JP6112504B2 - Method for producing carbon catalyst - Google Patents

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Description

本発明は、カーボン系触媒の製造方法に関する。より詳細には、酸素還元反応(ORR)活性を示すカーボン系触媒の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a carbon-based catalyst. More specifically, the present invention relates to a method for producing a carbon-based catalyst exhibiting oxygen reduction reaction (ORR) activity.

燃料電池は、比較的高効率で起電力を得られ、排ガスもクリーンであることから、環境負荷の少ない新しい電源として注目を集めている。この燃料電池は、使われる電解質の種類によって様々な方式に分類されるが、なかでも、プロトン導電性の高分子電解質膜を使用する固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下、単に「PEFC」と記す場合もある。)は、小型軽量化が可能で、100℃以下という低い温度で動作すること等から、電気自動車や携帯機器等用の電源、あるいは、電気と熱を併給(コジェネレーション)する家庭用据え置き用電源等として、実用化が進められている。   Fuel cells are attracting attention as a new power source with low environmental impact because they can generate electromotive force with relatively high efficiency and clean exhaust gas. This fuel cell is classified into various types depending on the type of electrolyte used. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a proton conductive polymer electrolyte membrane (PEFC), “PEFC” may be simply referred to as “PEFC”). It can be reduced in size and weight, and operates at a temperature as low as 100 ° C. or lower. Practical use has been promoted as a household power source for cogeneration.

PEFCは、一般的にアノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に配される高分子電解質膜とを含む、膜−電極接合体によって構成されている。そしてPEFCのアノードには、主として燃料として用いられる水素を酸化する水素酸化反応(HOR:Hydrogen Oxidation Reaction)を促進させる触媒が備えられ、カソードには、酸化剤を還元する酸素還元反応(ORR:Oxygen Reduction Reaction)を促進させる触媒が備えられている。ここで、反応速度の遅いカソードには、高いORR活性を示す白金触媒が広く一般に使用されているが、白金触媒は価格が高いことや、PEFCに使用した場合の耐久性が低いこと等から、白金触媒に代わる新たな触媒が求められている。   The PEFC is generally constituted by a membrane-electrode assembly including an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. The anode of the PEFC is equipped with a catalyst that promotes a hydrogen oxidation reaction (HOR) that mainly oxidizes hydrogen used as a fuel, and the cathode has an oxygen reduction reaction (ORR: Oxygen) that reduces the oxidant. A catalyst that promotes reduction reaction is provided. Here, platinum catalysts exhibiting high ORR activity are widely used for cathodes with a slow reaction rate, but platinum catalysts are expensive and have low durability when used in PEFC. There is a need for new catalysts to replace platinum catalysts.

特開2004−362802号公報JP 2004-362802 A 特開2010−270107号公報JP 2010-270107 A 特開2012−54157号公報JP 2012-54157 A 特開平08−165111号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-165111

白金代替触媒の一つとして、異種元素含有カーボン触媒等に代表されるカーボン系触媒が注目を集め、その開発が精力的に進められている。カーボン材料(炭素質材料)については、異なる混成軌道を有する炭素は異なる成分系であるとみなした場合に、カーボン材料自体がカーボン原子の集合体を主体とした多成分系からなると考えることができ、それらの構成単位間に物理的・化学的な相互作用を見出すことができる。中でも特に、カーボン材料の結晶格子点に異種原子を置換した異種元素含有カーボン材料については、ORR活性が発現され得ることから、異種元素含有カーボン触媒と呼ぶことができる。   As one of platinum alternative catalysts, carbon-based catalysts represented by different element-containing carbon catalysts and the like have attracted attention and their development has been vigorously advanced. Regarding carbon materials (carbonaceous materials), when carbons with different hybrid orbitals are considered to be different component systems, it can be considered that the carbon materials themselves consist of multi-component systems mainly composed of aggregates of carbon atoms. Physical and chemical interactions can be found between these structural units. Among these, in particular, a heterogeneous element-containing carbon material obtained by substituting a heterogeneous atom for a crystal lattice point of the carbon material can be expressed as an ORR activity and can be called a heterogeneous element-containing carbon catalyst.

