is chemically bonded by sp 2 hybrid orbitals and spreads in two dimensions.

更に、本発明のカーボンアロイにおいて、炭素触媒中の表面窒素原子の含有量は表面の炭素に対して原子比(N/C)で0.05以上0.3以下であることがより好ましい。窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)が0.05未満の場合には、金属と結合する有効な窒素原子の数が減少し、十分な酸素還元触媒特性が得られなくなる。また、窒素原子と炭素原子との原子比(N/C)が0.4を超える場合には、カーボンアロイの炭素骨格の強度が低下し、また電気伝導性が低下する。   Furthermore, in the carbon alloy of the present invention, the content of surface nitrogen atoms in the carbon catalyst is more preferably 0.05 or more and 0.3 or less in terms of atomic ratio (N / C) to the surface carbon. When the atomic ratio (N / C) of nitrogen atoms to carbon atoms is less than 0.05, the number of effective nitrogen atoms bonded to the metal decreases, and sufficient oxygen reduction catalyst characteristics cannot be obtained. Moreover, when the atomic ratio (N / C) of a nitrogen atom and a carbon atom exceeds 0.4, the strength of the carbon skeleton of the carbon alloy is lowered, and the electrical conductivity is lowered.

また、カーボンアロイの骨格は、少なくとも炭素原子及び窒素原子により形成されていればよく、その他の原子として水素原子や酸素原子等を含んでいてもよい。その場合、その他の原子と炭素原子及び窒素原子との原子比((その他の原子)/(C+N))は0.3以下であることが好ましい。   Further, the skeleton of the carbon alloy only needs to be formed of at least carbon atoms and nitrogen atoms, and may contain hydrogen atoms, oxygen atoms, and the like as other atoms. In that case, the atomic ratio ((other atoms) / (C + N)) of other atoms to carbon atoms and nitrogen atoms is preferably 0.3 or less.

比表面積分析は、カーボンアロイを所定の容器に入れて液体窒素温度(−196℃)に冷却し、容器内に窒素ガスを導入して吸着させ、その吸着等温線から単分子吸着量と吸着パラメーターを算出し、窒素の分子占有断面積(0.162cm2)から試料の比表面積を算出して求めるBET(Brunauer−Emmett−Teller)法により求めることができる。 In specific surface area analysis, carbon alloy is put in a predetermined container, cooled to liquid nitrogen temperature (-196 ° C), nitrogen gas is introduced into the container and adsorbed, and the adsorption amount of single molecules and adsorption parameters are determined from the adsorption isotherm. And the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method for calculating and calculating the specific surface area of the sample from the molecular occupation cross section (0.162 cm 2 ) of nitrogen.

カーボンアロイの細孔形状は特に制限されず、例えば、表面のみに細孔が形成されていても、表面のみならず内部にも細孔が形成されていてもよい。内部にも細孔が形成されている場合には、例えば、トンネル状に貫通したものであってもよく、また、球状又は六角柱状等の多角形状の空洞が互いに連結したような形状を有していてもよい。   The pore shape of the carbon alloy is not particularly limited, and for example, pores may be formed only on the surface, or pores may be formed not only on the surface but also inside. When pores are also formed inside, for example, it may be tunnel-shaped, and it has a shape in which polygonal cavities such as spherical or hexagonal columns are connected to each other. It may be.

カーボンアロイの比表面積は、90m2/g以上であることが好ましく、350m2/g以上であることがより好ましく、670m2/g以上であることが特に好ましい。ただし、触媒活性部位(少なくともCとNと金属イオンを構成要件とする金属配位物、あるいは配置空間(場))が高密度に生成・形成した場合は上記範囲外でもよい。
細孔奥まで酸素が十分に行き届き、十分な酸素還元触媒特性が得られる観点からは、カーボンアロイの比表面積は、3000m2/g以下であることが好ましく、2000m2/g以下であることがより好ましく、1300m2/g以下であることが特に好ましい。
The specific surface area of the carbon alloy is preferably at 90m 2 / g or more, more preferably 350 meters 2 / g or more, and particularly preferably 670m 2 / g or more. However, when the catalytically active site (metal coordination product or configuration space (field) having at least C, N, and metal ions as constituents) is generated and formed at a high density, it may be outside the above range.
From the viewpoint of sufficient oxygen reaching the depth of the pores and obtaining sufficient oxygen reduction catalyst characteristics, the specific surface area of the carbon alloy is preferably 3000 m 2 / g or less, and preferably 2000 m 2 / g or less. More preferred is 1300 m 2 / g or less.

本発明のカーボンアロイの形状は、酸化還元反応活性を有する限り特に限定はされない。
本発明のカーボンアロイの形状について詳しく述べると、マクロな観点(外形)として、例えば、シート状、鱗片状、繊維状、ブロック状、柱状、粒子状、球状以外の多くの楕円、扁平、湾曲型、角型など、大きく歪んだ構造等が挙げられる。分散がし易いという観点から好ましくはブロック状、粒子状である。
さらに、ミクロな観点(局所構造)として、内孔、外孔、連通孔(モノリス状)、高表面粗度、表面微細構造等を有していてもよい。
たとえば、粒子に連通孔を有していると、連通孔のない粒子よりも高比表面積となるため、触媒活性サイト数が飛躍的に増加し、酸素還元反応活性が極めて高くなるため好ましい。
The shape of the carbon alloy of the present invention is not particularly limited as long as it has redox reaction activity.
When the shape of the carbon alloy of the present invention is described in detail, as a macro viewpoint (outer shape), for example, a sheet shape, a scale shape, a fiber shape, a block shape, a column shape, a particle shape, many ellipses other than a spherical shape, a flat shape, a curved shape And a large distorted structure such as a square shape. From the viewpoint of easy dispersion, it is preferably a block or particle.
Furthermore, as a microscopic viewpoint (local structure), it may have an inner hole, an outer hole, a communication hole (monolith shape), a high surface roughness, a surface microstructure, and the like.
For example, it is preferable that the particles have communication holes because the specific surface area is higher than that of the particles without communication holes, so that the number of catalytically active sites increases dramatically and the oxygen reduction reaction activity becomes extremely high.

更に、本発明のカーボンアロイを溶媒に分散させることにより、カーボンアロイを含有するスラリーを作製することができる。これにより、例えば、燃料電池の電極触媒や、蓄電装置の電極材の作製を容易する際に、カーボンアロイが溶媒に分散されたスラリーを支持材料に塗布して焼成、乾燥させて、任意の形状に加工した炭素触媒を形成することができる。このようにカーボンアロイをスラリーとすることにより、炭素触媒の加工性が向上し、容易に電極触媒や電極材として用いることができる。
本発明の燃料電池用カーボンアロイ触媒は、前記カーボンアロイ材料の乾燥後の塗布量が0.01mg/cm2以上であることが好ましく、0.02〜100mg/cm2であることがより好ましく、0.05〜10mg/cm2であることが特に好ましい。
溶媒としては、燃料電池の電極触媒や、蓄電装置の電極材を作製する際に用いられる溶媒を適宜選択して使用することができる。例えば蓄電装置の電極材を作製する際に用いられる溶媒としては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)等一般的な極性溶媒を単独又は複数混合して使用することができる。また、燃料電池の電極触媒を作製する際に用いられる溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、アセトン等を挙げることができる。
Furthermore, the slurry containing a carbon alloy can be produced by dispersing the carbon alloy of the present invention in a solvent. Thus, for example, when preparing an electrode catalyst for a fuel cell or an electrode material for a power storage device, a slurry in which a carbon alloy is dispersed in a solvent is applied to a support material, baked, and dried, so that an arbitrary shape is obtained. It is possible to form a carbon catalyst that has been processed into Thus, by making a carbon alloy into a slurry, the workability of the carbon catalyst is improved and it can be easily used as an electrode catalyst or an electrode material.
Fuel cell carbon alloy catalyst of the present invention preferably has a coating amount after drying of the carbon alloy material is 0.01 mg / cm 2 or more, more preferably 0.02~100mg / cm 2, Particularly preferred is 0.05 to 10 mg / cm 2 .
As the solvent, a solvent used when producing an electrode catalyst for a fuel cell or an electrode material for a power storage device can be appropriately selected and used. For example, as a solvent used when producing an electrode material for a power storage device, diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), 1,2-dimethoxyethane (DME), ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC) ), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (GBL), etc., can be used alone or in combination. In addition, examples of the solvent used in preparing the fuel cell electrode catalyst include water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, butanol, toluene, xylene, methyl ethyl ketone, and acetone.

<カーボンアロイ材料の用途>
本発明のカーボンアロイ材料の用途は、構造材料、電極材料、ろ過材料、触媒材料など特に限定されないが、キャパシタやリチウム2次電池などの蓄電装置の電極材料として用いることが好ましく、高い酸素還元反応活性を有することを特徴とする燃料電池や亜鉛空気電池、リチウム空気電池などの炭素触媒として用いることがより好ましい。また、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に接して設けられた触媒層とを備えた電極膜接合体において、上記触媒を該触媒層に含むことができる。更に、上記電極膜接合体は、燃料電池に備えることができる。
<Uses of carbon alloy materials>
The use of the carbon alloy material of the present invention is not particularly limited, such as a structural material, an electrode material, a filtration material, and a catalyst material, but it is preferably used as an electrode material of a power storage device such as a capacitor or a lithium secondary battery, and has a high oxygen reduction reaction. More preferably, it is used as a carbon catalyst for a fuel cell, a zinc-air cell, a lithium-air cell, etc. characterized by having activity. Further, in the electrode membrane assembly including the solid polymer electrolyte membrane and the catalyst layer provided in contact with the solid polymer electrolyte membrane, the catalyst can be included in the catalyst layer. Furthermore, the electrode membrane assembly can be provided in a fuel cell.