この異種元素含有カーボン触媒は、典型的には、ポリマーやカーボンナノチューブ等の炭素質材料に異種元素を含む化合物を導入して重合体または複合体等とした後、400℃〜1500℃程度の加熱処理を施し炭化させることで製造されている(例えば、特許文献1〜4等参照)。
しかしながら、上記の製造方法では、少なくとも、炭素質材料と含異種元素化合物との重合または複合化の工程と、熱処理による炭化の工程とが必要であり、熱処理にて導入した異種元素が脱離してしまうなどの問題がある。また、工業的には、より簡便な触媒の製造方法が求められる。さらに、カーボン材料を主体とした触媒の新しい機能物性の発現等の可能性を開く為にも、全く新しいカーボン系触媒の製造方法の開発が望まれてもいる。
This heterogeneous element-containing carbon catalyst is typically heated to about 400 ° C to 1500 ° C after introducing a compound containing a heterogeneous element into a carbonaceous material such as a polymer or carbon nanotube to form a polymer or composite. It is manufactured by subjecting it to carbonization (see, for example, Patent Documents 1 to 4).
However, the above production method requires at least a step of polymerizing or combining the carbonaceous material and the heterogeneous element compound and a step of carbonization by heat treatment, and the dissimilar elements introduced by the heat treatment are desorbed. There is a problem such as. Further, industrially, a simpler method for producing a catalyst is required. Furthermore, in order to open the possibility of developing new functional properties of catalysts mainly composed of carbon materials, it is desired to develop a completely new method for producing carbon-based catalysts.

本発明は上記課題に鑑みて創出されたものであり、白金触媒の代替触媒として有用なカーボン系触媒の、簡便で、かつ、新規な製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been created in view of the above problems, and an object thereof is to provide a simple and novel production method of a carbon-based catalyst useful as an alternative catalyst for a platinum catalyst.

この出願は、上記の課題を解決するものとして、カーボン系触媒の製造方法を提供する。かかる製造方法は、原料化合物として、化学組成に炭素と、炭素、水素および酸素以外の異種元素とを含み、少なくとも一部に環構造を有する環式化合物を用意すること、上記原料化合物を含む液中でプラズマを発生させることにより上記原料化合物を重合させること、を含むことを特徴としている。   This application provides a method for producing a carbon-based catalyst as a solution to the above problems. Such a production method includes preparing, as a raw material compound, a cyclic compound having a chemical composition containing carbon and a different element other than carbon, hydrogen, and oxygen and having a ring structure at least in part, and a liquid containing the above raw material compound And polymerizing the raw material compound by generating plasma therein.

代表的なカーボン材料であるグラファイトは、炭素原子がsp結合してなる六員環構造を有するグラフェンシートが多数積層された構造を有している。このようなカーボン材料は、その結晶構造に特殊な「乱れ」が生じることで、酸化還元(ORR)反応に対する触媒作用を示すことが知られている。このような結晶構造の乱れは、例えば、カーボン材料を製造する際に鉄(Fe)やコバルト(Co)等の異種金属を添加してナノシェル化することや、グラフェン構造における炭素(C)サイトに窒素(N)やホウ素(B)等の異種原子を置換してドープカーボンとすること等で、導入することができる。すなわち、カーボン材料に異種元素を適切に導入し、電子軌道および結晶空間等を制御することで、酸化還元(ORR)触媒としての機能を発現させることができる。 Graphite, which is a typical carbon material, has a structure in which many graphene sheets having a six-membered ring structure in which carbon atoms are sp 2 bonded are stacked. Such a carbon material is known to exhibit a catalytic action against an oxidation-reduction (ORR) reaction due to a special “disturbance” in its crystal structure. Such disorder of the crystal structure may be caused by, for example, adding a dissimilar metal such as iron (Fe) or cobalt (Co) to form a nanoshell when manufacturing a carbon material, or forming a carbon (C) site in a graphene structure. It can introduce | transduce by substituting dissimilar atoms, such as nitrogen (N) and boron (B), to make dope carbon. That is, the function as an oxidation-reduction (ORR) catalyst can be expressed by appropriately introducing a different element into the carbon material and controlling the electron orbit and the crystal space.

本発明のカーボン系触媒の製造方法においては、上記の特殊な「乱れ」を備えるカーボン材料の製造の場として、液中で発生されるプラズマを利用するようにしている。以下、液中で発生されたプラズマを単に「液中プラズマ」という場合がある。この液中プラズマを利用するカーボン系触媒の製造方法においては、原料化合物である環式化合物からカーボン系触媒を生成するにあたり、環式化合物の重合反応を伴う炭素化を進行させる。ここで、このカーボン系触媒の生成過程においては、重合と炭素化との独立した2つの工程は必要ではなく、原料化合物を含む液中でプラズマを発生させるというワンステップでカーボン系触媒の生成を行うことができる。そして、このプラズマの作用により得られるカーボン系触媒には、ORR反応に対する活性が備えられている。すなわち、本発明によると、既存の手法とは異なる、液中プラズマを利用した全く新しいカーボン系触媒の製造方法が提供される。
なお、本願明細書において、環構造を有する化合物とは、化学構造において構成原子が環状に結合した化合物の一群を意味する。したがって、この環式化合物には、一つの分子中に一つの環が存在する単環化合物や、一より多くの環が存在する多環化合物、また、環を構成する元素が1種類の単素環式化合物や、2種以上の元素により環が構成される複素環式化合物等の多様な環式化合物が含まれる。
In the method for producing a carbon-based catalyst of the present invention, plasma generated in a liquid is used as a place for producing a carbon material having the above special “turbulence”. Hereinafter, the plasma generated in the liquid may be simply referred to as “liquid plasma”. In the method for producing a carbon-based catalyst using in-liquid plasma, carbonization accompanied by a polymerization reaction of the cyclic compound is advanced in generating the carbon-based catalyst from the cyclic compound as the raw material compound. Here, in the process of generating the carbon-based catalyst, two independent processes of polymerization and carbonization are not necessary, and the generation of the carbon-based catalyst is generated in one step of generating plasma in the liquid containing the raw material compound. It can be carried out. And the carbon-type catalyst obtained by the effect | action of this plasma is equipped with the activity with respect to ORR reaction. That is, according to the present invention, a completely new method for producing a carbon-based catalyst using in-liquid plasma, which is different from existing methods, is provided.
In the present specification, a compound having a ring structure means a group of compounds in which constituent atoms are bonded cyclically in a chemical structure. Therefore, this cyclic compound includes a monocyclic compound in which one ring exists in one molecule, a polycyclic compound in which more than one ring exists, and a single element in which the elements constituting the ring are one kind. Various cyclic compounds such as cyclic compounds and heterocyclic compounds in which a ring is constituted by two or more elements are included.

ここに開示されるカーボン系触媒の製造方法の好ましい一態様においては、上記環式化合物に含まれる上記異種元素として、ホウ素(B)または窒素(N)あるいはその両方を含むことを特徴としている。
炭素(C)は原子番号6の元素であり、例えばグラフェンシートにおける炭素サイトには、元素周期律表で炭素の両隣りに位置するホウ素(原子番号5)または窒素(原子番号7)が比較的安定して存在できるとともに、グラフェンの活性化に効果的に寄与し得る。したがって、異種元素として、ホウ素や窒素等を含む環式化合物を用い、これが重合された形態のカーボン材料を形成することで、活性の高いカーボン系触媒を製造することができる。
In a preferred embodiment of the method for producing a carbon-based catalyst disclosed herein, the heterogeneous element contained in the cyclic compound contains boron (B), nitrogen (N), or both.
Carbon (C) is an element having an atomic number of 6, for example, a carbon site in a graphene sheet is relatively composed of boron (atomic number 5) or nitrogen (atomic number 7) located on both sides of the carbon in the periodic table of elements. It can exist stably and can contribute to activation of graphene effectively. Therefore, by using a cyclic compound containing boron, nitrogen or the like as a different element and forming a carbon material in a form in which the compound is polymerized, a highly active carbon-based catalyst can be produced.