(燃料電池)
図1に本発明のカーボンアロイから成る炭素触媒を用いた燃料電池10の概略構成図を示す。炭素触媒はアノード電極及びカソード電極に適用されている。
燃料電池10は、固体高分子電解質14を挟むように、対向配置されたセパレータ12、アノード電極触媒(燃料極)13、カソード電極触媒(酸化剤極)15及びセパレータ16とから構成される。固体高分子電解質14としては、パーフルオロスルホン酸樹脂膜を代表とするフッ素系陽イオン交換樹脂膜が用いられる。また、炭素触媒をアノード電極触媒13及びカソード電極触媒15として、固体高分子電解質14の双方に接触させることにより、アノード電極触媒13及びカソード電極触媒15に炭素触媒を備えた燃料電池10が構成される。上述の炭素触媒を固体高分子電解質の双方の面に形成し、アノード電極触媒13及びカソード電極触媒15を電極反応層側で固体高分子電解質14の両主面にホットプレスにより密着することにより、MEA(Membrane Electrode Assembly)として一体化させる。
(Fuel cell)
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a fuel cell 10 using a carbon catalyst comprising a carbon alloy of the present invention. The carbon catalyst is applied to the anode electrode and the cathode electrode.
The fuel cell 10 includes a separator 12, an anode electrode catalyst (fuel electrode) 13, a cathode electrode catalyst (oxidant electrode) 15, and a separator 16 that are disposed so as to sandwich the solid polymer electrolyte 14. As the solid polymer electrolyte 14, a fluorine-based cation exchange resin membrane represented by a perfluorosulfonic acid resin membrane is used. Moreover, the fuel cell 10 provided with the carbon catalyst in the anode electrode catalyst 13 and the cathode electrode catalyst 15 is configured by bringing the carbon catalyst into contact with both of the solid polymer electrolyte 14 as the anode electrode catalyst 13 and the cathode electrode catalyst 15. The By forming the carbon catalyst described above on both sides of the solid polymer electrolyte, and adhering the anode electrode catalyst 13 and the cathode electrode catalyst 15 to both main surfaces of the solid polymer electrolyte 14 on the electrode reaction layer side by hot pressing, It integrates as MEA (Membrane Electrode Assembly).

従来の燃料電池では、集電体としての機能も有する多孔質のシート(例えば、カーボンペーパー)からなるガス拡散層を、セパレータとアノード及カソード電極触媒との間に介在させていた。これに対して図1の燃料電池10では、比表面積が大きく、更に、気体の拡散性が高い炭素触媒がアノード及びカソード電極触媒として用いることができる。上述の炭素触媒を電極として使用することにより、ガス拡散層が無い場合にも炭素触媒にガス拡散層の作用を持たせ、アノード及びカソード電極触媒13,15とガス拡散層とを一体化した燃料電池を構成することができるため、ガス拡散層を省略することによる燃料電池の小型化や、コストの削減が可能となる。   In a conventional fuel cell, a gas diffusion layer made of a porous sheet (for example, carbon paper) that also functions as a current collector is interposed between the separator and the anode and cathode electrode catalyst. On the other hand, in the fuel cell 10 of FIG. 1, a carbon catalyst having a large specific surface area and high gas diffusibility can be used as the anode and cathode electrode catalyst. By using the above-mentioned carbon catalyst as an electrode, even when there is no gas diffusion layer, the carbon catalyst has a gas diffusion layer function, and the anode and cathode electrode catalysts 13, 15 and the gas diffusion layer are integrated. Since the battery can be configured, the fuel cell can be reduced in size and the cost can be reduced by omitting the gas diffusion layer.

上記セパレータ12,16は、アノード及びカソード電極触媒層13,15を支持すると共に燃料ガスH2や酸化剤ガスO2等の反応ガスの供給・排出を行う。そして、アノード及びカソード電極触媒13,15にそれぞれ反応ガスが供給されると、両電極に備えられた炭素触媒と固体高分子電解質14との境界において、気相(反応ガス)、液相(固体高分子電解質膜)、固相(両電極が持つ触媒)の三相界面が形成される。そして、電気化学反応を生じさせることで直流電力が発生する。
上記電気化学反応において、
カソード側:O2+4H++4e-→2H2
アノード側:H2→2H++2e-
の反応が起こり、アノード側で生成されたH+イオンは固体高分子電解質14中をカソード側に向かって移動し、e-(電子)は外部の負荷を通ってカソード側に移動する。一方、カソード側では酸化剤ガス中に含まれる酸素と、アノード側から移動してきたH+イオン及びe-とが反応して水が生成される。この結果、上述の燃料電池は、水素と酸素とから直流電力を発生し、水を生成することになる。
The separators 12 and 16 support the anode and cathode electrode catalyst layers 13 and 15 and supply and discharge reaction gases such as fuel gas H 2 and oxidant gas O 2 . When a reaction gas is supplied to each of the anode and cathode electrode catalysts 13 and 15, a gas phase (reaction gas) and a liquid phase (solid) are formed at the boundary between the carbon catalyst provided on both electrodes and the solid polymer electrolyte 14. A three-phase interface of a polymer electrolyte membrane) and a solid phase (a catalyst possessed by both electrodes) is formed. And direct-current power generate | occur | produces by producing an electrochemical reaction.
In the above electrochemical reaction,
Cathode side: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
Anode side: H 2 → 2H + + 2e
The H + ions generated on the anode side move toward the cathode side in the solid polymer electrolyte 14, and e (electrons) move to the cathode side through an external load. On the other hand, on the cathode side, oxygen contained in the oxidant gas reacts with H + ions and e that have moved from the anode side to generate water. As a result, the above-described fuel cell generates direct-current power from hydrogen and oxygen to generate water.

(蓄電装置)
次に、本発明のカーボンアロイから成る炭素触媒を電極材に適用した蓄電装置について説明する。図2に該炭素触媒を用いた、蓄電容量に優れた電気二重層キャパシタ20の概略構成図を示す。
図2に示した電気二重層キャパシタ20は、セパレータ23を介して、分極性電極である第1の電極21及び第2の電極22が対向し、外装蓋24aと外装ケース24bの中に収容されている。また、第1の電極21及び第2の電極22は、それぞれ集電体25を介して、外装蓋24aと外装ケース24bに接続されている。また、セパレータ23には、電解液が含浸されている。そして、ガスケット26を介して電気的に絶縁させた状態で、外装蓋24aと外装ケース24bとをかしめて密封させて電気二重層キャパシタ20が構成されている。
(Power storage device)
Next, a power storage device in which a carbon catalyst made of the carbon alloy of the present invention is applied to an electrode material will be described. FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of an electric double layer capacitor 20 using the carbon catalyst and having an excellent storage capacity.
In the electric double layer capacitor 20 shown in FIG. 2, the first electrode 21 and the second electrode 22 which are polarizable electrodes are opposed to each other through the separator 23, and are accommodated in the outer lid 24a and the outer case 24b. ing. The first electrode 21 and the second electrode 22 are connected to the exterior lid 24a and the exterior case 24b via current collectors 25, respectively. The separator 23 is impregnated with an electrolytic solution. The electric double layer capacitor 20 is configured by caulking and sealing the outer lid 24a and the outer case 24b while being electrically insulated via the gasket 26.

図2の電気二重層キャパシタ20において、上述の炭素触媒を第1の電極21及び第2の電極22に適用することができる。そして、電極材に炭素触媒が適用された電気二重層キャパシタを構成することができる。上述の炭素触媒は、ナノシェル炭素が集合した繊維状の構造を有し、更に、繊維径がナノメートル単位であるため比表面積が大きく、キャパシタにおいて電荷が蓄積する電極界面が大きい。更に、上述の炭素触媒は、電解液に対して電気化学的に不活性であり、適度な電気導電性を有する。このため、キャパシタの電極として適用することにより、電極の単位体積あたりの静電容量を向上させることができる。   In the electric double layer capacitor 20 of FIG. 2, the above-described carbon catalyst can be applied to the first electrode 21 and the second electrode 22. And the electric double layer capacitor by which the carbon catalyst was applied to the electrode material can be comprised. The above-described carbon catalyst has a fibrous structure in which nanoshell carbon is aggregated, and furthermore, since the fiber diameter is in a nanometer unit, the specific surface area is large, and the electrode interface where charges are accumulated in the capacitor is large. Furthermore, the above-described carbon catalyst is electrochemically inactive with respect to the electrolytic solution, and has appropriate electrical conductivity. For this reason, the electrostatic capacitance per unit volume of an electrode can be improved by applying as an electrode of a capacitor.

また、上述のキャパシタと同様に、例えば、リチウムイオン二次電池の負極材等のように、炭素材料から構成される電極材として上述の炭素触媒を適用することができる。そして、炭素触媒の比表面積が大きいことにより、蓄電容量の大きな二次電池を構成することができる。   Similarly to the above-described capacitor, for example, the above-described carbon catalyst can be applied as an electrode material composed of a carbon material, such as a negative electrode material of a lithium ion secondary battery. And since the specific surface area of a carbon catalyst is large, a secondary battery with a large electrical storage capacity can be comprised.

(環境触媒)
次に、本発明のカーボンアロイを、白金等の貴金属を含む環境触媒の代替品として使用する例について説明する。
汚染空気に含まれる汚染物質を(主にガス状物質)等を分解処理により除去するための排ガス浄化用触媒として、白金等の貴金属系の材料が単独又は複合化物されて構成された触媒材料による環境触媒が用いられている。これらの白金等の貴金属を含む排ガス浄化用触媒の代替品として、上述の炭素触媒を使用することができる。上述の炭素触媒は、酸素還元反応触媒作用が付与されているため、汚染物質等の被処理物質の分解機能を有する。このため、上述の炭素触媒を用いて環境触媒を構成することにより、白金等の高価な貴金属類を使用する必要がないため、低コストの環境触媒を提供することができる。また、比表面積が大きいことにより、単位体積あたりの被処理物質を分解する処理面積を大きくすることができ、単位体積あたりの分解機能が優れた環境触媒を構成できる。
なお、上述の炭素触媒を担体として、従来の環境触媒に使用されている白金等の貴金属系の材料が単独又は複合化物を担持させることにより、より分解機能等の触媒作用に優れた環境触媒を構成することができる。なお、上述の炭素触媒を備える環境触媒は、上述の排ガス浄化用触媒だけでなく、水処理用の浄化触媒として用いることもできる。
(Environmental catalyst)
Next, an example in which the carbon alloy of the present invention is used as an alternative to an environmental catalyst containing a noble metal such as platinum will be described.
As a catalyst for exhaust gas purification for removing pollutants contained in polluted air (mainly gaseous substances) etc. by decomposition treatment, a catalyst material composed of noble metal materials such as platinum alone or in combination Environmental catalysts are used. The above-mentioned carbon catalyst can be used as an alternative to these exhaust gas purifying catalysts containing noble metals such as platinum. Since the above-described carbon catalyst is provided with an oxygen reduction reaction catalytic action, it has a function of decomposing substances to be treated such as pollutants. For this reason, since it is not necessary to use expensive noble metals, such as platinum, by comprising an environmental catalyst using the above-mentioned carbon catalyst, a low-cost environmental catalyst can be provided. Further, since the specific surface area is large, the treatment area for decomposing the material to be treated per unit volume can be increased, and an environmental catalyst having an excellent decomposition function per unit volume can be constituted.
By using the above-mentioned carbon catalyst as a carrier, a noble metal-based material such as platinum used in conventional environmental catalysts is carried alone or in a composite, so that an environmental catalyst with more excellent catalytic action such as a decomposition function can be obtained. Can be configured. In addition, the environmental catalyst provided with the above-mentioned carbon catalyst can also be used as a purification catalyst for water treatment as well as the above-described exhaust gas purification catalyst.

また、本発明のカーボンアロイは、広く化学反応用の触媒として使用することができ、中でも白金触媒の代替品として使用することができる。つまり、白金等の貴金属を含む化学工業用の一般的なプロセス触媒の代替品として、上述の炭素触媒を使用することができる。このため、上述の炭素触媒によれば、白金等の高価な貴金属類を使用することなく、低コストの化学反応プロセス触媒を提供することができる。更に、上述の炭素触媒は、比表面積が大きいことにより、単位体積あたりの化学反応効率に優れた化学反応プロセス触媒を構成することができる。
このような化学反応用の炭素触媒は、例えば、水素化反応用触媒、脱水素反応用触媒、酸化反応用触媒、重合反応用触媒、改質反応用触媒、水蒸気改質用触媒等に適用することができる。更に具体的には、「触媒調製(講談社)白崎高保、藤堂尚之共著、1975年」等の触媒に関する文献を参照し、各々の化学反応に炭素触媒を適用することが可能である。
Moreover, the carbon alloy of the present invention can be widely used as a catalyst for chemical reaction, and can be used as an alternative to a platinum catalyst. That is, the above-mentioned carbon catalyst can be used as a substitute for a general process catalyst for the chemical industry containing a noble metal such as platinum. For this reason, according to the above-mentioned carbon catalyst, a low-cost chemical reaction process catalyst can be provided without using expensive noble metals such as platinum. Furthermore, since the above-mentioned carbon catalyst has a large specific surface area, it can constitute a chemical reaction process catalyst excellent in chemical reaction efficiency per unit volume.
Such a carbon catalyst for chemical reaction is applied to, for example, a hydrogenation reaction catalyst, a dehydrogenation reaction catalyst, an oxidation reaction catalyst, a polymerization reaction catalyst, a reforming reaction catalyst, and a steam reforming catalyst. be able to. More specifically, it is possible to apply a carbon catalyst to each chemical reaction by referring to a catalyst related document such as “Catalyst Preparation (Kodansha) by Takaho Shirasaki and Naoyuki Todo, 1975”.

以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す実施例に限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は質量基準である。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the examples shown below. Unless otherwise specified, “part” is based on mass.

(実施例1)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(1C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))6.99gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(1A)を得た。
Example 1
<Synthesis of carbon material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 (1C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd.) [Emim] [FeCl 4 ]) 0.66 g was dissolved in 350 g of acetone, and Ketjen Plaque (KB600, Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) 6.99 g was added, and the suspension was 30 ° C. For 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum heating drying was performed and pulverized to obtain a precursor (1A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(1A)1.0178gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(1B)0.7952gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0178 g of the precursor (1A) was measured on a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was added at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (1B) 0.7952g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(1B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(1C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (1B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and left as it was overnight to obtain an acid cleaned carbon material (1C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C12155、分子量:229.28
元素分析(計算値):C,62.86;H,6.59;N,30.54
Molecular formula: C 12 H 15 N 5 , molecular weight: 229.28
Elemental analysis (calculated value): C, 62.86; H, 6.59; N, 30.54

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C611Cl4Fe12、分子量:308.82
元素分析(計算値):C,23.34;H,3.59;Fe,18.08;N,9.07
Molecular formula: C 6 H 11 Cl 4 Fe 1 N 2 , molecular weight: 308.82
Elemental analysis (calculated values): C, 23.34; H, 3.59; Fe, 18.08; N, 9.07

(実施例2)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(2C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))4.66gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(2A)を得た。
(Example 2)
<Synthesis of carbon material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 (2C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd.) [Emim] [FeCl 4 ]) 0.66 g was dissolved in 350 g of acetone, and 4.66 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) was added, and the suspension was 30 ° C. For 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Then, vacuum heating drying was performed and pulverized to obtain a precursor (2A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(2A)1.0200gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(2B)0.6597gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0200 g of the precursor (2A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was added at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (2B) 0.6597g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(2B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(2C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (2B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant liquid were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (2C).

(実施例3)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(3C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))3.11gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(3A)を得た。
(Example 3)
<Synthesis of Carbon Material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] Impregnated KB600 (3C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd.) [Emim] [FeCl 4 ]) 0.66 g was dissolved in 350 g of acetone, and Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) 3.11 g was added thereto as a suspension solution at 30 ° C. For 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Then, vacuum heating drying was performed and pulverized to obtain a precursor (3A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(3A)1.0191gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(3B)0.5711gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0191 g of the precursor (3A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (3B) 0.5711g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(3B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(3C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (3B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and left as it was overnight to obtain an acid cleaned carbon material (3C).

(実施例4)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(4C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.00gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(4A)を得た。
Example 4
<Synthesis of Carbon Material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] Impregnated KB600 (4C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd.) [Emim] [FeCl 4 ]) 0.66 g was dissolved in 350 g of acetone, and 2.00 g of Ketjen Plaque (KB600, Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) was added, and the suspension was 30 ° C. For 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (4A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(4A)1.0317gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(4B)0.4721gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0317 g of the precursor (4A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (4B) 0.4721g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(4B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(4C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (4B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (4C).

(実施例5)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(5C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))1.17gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(5A)を得た。
(Example 5)
<Synthesis of Carbon Material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] Impregnated KB600 (5C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd.) [Emim] [FeCl 4 ]) 0.66 g was dissolved in 350 g of acetone, and 1.17 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) was added, and the suspension was 30 ° C. For 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (5A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(5A)1.0243gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(5B)0.4565gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0243 g of the precursor (5A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (5B) 0.4565g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(5B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(5C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (5B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (5C).

(実施例6)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(6C)>
[不融化および炭素化処理]
実施例5に記載の前駆体(5A)1.0497gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から700℃まで毎分5℃で昇温、700℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(6B)0.5145gを得た。
(Example 6)
<Synthesis of carbon material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 (6C)>
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0497 g of the precursor (5A) described in Example 5 was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was removed every minute. 300 mL was distributed for 30 minutes at room temperature.
The temperature was raised from 30 ° C. to 700 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 700 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (6B) 0.5145g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(6B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(6C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (6B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (6C).

(実施例7)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料の再焼成および酸処理(7C)>
(Example 7)
<[Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 carbon material refired and acid treated (7C)>

[炭素化処理]
実施例6に記載の酸洗浄済み炭素材料(6C)1.0263gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から1000℃まで毎分5℃で昇温、1000℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(7B)0.3842gを得た。
[Carbonization treatment]
1.0263 g of the acid-cleaned carbon material (6C) described in Example 6 was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was added. Was circulated at 300 mL / min for 30 minutes at room temperature.
The temperature was raised from 30 ° C. to 1000 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 1000 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (7B) 0.3842g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(7B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(7C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (7B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and left overnight to obtain an acid cleaned carbon material (7C).

(実施例8)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(8C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])1.32gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))3.55gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(8A)を得た。
(Example 8)
<Synthesis of carbon material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 (8C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd.) Manufactured by [Emim] [FeCl 4 ]) in 350 g of acetone, 3.55 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added, and the suspension is 30 ° C. For 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (8A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(8A)1.0220gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(8B)0.6090gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0220 g of the precursor (8A) was measured on a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was added at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (8B) 0.6090g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(8B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(8C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (8B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then left overnight to obtain an acid cleaned carbon material (8C).

(実施例9)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(9C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])1.32gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.28gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(9A)を得た。
Example 9
<Synthesis of Carbon Material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] Impregnated KB600 (9C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd.) Manufactured by [Emim] [FeCl 4 ]) in 350 g of acetone, 2.28 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added, and the suspension is 30 ° C. For 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (9A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(9A)1.0188gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(9B)0.5070gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0188 g of the precursor (9A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (9B) 0.5070g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(9B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(9C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (9B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (9C).