ここに開示されるカーボン系触媒の製造方法の好ましい一態様において、上記環式化合物は、5員環または6員環あるいはその両方を化学構造に有することを特徴としている。
本発明で得られるカーボン系触媒は、原料化合物である環式化合物の構造を基本として、これがいくつか重合された化学構造を有していると考えられる。ここで、窒素等の異種元素は、例えば、一例として、グラフェンシートの端部において、6員環のピリジン型の構造や、5員環のピロール型の構造を形成しつつ存在することができる。したがって、本発明で用いる原料化合物においても、5員環または6員環の環構造を有するものであると、異種元素を好適に構造内に導入することができるために好ましい。かかる環式化合物は、環構造が炭素のみで構成された環式化合物であってもよいし、環構造に炭素以外の元素を含む複素環式化合物であってもよい。
In a preferred embodiment of the method for producing a carbon-based catalyst disclosed herein, the cyclic compound is characterized by having a 5-membered ring, a 6-membered ring, or both in a chemical structure.
The carbon-based catalyst obtained in the present invention is considered to have a chemical structure in which some of these are polymerized on the basis of the structure of a cyclic compound that is a raw material compound. Here, different elements such as nitrogen can exist, for example, while forming a 6-membered pyridine structure or a 5-membered pyrrole structure at the end of the graphene sheet. Therefore, it is preferable that the raw material compound used in the present invention has a 5-membered or 6-membered ring structure because a different element can be suitably introduced into the structure. Such a cyclic compound may be a cyclic compound whose ring structure is composed only of carbon, or may be a heterocyclic compound containing an element other than carbon in the ring structure.

ここに開示されるカーボン系触媒の製造方法の好ましい一態様において、上記環式化合物は、アニリン、ピリジン、ピラジンおよびトリアジン、あるいはこれらの誘導体のうちのいずれか1種または2種以上であることを特徴としている。より好ましくは、上記環式化合物は、少なくともトリアジンまたはその誘導体を含むものであり得る。
かかる構成によると、上記の窒素含有環式化合物をモノマー成分とし、これを重合および炭素化した構成のカーボン系触媒を得ることができる。
In a preferred embodiment of the method for producing a carbon-based catalyst disclosed herein, the cyclic compound is aniline, pyridine, pyrazine and triazine, or any one or more of these derivatives. It is a feature. More preferably, the cyclic compound may include at least triazine or a derivative thereof.
According to such a configuration, a carbon-based catalyst having a configuration in which the nitrogen-containing cyclic compound is used as a monomer component and polymerized and carbonized can be obtained.

ここに開示されるカーボン系触媒の製造方法の好ましい一態様において、上記液中に一対の線状電極を配置し、上記プラズマは、上記電極間にパルス幅が0.1μs〜5μsで、周波数が10〜10Hzの直流パルス電圧を印加することで発生させることを特徴としている。
かかる構成によると、線状電極間に生じるジュール熱によって液中に発生する気泡の大部分を水面に向かって浮上させることなく、液中に安定した状態で維持することができ、この気泡中に安定した状態でプラズマを発生させることが可能となる。これにより、より効率よく安定した状態でカーボン系触媒を製造することができる。
In a preferred embodiment of the method for producing a carbon-based catalyst disclosed herein, a pair of linear electrodes are disposed in the liquid, and the plasma has a pulse width of 0.1 μs to 5 μs between the electrodes and a frequency. It is generated by applying a DC pulse voltage of 10 3 to 10 5 Hz.
According to such a configuration, most of the bubbles generated in the liquid by Joule heat generated between the linear electrodes can be maintained in a stable state in the liquid without floating toward the water surface. Plasma can be generated in a stable state. Thereby, the carbon-based catalyst can be produced in a more efficient and stable state.

ここに開示されるカーボン系触媒の製造方法の好ましい一態様において、上記プラズマは、グロー放電プラズマであることを特徴としている。
液中で発生されるプラズマは、火花放電、コロナ放電、グロー放電、アーク放電の形態であり得る。なかでも、液中プラズマのより好ましい形態としてグロー放電プラズマをカーボン系触媒の製造に利用することができる。これにより、非平衡な低温プラズマを発生させることができ、原料化合物の有する構造を破壊することなく、効率的にカーボン系触媒の合成を行うことができる。
In a preferred aspect of the carbon-based catalyst production method disclosed herein, the plasma is glow discharge plasma.
The plasma generated in the liquid can be in the form of spark discharge, corona discharge, glow discharge, arc discharge. Especially, glow discharge plasma can be utilized for manufacture of a carbon-type catalyst as a more preferable form of plasma in liquid. Thereby, non-equilibrium low-temperature plasma can be generated, and the carbon-based catalyst can be efficiently synthesized without destroying the structure of the raw material compound.