(実施例10)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(10C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])1.32gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))1.33gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(10A)を得た。
(Example 10)
<Synthesis of carbon material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 (10C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd.) [Emim] [FeCl 4 ]) 1.32 g dissolved in acetone 350 g, Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) 1.33 g was added, and the suspension was 30 ° C. For 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (10A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(10A)1.0228gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(10B)0.4257gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0228 g of the precursor (10A) was measured on a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was added at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (10B) 0.4257g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(10B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(10C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (10B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until no coloration occurred. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (10C).

(実施例11)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim]+ 2[CoCl42-含浸KB600の炭素材料合成(11C)>
[1−エチル−3−メチルイミダゾリウムコバルト(II)クロリド([Emim]+ 2[CoCl42-)の調整]
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムコバルト(II)クロリド([Emim]+ 2[CoCl42-)は、P.B.Hitchcockら、J. Chem. Soc., Dalton Trans., 2639(1993)に記載と同じ手法で調整した。
(Example 11)
<[Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] + 2 [CoCl 4 ] 2- Carbon Material Synthesis of Impregnated KB600 (11C)>
[Preparation of 1-ethyl-3-methylimidazolium cobalt (II) chloride ([Emim] + 2 [CoCl 4 ] 2− )]
1-ethyl-3-methylimidazolium cobalt (II) chloride ([Emim] + 2 [CoCl 4 ] 2− ) is B. Hitchcock et al. Chem. Soc. , Dalton Trans. , 2639 (1993).

[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、上述の1−エチル−3−メチルイミダゾリウムコバルト(II)クロリド([Emim]+ 2 [CoCl42-)0.96gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.13gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(11A)を得た。
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium cobalt (II) chloride described above ( [Emim] + 2 [CoCl 4 ] 2− ) 0.96 g is dissolved in 350 g of acetone, and 2.13 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added as a suspension solution. The mixture was stirred at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Then, vacuum heating drying was performed and pulverized to obtain a precursor (11A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(11A)1.0458gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(11A)0.4921gを得た。
[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(11B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(11C)を得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0458 g of the precursor (11A) was measured on a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was added at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (11A) 0.4921g.
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (11B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (11C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C1222Cl4Co14、分子量:423.075
元素分析(計算値):C,34.07;H,5.24;Cl,33.52;Co,13.93;N,13.24
Molecular formula: C 12 H 22 Cl 4 Co 1 N 4 , molecular weight: 423.075
Elemental analysis (calculated values): C, 34.07; H, 5.24; Cl, 33.52; Co, 13.93; N, 13.24

(比較例1)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]の炭素材料合成(C1C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gを混合し前駆体(C1A)を得た。
(Comparative Example 1)
<Carbon Material Synthesis of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] (C1C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd.) Manufactured, [Emim] [FeCl 4 ]) 0.66 g was mixed to obtain a precursor (C1A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(C1A)2.4107gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C1B)0.7968gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
2.4107 g of the precursor (C1A) was measured on a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was added at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (C1B) 0.7968g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(C1B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C1C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (C1B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (C1C).

(比較例2)
<[Bmim][C(CN)3]の炭素材料合成(C2C)>
[不融化および炭素化処理]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])2.0222gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C2B)0.6112gを得た。
(Comparative Example 2)
<Carbon Material Synthesis of [Bmim] [C (CN) 3 ] (C2C)>
[Infusibilization and carbonization treatment]
2.0222 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]) was weighed into a quartz boat and inserted into a tubular furnace at 4.0 cmφ ( It was installed in the center of a quartz tube having an inner diameter of 3.6 cmφ, and nitrogen was circulated at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (C2B) 0.6112g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(C2B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C2C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (C2B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (C2C).

(比較例3)
<[Emim][FeCl4]の炭素材料合成(C3C)>
[不融化および炭素化処理]
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])1.0117gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C3B)0.1715gを得た。
(Comparative Example 3)
<Carbon Material Synthesis of [Emim] [FeCl 4 ] (C3C)>
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0117 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., [Emim] [FeCl 4 ]) was measured into a quartz boat and inserted into a tubular furnace, 4.0 cmφ (inner diameter 3 .6 cmφ) at the center of the quartz tube, and nitrogen was circulated at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (C3B) 0.1715g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(C3B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C3C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (C3B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and then left overnight to obtain an acid cleaned carbon material (C3C).

(比較例4)
<[Bmim][C(CN)3]含浸KB600の炭素材料合成(C4C)>
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))1.33gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(C4A)を得た。
(Comparative Example 4)
<[Bmim] [C (CN) 3 ] Carbon Material Synthesis of Impregnated KB600 (C4C)>
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]) was dissolved in 350 g of acetone, and Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name) 1.33 g was added, and the suspension was stirred as a suspension at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Then, vacuum heating drying was performed and pulverized to obtain a precursor (C4A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(C4A)1.0228gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C4B)0.449gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0228 g of the precursor (C4A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (C4B) 0.449g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(C4B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C4C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (C4B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and then left overnight to obtain an acid cleaned carbon material (C4C).

(比較例5)
<塩化鉄(II)4水和物含浸KB600の炭素材料合成(C5C)>
[前駆体の調整]
塩化鉄(II)4水和物99.9%(和光純薬社製)4.00gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))1.71gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(C5A)を得た。
(Comparative Example 5)
<Synthesis of Carbon Material of Iron (II) Tetrahydrate Impregnated KB600 (C5C)>
[Precursor adjustment]
Iron chloride (II) tetrahydrate 99.9% (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 4.00 g was dissolved in acetone 350 g, and Ketjen Plaque (KB600, Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) 1.71 g. Was added and stirred as a suspension solution at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Then, vacuum heating drying was performed and pulverized to obtain a precursor (C5A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(C5A)1.0578gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C5B)0.3755gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0578 g of the precursor (C5A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (C5B) 0.3755g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(C5B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C5C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (C5B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and then left overnight to obtain an acid cleaned carbon material (C5C).

(実施例12)
<[Bmim][C(CN)3]および[Bmim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(12C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(III)(和光純薬社製、[Bmim][FeCl4])1.31gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.88gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(12A)を得た。
(Example 12)
<Synthesis of carbon material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Bmim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 (12C)>
[Precursor adjustment]
1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., [Bmim] [C (CN) 3 ]) 4.00 g, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (III) ( Wako Pure Chemical Industries, Ltd. [Bmim] [FeCl 4 ]) 1.31 g was dissolved in acetone 350 g, and Ketjen Plaque (KB600, Lion Corporation, Carbon ECP600JD (trade name)) 2.88 g was added and suspended. The solution was stirred at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Then, vacuum heating drying was performed and pulverized to obtain a precursor (12A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(12A)1.0266gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(12B)0.4854gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0266 g of the precursor (12A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (12B) 0.4854g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(12B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(12C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (12B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant liquid were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (12C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C815Cl4Fe1N、分子量:336.87
元素分析(計算値):C,28.52;H,4.49;Cl,42.10;Fe,16.58;N,8.32
Molecular formula: C 8 H 15 Cl 4 Fe 1 N, molecular weight: 336.87
Elemental analysis (calculated values): C, 28.52; H, 4.49; Cl, 42.10; Fe, 16.58; N, 8.32.

(比較例6)
<[Bmim][C(CN)3]および[Bmim][FeCl4]の炭素材料合成(C6C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(III)(和光純薬社製、[Bmim][FeCl4])1.31gを混合し前駆体(C6A)を得た。
(Comparative Example 6)
<Carbon Material Synthesis of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Bmim] [FeCl 4 ] (C6C)>
[Precursor adjustment]
1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., [Bmim] [C (CN) 3 ]) 4.00 g, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (III) ( 1.31 g of [Bmim] [FeCl 4 ] manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was mixed to obtain a precursor (C6A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(C6A)1.2444gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C6B)0.3494gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
Precursor (C6A) (1.2444 g) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (C6B) 0.3494g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(C6B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C6C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (C6B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then left overnight to obtain an acid cleaned carbon material (C6C).

(比較例7)
<[Bmim][FeCl4]の炭素材料合成(C7C)>
[不融化および炭素化処理]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(III)(和光純薬社製、[Bmim][FeCl4])0.9995gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C7B)0.0815gを得た。
(Comparative Example 7)
<Synthesis of [Bmim] [FeCl 4 ] Carbon Material (C7C)>
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.9995 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (III) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., [Bmim] [FeCl 4 ]) was weighed into a quartz boat and inserted into a tubular furnace. It was installed in the center of a quartz tube with 0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ), and nitrogen was circulated at room temperature for 30 minutes at room temperature.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (C7B) 0.0815g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(C7B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C7C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (C7B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and left as it was overnight to obtain an acid cleaned carbon material (C7C).

(実施例13)
<[Bmim][C(CN)3]および[Et4N][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(13C)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、テトラエチルアンモニウム テトラクロロフェラート(III)(Santa Cruz Biotechnology, Inc社製、[Et4N][FeCl4])0.71gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.02gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(13A)を得た。
(Example 13)
<Synthesis of Carbon Material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Et 4 N] [FeCl 4 ] Impregnated KB600 (13C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), tetraethylammonium tetrachloroferrate (III) (manufactured by Santa Cruz Biotechnology, Inc.) , [Et 4 N] [FeCl 4 ]) is dissolved in 350 g of acetone, and 2.02 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added as a suspension solution. The mixture was stirred at 0 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (13A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(13A)1.0289gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(13B)0.5159gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0289 g of the precursor (13A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (13B) 0.5159g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(13B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(13C)を得た。
前駆体(13A)から少なくとも1種類以上の原料を除いた前駆体を用いて、実施例13と同様に不融化および炭素化処理工程、粉砕・酸洗浄処理工程を経て得られた炭素材料(13X)は、本発明の炭素材料(13C)と比較して酸素還元反応(ORR)活性の指標である0.7Vにおける電流密度が100μA/cm2以下であることを確認した。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (13B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (13C).
Using a precursor obtained by removing at least one kind of raw material from the precursor (13A), a carbon material (13X) obtained through an infusibilization and carbonization treatment step, a pulverization / acid washing treatment step in the same manner as in Example 13. ) Confirmed that the current density at 0.7 V, which is an index of the oxygen reduction reaction (ORR) activity, was 100 μA / cm 2 or less as compared with the carbon material (13C) of the present invention.

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C820Cl4Fe1N、分子量:327.91
元素分析(計算値):C,29.30;H,6.15;Cl,43.25;Fe,17.03;N,4.27
Molecular formula: C 8 H 20 Cl 4 Fe 1 N, molecular weight: 327.91
Elemental analysis (calculated values): C, 29.30; H, 6.15; Cl, 43.25; Fe, 17.03; N, 4.27

(実施例14)
<[Emim][N(CN)2]および[Bmim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(14C)>
[前駆体の調整]
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(東京化成社製、[Emim][N(CN)2])4.00g、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Bmim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.00gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(14A)を得た。
(Example 14)
<Synthesis of Carbon Material (14C) of [Emim] [N (CN) 2 ] and [Bmim] [FeCl 4 ] -impregnated KB600>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (manufactured by Tokyo Chemical Industry, [Emim] [N (CN) 2 ]), 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) , [Bmim] [FeCl 4 ]) is dissolved in 350 g of acetone, and 2.00 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added thereto as a suspension solution at 30 ° C. The mixture was stirred for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Then, vacuum heating drying was performed and pulverized to obtain a precursor (14A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(14A)1.0412gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(14B)0.4276gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0412 g of the precursor (14A) was measured on a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was added at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (14B) 0.4276g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(14B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(14C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (14B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (14C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C8115、分子量:177.21
元素分析(計算値):C,54.22;H,6.26;N,39.52
Molecular formula: C 8 H 11 N 5 , molecular weight: 177.21
Elemental analysis (calculated values): C, 54.22; H, 6.26; N, 39.52

(比較例8)
<[Emim][N(CN)2]および[Bmim][FeCl4]の炭素材料合成(C8C)>
[前駆体の調整]
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(東京化成社製、[Emim][N(CN)2])4.00g、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Bmim][FeCl4])0.66gを混合し前駆体(C8A)を得た。
(Comparative Example 8)
<Carbon Material Synthesis of [Emim] [N (CN) 2 ] and [Bmim] [FeCl 4 ] (C8C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (manufactured by Tokyo Chemical Industry, [Emim] [N (CN) 2 ]), 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) , [Bmim] [FeCl 4 ]) were mixed to obtain a precursor (C8A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(C8A)1.0439gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C8B)0.6918gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0439 g of the precursor (C8A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (C8B) 0.6918g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(C8B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C8C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (C8B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and then left overnight to obtain an acid cleaned carbon material (C8C).

(比較例9)
<[Emim][N(CN)2]の炭素材料合成(C9C)>
[不融化および炭素化処理]
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(東京化成社製、[Emim][N(CN)2])1.1798gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C9B)0.0834gを得た。
(Comparative Example 9)
<Carbon Material Synthesis of [Emim] [N (CN) 2 ] (C9C)>
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.1798 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., [Emim] [N (CN) 2 ]) was measured into a quartz boat and inserted into a tubular furnace at 4.0 cmφ (inner diameter It was installed at the center of a quartz tube of 3.6 cmφ, and nitrogen was circulated at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (C9B) 0.0834g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(C9B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(C9C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (C9B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and then left overnight to obtain an acid cleaned carbon material (C9C).

(実施例15)
<[1−Allyl−mim][N(CN)2]および[Bmim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(15C)>
[前駆体の調整]
1−アリル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(アルドリッチ社製、[1−Allyl−mim][N(CN)2])4.00g、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Bmim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.00gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(15A)を得た。
(Example 15)
<Synthesis of Carbon Material of [1-Allyl-mim] [N (CN) 2 ] and [Bmim] [FeCl 4 ] Impregnated KB600 (15C)>
[Precursor adjustment]
1-allyl-3-methylimidazolium dicyanamide (Aldrich, [1-Allyl-mim] [N (CN) 2 ]) 4.00 g, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo) 0.66 g of [Bmim] [FeCl 4 ] manufactured by Kasei Co., Ltd.) is dissolved in 350 g of acetone, and 2.00 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, Carbon ECP600JD (trade name)) is added as a suspension solution. The mixture was stirred at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (15A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(15A)1.0377gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(15B)0.4474gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0377 g of the precursor (15A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was added at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (15B) 0.4474g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(15B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(15C)を得た。
前駆体(15A)から少なくとも1種類以上の原料を除いた前駆体を用いて、実施例15と同様に不融化および炭素化処理工程、粉砕・酸洗浄処理工程を経て得られた炭素材料(15X)は、本発明の炭素材料(15C)と比較して酸素還元反応(ORR)活性の指標である0.7Vにおける電流密度が100μA/cm2以下であることを確認した。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (15B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (15C).
Using a precursor obtained by removing at least one kind of raw material from the precursor (15A), a carbon material (15X) obtained through an infusibilization and carbonization treatment step, a pulverization / acid washing treatment step in the same manner as in Example 15. ) Confirmed that the current density at 0.7 V, which is an index of oxygen reduction reaction (ORR) activity, was 100 μA / cm 2 or less as compared with the carbon material (15C) of the present invention.

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C9115、分子量:189.22
元素分析(計算値):C,57.13;H,5.86;N,37.01
Molecular formula: C 9 H 11 N 5 , molecular weight: 189.22
Elemental analysis (calculated values): C, 57.13; H, 5.86; N, 37.01

(実施例16)
<[3−CN−Propyl−mim][N(CN)2]および[Bmim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(16C)>
[前駆体の調整]
3−シアノプロピル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(アルドリッチ社製、[3−CN−Propyl−imi][N(CN)2])4.00g、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Bmim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.00gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(16A)を得た。
(Example 16)
<Synthesis of carbon material of [3-CN-Propyl-mim] [N (CN) 2 ] and [Bmim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 (16C)>
[Precursor adjustment]
3-cyanopropyl-3-methylimidazolium dicyanamide (manufactured by Aldrich, [3-CN-Propyl-imi] [N (CN) 2 ]) 4.00 g, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrferer (Bmim [FeCl 4 ], manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) is dissolved in 350 g of acetone, and 2.00 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion, Carbon ECP600JD (trade name)) is added. The mixture was stirred as a turbid solution at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (16A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(16A)1.0367gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から800℃まで毎分5℃で昇温、800℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(16B)0.3934gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0367 g of the precursor (16A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 800 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 800 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (16B) 0.3934g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(16B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(16C)を得た。
前駆体(16A)から少なくとも1種類以上の原料を除いた前駆体を用いて、実施例16と同様に不融化および炭素化処理工程、粉砕・酸洗浄処理工程を経て得られた炭素材料(16X)は、本発明の炭素材料(16C)と比較して酸素還元反応(ORR)活性の指標である0.7Vにおける電流密度が100μA/cm2以下であることを確認した。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (16B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (16C).
Using a precursor obtained by removing at least one kind of raw material from the precursor (16A), a carbon material (16X) obtained through an infusibilization and carbonization treatment step and a pulverization / acid washing treatment step in the same manner as in Example 16. ) Confirmed that the current density at 0.7 V, which is an index of oxygen reduction reaction (ORR) activity, was 100 μA / cm 2 or less as compared with the carbon material (16C) of the present invention.

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C10126、分子量:216.24
元素分析(計算値):C,55.54;H,5.59;N,38.86
Molecular formula: C 10 H 12 N 6 , molecular weight: 216.24
Elemental analysis (calculated values): C, 55.54; H, 5.59; N, 38.86

(実施例17)
<[Emim][N(CN)2]およびFe(acac)2含浸KB600の炭素材料合成(17C)>
[前駆体の調整]
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(東京化成社製、[Emim][N(CN)2])4.00g、鉄(II)アセチルアセトナート(Fe(acac)2、Aldrich社製)0.53gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))1.94gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(17A)を得た。
(Example 17)
<Synthesis of Carbon Material of [Emim] [N (CN) 2 ] and Fe (acac) 2 Impregnated KB600 (17C)>
[Precursor adjustment]
1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (Tokyo Chemical Co., Ltd. [Emim] [N (CN) 2 ]) 4.00 g, iron (II) acetylacetonate (Fe (acac) 2 , Aldrich) 0.53 g is dissolved in 350 g of acetone, 1.94 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added, and the suspension is stirred at 30 ° C. for 1 hour. Distilled off. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (17A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(17A)1.0814gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(17B)0.5445gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0814 g of the precursor (17A) was measured on a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (17B) 0.5445g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(17B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(17C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (17B) was pulverized with an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until no coloration occurred. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (17C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C1014Fe14、分子量:254.061
元素分析(計算値):C,47.27;H,5.55;Fe,21.98;O,25.19
Molecular formula: C 10 H 14 Fe 1 O 4 , molecular weight: 254.061
Elemental analysis (calculated values): C, 47.27; H, 5.55; Fe, 21.98; O, 25.19