ここに開示されるカーボン系触媒の製造方法の好ましい一態様において、上記グロー放電プラズマは、上記液中に発生した気相中に形成されることを特徴としている。
液中のグロー放電プラズマは、液中に配置した電極間に高周波数の電圧を印加することで発生させることができる。かかる構成によると、電極間に発生するジュール熱により液相中に発生される気相の内部に、グロー放電プラズマを定常的に発生させることができる。すなわち、液相/気相/プラズマ相の界面が安定に形成され、プラズマ相で発生された活性種が気相を介して気液界面に供給されるため、カーボン系触媒を高効率で生成することが可能となる。
In a preferred aspect of the carbon-based catalyst production method disclosed herein, the glow discharge plasma is formed in a gas phase generated in the liquid.
The glow discharge plasma in the liquid can be generated by applying a high-frequency voltage between the electrodes arranged in the liquid. According to such a configuration, glow discharge plasma can be steadily generated inside the gas phase generated in the liquid phase by Joule heat generated between the electrodes. That is, a liquid phase / gas phase / plasma phase interface is stably formed, and active species generated in the plasma phase are supplied to the gas-liquid interface via the gas phase, so that a carbon-based catalyst is generated with high efficiency. It becomes possible.

ここに開示されるカーボン系触媒は、固体高分子形燃料電池用の触媒であって、上記のいずれかに記載の製造方法により製造されていることを特徴としている。
上記のカーボン系触媒は、ORR反応に対する活性を示し、また、酸素の4電子還元を実現するものであり得る。したがって、かかるカーボン系触媒は、例えば、固体高分子形燃料電池用のカソード用触媒として好適に用いることができる。
The carbon-based catalyst disclosed herein is a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, and is characterized by being produced by any one of the production methods described above.
The carbon-based catalyst described above exhibits activity for the ORR reaction, and can realize 4-electron reduction of oxygen. Therefore, such a carbon-based catalyst can be suitably used as a cathode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, for example.

カーボン系触媒の製造に用いる液中プラズマ発生装置の構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the in-liquid plasma generator used for manufacture of a carbon-type catalyst. カーボン系触媒の製造に利用する液中プラズマによる反応場の構成を例示した模式図である。It is the schematic diagram which illustrated the structure of the reaction field by the plasma in a liquid utilized for manufacture of a carbon-type catalyst. 一実施形態において製造した(a)ピリジン−カーボン(p−カーボン)および(b)アニリン−カーボン(a−カーボン)のFT−IR測定結果を例示した図である。It is the figure which illustrated the FT-IR measurement result of (a) pyridine-carbon (p-carbon) and (b) aniline-carbon (a-carbon) which were manufactured in one Embodiment. 一実施形態において製造したp−カーボンのサイクリックボルタモグラムを例示した図である。It is the figure which illustrated the cyclic voltammogram of p-carbon manufactured in one Embodiment. 一実施形態において製造したa−カーボンのサイクリックボルタモグラムを例示した図である。It is the figure which illustrated the cyclic voltammogram of a-carbon manufactured in one Embodiment. 一実施形態において製造した(a)p−カーボンおよび(b)a−カーボンの他のサイクリックボルタモグラムを例示した図である。It is the figure which illustrated other cyclic voltammograms manufactured in one Embodiment (a) p-carbon and (b) a-carbon. 一実施形態において製造したカーボン系触媒(a)〜(d)の水素(H)および窒素(N)含有量を示すグラフである。It is a graph which shows hydrogen (H) and nitrogen (N) content of the carbon-type catalyst (a)-(d) manufactured in one Embodiment. (A)(B)は、一実施形態において製造したカーボン系触媒(a)〜(d)のサイクリックボルタモグラムを例示した図である。(A) (B) is the figure which illustrated the cyclic voltammogram of the carbon-type catalyst (a)-(d) manufactured in one Embodiment. 一実施形態において製造したカーボン系触媒(a)〜(d)のFT−IR測定結果を例示した図である。It is the figure which illustrated the FT-IR measurement result of the carbon-type catalyst (a)-(d) manufactured in one Embodiment. 一実施形態において製造したカーボン系触媒の水素(H)および窒素(N)含有量を示すグラフである。It is a graph which shows hydrogen (H) and nitrogen (N) content of the carbon-type catalyst manufactured in one Embodiment.