(実施例18)
<[Emim][N(CN)2]およびFe(acac)3含浸KB600の炭素材料合成(18C)>
[前駆体の調整]
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(東京化成社製、[Emim][N(CN)2])4.00g、鉄(III)アセチルアセトナート(Fe(acac)3、Aldrich社製)0.77gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.05gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(18A)を得た。
(Example 18)
<Synthesis of carbon material of [Emim] [N (CN) 2 ] and Fe (acac) 3 impregnated KB600 (18C)>
[Precursor adjustment]
1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (Tokyo Chemical Co., Ltd., [Emim] [N (CN) 2 ]) 4.00 g, iron (III) acetylacetonate (Fe (acac) 3 , Aldrich) 0.77 g is dissolved in 350 g of acetone, 2.05 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added, and the suspension is stirred at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent is heated under heating. Distilled off. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (18A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(18A)0.9294gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(18B)0.5907gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
0.9294g of the precursor (18A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (18B) 0.5907g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(18B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(18C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (18B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant liquid were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (18C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C1521Fe16、分子量:353.17
元素分析(計算値):C,51.01;H,5.99;Fe,15.81;O,27.18
Molecular formula: C 15 H 21 Fe 1 O 6 , molecular weight: 353.17
Elemental analysis (calculated values): C, 51.01; H, 5.99; Fe, 15.81; O, 27.18

(実施例19)
<[Emim][N(CN)2]およびFe(DPM)2含浸KB600の炭素材料合成(19C)>
[Fe(DPM)2の調製]
Inorg.Chem.1965,4,920−921.に記載の方法を改良して下記の手順に従い、Fe(DPM)2を調整した。
窒素雰囲気下、500mlの3口フラスコに、9.0gのFeSO4・7H2O、1.4gのNa224、135 mlの窒素脱気水を添加後、14.9gのDPMを270mlのメタノールに溶解し、窒素脱気溶液を加え、室温で1時間攪拌した。この溶液に、97mlの1規定のNaOH水溶液を加えた。得られた結晶をろ過し、水、ヘキサンで洗浄後、乾燥させ、Fe(DPM)2を11.7g、85%収率で得た。

Figure 0005918156
(Example 19)
<Synthesis of Carbon Material of [Emim] [N (CN) 2 ] and Fe (DPM) 2 Impregnated KB600 (19C)>
[Preparation of Fe (DPM) 2]
Inorg. Chem. 1965, 4, 920-921. The Fe (DPM) 2 was adjusted according to the following procedure by improving the method described in 1).
Under a nitrogen atmosphere, 9.0 g FeSO 4 .7H 2 O, 1.4 g Na 2 S 2 O 4 , 135 ml nitrogen degassed water was added to a 500 ml three-necked flask, and then 14.9 g DPM was added. It melt | dissolved in 270 ml of methanol, the nitrogen deaeration solution was added, and it stirred at room temperature for 1 hour. To this solution was added 97 ml of 1N NaOH aqueous solution. The obtained crystal was filtered, washed with water and hexane, and then dried to obtain 11.7 g of Fe (DPM) 2 in a yield of 85%.
Figure 0005918156

[前駆体の調整]
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(東京化成社製、[Emim][N(CN)2])4.00g、上述のFe(DPM)2 0.96gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.13gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(19A)を得た。
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (Tokyo Chemical Co., Ltd., [Emim] [N (CN) 2 ]) and 0.96 g of Fe (DPM) 2 described above were dissolved in 350 g of acetone, 2.13 g of CHEMPLAC (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) was added, and the suspension was stirred at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (19A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(19A)1.0381gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(19B)0.6495gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0381 g of the precursor (19A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (19B) 0.6495g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(19B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(19C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (19B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (19C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C2238Fe14、分子量:422.38
元素分析(計算値):C,62.56;H,9.07;Fe,13.22;O,15.15
Molecular formula: C 22 H 38 Fe 1 O 4 , molecular weight: 422.38
Elemental analysis (calculated values): C, 62.56; H, 9.07; Fe, 13.22; O, 15.15

(実施例20)
<[Emim][N(CN)2]およびFe(TMOD)2含浸KB600の炭素材料合成(20C)>
(Fe(TMOD)2の調製)
Inorg.Chem.1965,4,920−921.に記載の方法を改良して下記の手順に従い、Fe(TMOD)2を調整した。
窒素雰囲気下、500mlの3口フラスコに、3.0gのFeSO4・7H2O、0.47gのNa224、45mlの窒素脱気水を添加後、5.4gのTMODを90mlのメタノールに溶解し、窒素脱気溶液を加え、室温で1時間攪拌した。この溶液に、32 mlの1規定のNaOH 水溶液を加えた。得られた結晶をろ過し、水、ヘキサンで洗浄後、乾燥させ、Fe(TMOD)2を40g、89%収率で得た。
(Example 20)
<Synthesis of carbon material (20C) of [Emim] [N (CN) 2 ] and Fe (TMOD) 2 impregnated KB600>
(Preparation of Fe (TMOD) 2)
Inorg. Chem. 1965, 4, 920-921. According to the following procedure, Fe (TMOD) 2 was adjusted by improving the method described in 1).
Under a nitrogen atmosphere, add 3.0 g FeSO 4 .7H 2 O, 0.47 g Na 2 S 2 O 4 , 45 ml nitrogen degassed water to a 500 ml 3 neck flask, then add 5.4 g TMOD to 90 ml Was dissolved in methanol, a nitrogen degassed solution was added, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour. To this solution was added 32 ml of 1N NaOH aqueous solution. The obtained crystals were filtered, washed with water and hexane, and then dried to obtain 40 g of Fe (TMOD) 2 in 89% yield.

Figure 0005918156
Figure 0005918156

[前駆体の調整]
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(東京化成社製、[Emim][N(CN)2])4.00g、上述のFe(TMOD)2 1.04gをアセトン350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.13gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(20A)を得た。
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., [Emim] [N (CN) 2 ]) and 1.04 g of Fe (TMOD) 2 described above were dissolved in 350 g of acetone, 2.13 g of CHEMPLAC (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) was added, and the suspension was stirred at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Then, vacuum heating drying was performed and pulverized to obtain a precursor (20A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(20A)1.0168gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(20B)0.6383gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0168 g of the precursor (20A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (20B) 0.6383g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(20B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(20C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (20B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. The obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (20C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C2442Fe14、分子量:450.43
元素分析(計算値):C,64.00;H,9.40;Fe,12.40;O,14.21
Molecular formula: C 24 H 42 Fe 1 O 4 , molecular weight: 450.43
Elemental analysis (calculated values): C, 64.00; H, 9.40; Fe, 12.40; O, 14.21

(実施例21)
<DCPyおよび[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(21C)>
[前駆体の調整]
3,4−ジシアノピリジン(DCPy、Aldrich社製)4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))6.99gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(21A)を得た。
(Example 21)
<Synthesis of DCPy and [Emim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 carbon material (21C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 3,4-dicyanopyridine (DCPy, manufactured by Aldrich), 0.66 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., [Emim] [FeCl 4 ]), 350 g of acetone Then, 6.99 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) was added, and the mixture was stirred as a suspension at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (21A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(21A)1.0326gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(21B)0.6529gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0326 g of the precursor (21A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (21B) 0.6529g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(21B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(21C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (21B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and then left overnight to obtain an acid cleaned carbon material (21C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C733、分子量:129.119
元素分析(計算値):C,65.11;H,2.34;N,32.54
Molecular formula: C 7 H 3 N 3 , molecular weight: 129.119
Elemental analysis (calculated values): C, 65.11; H, 2.34; N, 32.54

(実施例22)
<DCPNおよび[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(22C)>
[前駆体の調整]
下記構造のDCPN(Aldrich社製、前記化合物(B−3))4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))6.99gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(22A)を得た。
(Example 22)
<Synthesis of Carbon Material of DCPN and [Emim] [FeCl 4 ] Impregnated KB600 (22C)>
[Precursor adjustment]
DCPN (manufactured by Aldrich, the compound (B-3)) 4.00 g, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (manufactured by Tokyo Kasei Co., Ltd., [Emim] [FeCl 4 ]) 66 g is dissolved in 350 g of acetone, 6.99 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added, and the suspension is stirred at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent is distilled off under heating. did. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (22A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(22A)1.0326gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(22B)0.6529gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0326 g of the precursor (22A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (22B) 0.6529g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(22B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(22C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (22B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then left overnight to obtain an acid cleaned carbon material (22C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C82Cl22、分子量:197.02
元素分析(計算値):C,48.77;H,1.02;Cl,35.99;N,14.22
Molecular formula: C 8 H 2 Cl 2 N 2 , molecular weight: 197.02
Elemental analysis (calculated): C, 48.77; H, 1.02; Cl, 35.99; N, 14.22

(実施例23)
<TCBおよび[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(23C)>
[前駆体の調整]
下記構造のTCB(東京化成工業社製、前記化合物(B−4))4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))6.99gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(23A)を得た。
(Example 23)
<Synthesis of Carbon Material of TCB and [Emim] [FeCl 4 ] Impregnated KB600 (23C)>
[Precursor adjustment]
TCB of the following structure (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., Compound (B-4)) 4.00 g, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd. [Emim] [FeCl 4 ]) 0.66 g is dissolved in 350 g of acetone, 6.99 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added, the suspension is stirred at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent is heated under heating. Distilled off. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (23A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(23A)1.0326gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(23B)0.6529gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0326 g of the precursor (23A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (23B) 0.6529g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(23B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(23C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (23B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and then allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (23C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C1024、分子量:178.15
元素分析(計算値):C,67.42;H,1.13;N,31.45
Molecular formula: C 10 H 2 N 4 , molecular weight: 178.15
Elemental analysis (calculated values): C, 67.42; H, 1.13; N, 31.45

(実施例24)
<PyDAおよび[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(24C)>
[前駆体の調整]
下記構造のPyDA(東京化成工業社製、前記化合物(B−10))4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))6.99gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(24A)を得た。
(Example 24)
<Synthesis of carbon material of PyDA and [Emim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 (24C)>
[Precursor adjustment]
PyDA (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., Compound (B-10)) 4.00 g, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Chemistry, [Emim] [FeCl 4 ]) 0.66 g is dissolved in 350 g of acetone, 6.99 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added, the suspension is stirred at 30 ° C. for 1 hour, and the solvent is heated under heating. Distilled off. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (24A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(24A)1.0326gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(24B)0.6529gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0326 g of the precursor (24A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (24B) 0.6529g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(24B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(24C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (24B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand to room temperature, and left as it was overnight to obtain an acid cleaned carbon material (24C).

Figure 0005918156
Figure 0005918156

分子式:C7732、分子量:165.15
元素分析(計算値):C,50.91;H,4.27;N,25.44;O,19.38
Molecular formula: C 7 H 7 N 3 O 2 , molecular weight: 165.15
Elemental analysis (calculated values): C, 50.91; H, 4.27; N, 25.44; O, 19.38

(実施例25)
<[Emim][N(CN)2]および塩化鉄(II)4水和物添加含浸KB600の炭素材料合成(25C)>
[前駆体の調整]
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド(東京化成社製、[Emim][N(CN)2])4.00g、塩化鉄(II)4水和物99.9%(和光純薬社製)0.40gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))1.89gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(25A)を得た。
(Example 25)
<Synthesis of Carbon Material of [Emim] [N (CN) 2 ] and Iron (II) Chloride Tetrahydrate-Added Impregnated KB600 (25C)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., [Emim] [N (CN) 2 ]), 99.9% iron chloride (II) tetrahydrate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 0.40 g) is dissolved in 350 g of acetone, 1.89 g of Ketjen Plaque (KB600, manufactured by Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) is added, and the suspension is stirred at 30 ° C. for 1 hour and heated. The solvent was distilled off. Thereafter, vacuum drying was performed and pulverized to obtain a precursor (25A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(25A)1.0349gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(25B)0.1376gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0349 g of the precursor (25A) was weighed into a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (25B) 0.1376g.

[粉砕・酸洗浄処理]
炭素材料(25B)をメノウ乳鉢で粉砕し、濃塩酸洗浄・遠心ろ過・上澄み液の除去を着色がなくなるまで繰返した。水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄済み炭素材料(25C)を得た。
[Crushing and acid cleaning treatment]
The carbon material (25B) was pulverized in an agate mortar, and concentrated hydrochloric acid washing, centrifugal filtration, and removal of the supernatant were repeated until there was no coloration. After washing with water, it was filtered and air dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, allowed to stand at room temperature, and allowed to stand overnight to obtain an acid cleaned carbon material (25C).

(比較例10)
<[Bmim][C(CN)3]および[Emim][FeCl4]含浸KB600の炭素材料合成(C10B)>
[前駆体の調整]
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリシアノメタン(関東化学社製、[Bmim][C(CN)3])4.00g、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート(東京化成社製、[Emim][FeCl4])0.66gをアセトン 350gに溶解し、ケッチェンプラック(KB600、ライオン社製、カーボンECP600JD(商品名))2.00gを添加し、懸濁溶液として30℃で1時間撹拌し、加熱下溶媒を留去した。その後、真空加熱乾燥を行い、粉砕して前駆体(C10A)を得た。
(Comparative Example 10)
<Synthesis of carbon material of [Bmim] [C (CN) 3 ] and [Emim] [FeCl 4 ] impregnated KB600 (C10B)>
[Precursor adjustment]
4.00 g of 1-butyl-3-methylimidazolium tricyanomethane (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., [Bmim] [C (CN) 3 ]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate (Tokyo Kasei Co., Ltd.) [Emim] [FeCl 4 ]) 0.66 g was dissolved in 350 g of acetone, and 2.00 g of Ketjen Plaque (KB600, Lion Corporation, carbon ECP600JD (trade name)) was added, and the suspension was 30 ° C. For 1 hour, and the solvent was distilled off under heating. Then, vacuum heating drying was performed and pulverized to obtain a precursor (C10A).

[不融化および炭素化処理]
前駆体(C10A)1.0317gを石英ボートに測り取り、管状炉内に挿入された4.0cmφ(内径3.6cmφ)の石英管の中央に設置し、窒素を毎分300mL、30分間室温で流通させた。
30℃から900℃まで毎分5℃で昇温、900℃で1時間保持した。その後、3時間かけて室温まで冷却し、炭素材料(C10B)0.4721gを得た。
[Infusibilization and carbonization treatment]
1.0317 g of the precursor (C10A) was measured on a quartz boat and placed in the center of a 4.0 cmφ (inner diameter 3.6 cmφ) quartz tube inserted into a tubular furnace, and nitrogen was added at 300 mL per minute for 30 minutes at room temperature. Circulated.
The temperature was raised from 30 ° C. to 900 ° C. at 5 ° C. per minute and held at 900 ° C. for 1 hour. Then, it cooled to room temperature over 3 hours, and obtained carbon-material (C10B) 0.4721g.

[粉砕処理]
炭素材料(C10B)をメノウ乳鉢で粉砕し、水で洗浄後、濾過・風乾した。更に得られた炭素材料を110℃で3時間真空乾燥し、室温まで放置し、そのまま一晩放置して、酸洗浄していない炭素材料(C10B)を得た。
[Crushing process]
The carbon material (C10B) was pulverized in an agate mortar, washed with water, filtered and air-dried. Further, the obtained carbon material was vacuum-dried at 110 ° C. for 3 hours, left to room temperature, and left overnight as it was to obtain a carbon material (C10B) not subjected to acid cleaning.

<物性評価>
[BET測定]
試料前処理装置(日本ベル社製、BELPREP−flow(商品名))を用いて、カーボンアロイ材料を200℃、3時間、真空下で乾燥した。
自動比表面積/細孔分布測定装置(日本ベル社製、BELSORP−miniII(商品名))を用いてカーボンアロイ材料の比表面積を簡易測定条件で測定した。
比表面積は、装置備え付けの解析プログラムを用いて、BET(Brunauer−Emmett−Teller)法により求めた。
<Physical property evaluation>
[BET measurement]
The carbon alloy material was dried under vacuum at 200 ° C. for 3 hours using a sample pretreatment apparatus (BELPREP-flow (trade name) manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.).
The specific surface area of the carbon alloy material was measured under simple measurement conditions using an automatic specific surface area / pore distribution measuring device (BELSORP-mini II (trade name) manufactured by Bell Japan Co., Ltd.).
The specific surface area was determined by the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method using an analysis program installed in the apparatus.

[カーボンアロイ塗付電極の作製]
実施例1〜25と比較例1〜10で得られたカーボンアロイ材料10mgに、バインダーとしてナフィオン溶液(5%アルコール水溶液)110mgと溶媒としての水2.4mL、1−プロパノール(IPA)1.6mLを加え、7mmφのアタッチメントを接続した超音波ホモジナイザー(日精社製、US−150T(商品名))で30分間分散させた。得られた分散物を4μL採取して回転ディスク電極(北斗電工社製HR2−RD1−Pt8/GC5(商品名))を用い、カーボンアロイ分散液をカーボンアロイ材料が0.05mgになるようにカーボン電極上に塗布し、室温で乾燥させてカーボンアロイ塗付電極を得た。
作製した各実施例及び比較例の試料に関して、各特性評価を行った。結果は下記表1に示した。
[Production of carbon alloy coated electrode]
10 mg of the carbon alloy material obtained in Examples 1 to 25 and Comparative Examples 1 to 10, 110 mg of Nafion solution (5% alcohol aqueous solution) as a binder, 2.4 mL of water as a solvent, 1.6 mL of 1-propanol (IPA) And dispersed with an ultrasonic homogenizer (Nissei's US-150T (trade name)) connected with an attachment of 7 mmφ for 30 minutes. 4 μL of the obtained dispersion was sampled and using a rotating disk electrode (HR2-RD1-Pt8 / GC5 (trade name) manufactured by Hokuto Denko), the carbon alloy dispersion was carbonized so that the carbon alloy material was 0.05 mg. It apply | coated on the electrode and it was made to dry at room temperature, and the carbon alloy coating electrode was obtained.
Each characteristic evaluation was performed about the produced sample of each Example and a comparative example. The results are shown in Table 1 below.

[カーボンアロイ塗付電極の酸素還元反応(ORR)活性測定]
Automatic Polarization System(北斗電工(株)社製、HZ−3000(商品名))に回転電極装置(北斗電工(株)社製、HR−201(商品名))を接続し、作用極は前記で得られたカーボンアロイ塗付電極、対極と参照極はそれぞれ白金電極と飽和カロメル電極(SCE)を用いて以下の手順により測定を行った。
A.カーボンアロイ材料塗付電極のクリーニングのため、20℃、アルゴンを30分以上バブリングした0.1M硫酸水溶液中で掃引電位0.946〜−0.204V(vs.SCE)、掃引速度50mV/s、10サイクルのサイクリックボルタンメトリーを測定した。
B.ブランク測定のため、20℃、アルゴンを30分以上バブリングした0.1M硫酸水溶液中で掃引電位0.746〜−0.204V(vs.SCE)、掃引速度5mV/s、電極回転速度1500rpmでリニアースイープボルタンメトリーを測定した。
C.酸素還元活性測定のため、酸素を30分以上バブリングした0.5M硫酸水溶液中で掃引電位0.746〜−0.204V(vs.SCE)、掃引速度5mV/s、電極回転数1500rpmでリニアースイープボルタンメトリーを測定した。
D.Cの測定データからBの測定データを減算し、真の酸素還元活性として採用した。得られたボルタモグラム(電圧−電流密度曲線)から、電圧0.7V vs.NHEの時の電流密度を求め、これをORR活性値とした。
[Measurement of oxygen reduction reaction (ORR) activity of carbon alloy coated electrode]
A rotating electrode device (Hokuto Denko Co., Ltd., HR-201 (Brand name)) is connected to an Automatic Polarization System (Hokuto Denko Co., Ltd., HZ-3000 (Brand name)). The obtained carbon alloy coated electrode, counter electrode and reference electrode were measured by the following procedure using a platinum electrode and a saturated calomel electrode (SCE), respectively.
A. For cleaning the carbon alloy material-coated electrode, a sweep potential of 0.946 to −0.204 V (vs. SCE), a sweep rate of 50 mV / s in a 0.1 M sulfuric acid aqueous solution bubbled with argon at 30 ° C. for 30 minutes or more, Ten cycles of cyclic voltammetry were measured.
B. For blank measurement, linear at 20 ° C. in 0.1 M sulfuric acid aqueous solution bubbled with argon for 30 minutes or more, sweep potential 0.746 to −0.204 V (vs. SCE), sweep speed 5 mV / s, electrode rotation speed 1500 rpm Sweep voltammetry was measured.
C. In order to measure the oxygen reduction activity, a linear sweep was performed at a sweep potential of 0.746 to -0.204 V (vs. SCE), a sweep speed of 5 mV / s, and an electrode rotation speed of 1500 rpm in a 0.5 M sulfuric acid aqueous solution bubbled with oxygen for 30 minutes or more Voltammetry was measured.
D. The measurement data of B was subtracted from the measurement data of C and adopted as the true oxygen reduction activity. From the obtained voltammogram (voltage-current density curve), a voltage of 0.7 V vs. The current density at the time of NHE was determined and used as the ORR activity value.

Figure 0005918156
Figure 0005918156

上記表1より、本発明の製造方法で製造されたカーボンアロイ材料を用いたカーボンアロイ触媒は、比表面積が大きく、酸化還元活性が十分に高いことがわかった。
一方、比較例1〜3および6〜9より、担体を用いない場合は、得られたカーボンアロイ材料は比表面積が小さく、酸化還元活性も低いことがわかった。比較例2および9より、担体を用いず、かつ前駆体が特定の金属種を含まない場合は、得られたカーボンアロイ材料はさらに比表面積が小さく、酸化還元活性も低いことがわかった。比較例4より、前駆体が特定の金属種を含まない場合は、得られたカーボンアロイ材料は酸化還元活性が低いことがわかった。比較例5より、イオン性液体を用いない場合は、酸化還元活性が低いことがわかった。比較例10より、得られたカーボンアロイ材料を酸洗浄しない場合は、得られたカーボンアロイ材料は比表面積が小さく、酸化還元活性も低いことがわかった。
なお、比較例3の比表面積の”−”は炭化物を得ることができなかったことを意味する。
また、本発明の製造方法で製造された各実施例のカーボンアロイ材料は、薄シート状の外形に、比表面積が大きいとされる連通孔(モノリス状)の局所構造を有した形状であることを走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、 SEM)を用いて確認した。
From Table 1 above, it was found that the carbon alloy catalyst using the carbon alloy material produced by the production method of the present invention has a large specific surface area and sufficiently high redox activity.
On the other hand, it was found from Comparative Examples 1 to 3 and 6 to 9 that when the carrier was not used, the obtained carbon alloy material had a small specific surface area and low redox activity. From Comparative Examples 2 and 9, it was found that when the support was not used and the precursor did not contain a specific metal species, the obtained carbon alloy material had a smaller specific surface area and lower redox activity. From Comparative Example 4, it was found that when the precursor did not contain a specific metal species, the obtained carbon alloy material had low redox activity. From Comparative Example 5, it was found that redox activity was low when no ionic liquid was used. From Comparative Example 10, it was found that when the obtained carbon alloy material was not subjected to acid cleaning, the obtained carbon alloy material had a small specific surface area and low redox activity.
In addition, "-" of the specific surface area of the comparative example 3 means that the carbide could not be obtained.
In addition, the carbon alloy material of each example manufactured by the manufacturing method of the present invention has a shape having a local structure of a communication hole (monolith) having a large specific surface area on a thin sheet-like outer shape. Was confirmed using a scanning electron microscope (SEM).

10…燃料電池、
12…セパレータ、
13…アノード電極触媒、
14…固体高分子電解質、
15…カソード電極触媒、
16…セパレータ、
20…電気二重層キャパシタ、
21…第1の電極、
22…第2の電極、
23…セパレータ、
24a…外装蓋、
24b…外装ケース、
25…集電体、
26…ガスケット
10 ... Fuel cell,
12 ... separator,
13 ... anode catalyst,
14 ... solid polymer electrolyte,
15 ... Cathode electrode catalyst,
16 ... separator,
20: Electric double layer capacitor,
21 ... 1st electrode,
22 ... second electrode,
23 ... separator,
24a ... exterior lid,
24b ... exterior case,
25 ... current collector,
26 ... Gasket

Claims (8)

担体に、少なくとも1種類以上のイオン液体を付着させる工程と、
前記イオン液体が付着した前記担体を含む前駆体を焼成する工程と、
焼成後の生成物を酸によって洗浄する工程を有し、
前記前駆体がFe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種を含み、
前記イオン液体のアニオン種が、窒素原子を含むアニオンであるか、Fe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上の金属種を含むアニオンであることを特徴とするカーボンアロイ材料の製造方法。
Attaching at least one or more ionic liquids to the carrier;
Firing the precursor containing the carrier to which the ionic liquid is attached;
Having a step of washing the product after firing with an acid;
The precursor includes a metal species including one or more of Fe, Co, Mn, Cr and Ni;
The method for producing a carbon alloy material, wherein the anion species of the ionic liquid is an anion containing a nitrogen atom or an anion containing one or more metal species among Fe, Co, Mn, Cr and Ni .
前記担体が、炭素材料または、焼成により炭素材料もしくはカーボンアロイ材料を生成する有機前駆体であることを特徴とする請求項1に記載のカーボンアロイ材料の製造方法。   The method for producing a carbon alloy material according to claim 1, wherein the carrier is a carbon material or an organic precursor that generates a carbon material or a carbon alloy material by firing. 前記担体が、焼成によりカーボンアロイ材料を生成する有機前駆体であることを特徴とする請求項1又は2に記載のカーボンアロイ材料の製造方法。   The method for producing a carbon alloy material according to claim 1 or 2, wherein the carrier is an organic precursor that generates a carbon alloy material by firing. 前記イオン液体のアニオン種として、[N(CN)2-、[C(CN)3-および[FeCl4-の中からいずれか1種類以上を用いることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のカーボンアロイ材料の製造方法。 The anionic species of the ionic liquid is any one or more selected from [N (CN) 2 ] , [C (CN) 3 ] and [FeCl 4 ] . 4. The method for producing a carbon alloy material according to any one of 3 above. 前記金属種が、鉄化合物またはコバルト化合物であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のカーボンアロイ材料の製造方法。 The said metal seed | species is an iron compound or a cobalt compound, The manufacturing method of the carbon alloy material of any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 前記鉄化合物が、テトラクロロフェラートアニオンと含窒素4級カチオンとの塩、および塩化鉄のうち少なくとも一種であることを特徴とする請求項5に記載のカーボンアロイ材料の製造方法。   6. The method for producing a carbon alloy material according to claim 5, wherein the iron compound is at least one of a salt of a tetrachloroferrate anion and a nitrogen-containing quaternary cation and iron chloride. 担体に、少なくとも1種類以上のイオン液体を付着させる工程と、Attaching at least one or more ionic liquids to the carrier;
前記イオン液体が付着した前記担体を含む前駆体を焼成する工程と、Firing the precursor containing the carrier to which the ionic liquid is attached;
焼成後の生成物を酸によって洗浄する工程を有し、Having a step of washing the product after firing with an acid;
前記前駆体がFe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種を含み、The precursor includes a metal species including one or more of Fe, Co, Mn, Cr and Ni;
前記イオン液体のアニオン種が、窒素原子を含むアニオンであるか、Fe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上の金属種を含むアニオンであることを特徴とするカーボンアロイ触媒の製造方法。The method for producing a carbon alloy catalyst, wherein the anion species of the ionic liquid is an anion containing a nitrogen atom or an anion containing one or more metal species among Fe, Co, Mn, Cr and Ni .
担体に、少なくとも1種類以上のイオン液体を付着させる工程と、Attaching at least one or more ionic liquids to the carrier;
前記イオン液体が付着した前記担体を含む前駆体を焼成する工程と、Firing the precursor containing the carrier to which the ionic liquid is attached;
焼成後の生成物を酸によって洗浄し、カーボンアロイ触媒を得る工程と、Washing the product after calcination with an acid to obtain a carbon alloy catalyst;
前記カーボンアロイ触媒を用いた燃料電池を製造する工程とを有し、Producing a fuel cell using the carbon alloy catalyst,
前記前駆体がFe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上を含む金属種を含み、The precursor includes a metal species including one or more of Fe, Co, Mn, Cr and Ni;
前記イオン液体のアニオン種が、窒素原子を含むアニオンであるか、Fe、Co、Mn、CrおよびNiのうち1種類以上の金属種を含むアニオンであることを特徴とする燃料電池の製造方法。The method for producing a fuel cell, wherein the anionic species of the ionic liquid is an anion containing a nitrogen atom, or an anion containing one or more metal species among Fe, Co, Mn, Cr and Ni.
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