以下、本発明のカーボン系触媒の製造方法について説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書および図面に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
ここに開示されるカーボン系触媒の製造方法においては、原料化合物として、化学組成に炭素と、炭素、水素および酸素以外の異種元素とを含み、少なくとも一部に環構造を有する環式化合物を用意し、この環式化合物を含む液中でプラズマを発生させる、との手法を採用することで、原料化合物を重合させたカーボン材料を、異種元素を導入しつつ、生成する。
Hereinafter, the manufacturing method of the carbon-type catalyst of this invention is demonstrated. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and the drawings and common general technical knowledge in the field.
In the method for producing a carbon-based catalyst disclosed herein, a cyclic compound having a chemical composition containing carbon and a different element other than carbon, hydrogen, and oxygen and having a ring structure at least partially is prepared as a raw material compound. Then, by adopting a method of generating plasma in a liquid containing the cyclic compound, a carbon material obtained by polymerizing the raw material compound is generated while introducing different elements.

本発明における原料化合物としては、上記のとおり、化学組成に(1)炭素と、(2)炭素、水素および酸素以外の異種元素とを含み、少なくとも一部に環構造を有する環式化合物を特に制限なく用いることができる。すなわち、かかる異種元素と構造とを備える有機質の原料化合物を用いることができる。
異種元素としては、炭素、水素および酸素以外の各種の元素を考慮することができ、例えば、カーボン系触媒をナノシェル化したり、カーボン系触媒にドープ可能で、カーボン系触媒の結晶構造に特殊な「乱れ」を生じさせ得るものを特に制限なく採用することができる。かかる異種元素としては、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)等に代表される遷移金属、ホウ素(B)やケイ素(Si)、リン(P)に代表される半金属、窒素(N)や硫黄(S)に代表される非金属等を考慮することができる。より高い触媒活性を示すカーボン系触媒を製造するためには、異種元素として、ホウ素または窒素の何れか、あるいはその両方を含む環式化合物を用いるのが好ましい。
As a raw material compound in the present invention, as described above, a cyclic compound having (1) carbon and (2) a different element other than carbon, hydrogen, and oxygen in a chemical composition and having a ring structure at least in part is particularly used. Can be used without limitation. That is, an organic raw material compound having such a different element and structure can be used.
As the different elements, various elements other than carbon, hydrogen and oxygen can be considered. For example, a carbon-based catalyst can be made into a nanoshell, or can be doped into a carbon-based catalyst. Anything that can cause "disturbance" can be employed without any particular limitation. Examples of such different elements include transition metals typified by iron (Fe), cobalt (Co), etc., semimetals typified by boron (B), silicon (Si), and phosphorus (P), and nitrogen (N). And nonmetals represented by sulfur (S) can be considered. In order to produce a carbon-based catalyst exhibiting higher catalytic activity, it is preferable to use a cyclic compound containing either or both of boron and nitrogen as the different element.

また、環構造を有する化合物については、上述のとおり、化学構造において構成原子が少なくとも一つの環状に結合した有機化合物の一群を意味する。すなわち、炭素骨格を基本とした環状構造を有する有機化合物を総称するものである。したがって、この環式化合物には、一つの分子中に一つの環が存在する単環化合物や、2以上の環が存在する多環化合物であってよく、また、1種類の元素により環が構成される単素環式化合物や、2種以上の元素により環が構成される複素環式化合物等の多様な環式化合物であってよい。さらには、共役不飽和環構造を有する芳香族環状化合物(典型的には、芳香族炭化水素)や、芳香族性を有しない飽和または不飽和の炭素環を1以上含む脂環式化合物であってよい。好ましくは、不飽和結合を少なくとも一つ有する環状化合物である。かかる環構造を構成する原子の数には制限はなく、例えば、小員環、中員環または大員環を有する化合物であってよく、典型的には、3員環〜10員環程度の環式化合物を考慮することができる。かかる環式化合物は、1種のものを単独で、あるいは2種以上のものを混合して、原料化合物として用いることができる。   In addition, as described above, the compound having a ring structure means a group of organic compounds in which constituent atoms are bonded in a cyclic structure in the chemical structure. That is, it is a general term for organic compounds having a cyclic structure based on a carbon skeleton. Therefore, this cyclic compound may be a monocyclic compound in which one ring exists in one molecule or a polycyclic compound in which two or more rings exist, and the ring is constituted by one kind of element. And various cyclic compounds such as a heterocyclic compound in which a ring is composed of two or more elements. Further, it is an aromatic cyclic compound having a conjugated unsaturated ring structure (typically an aromatic hydrocarbon) or an alicyclic compound containing at least one saturated or unsaturated carbocyclic ring having no aromaticity. It's okay. A cyclic compound having at least one unsaturated bond is preferable. The number of atoms constituting such a ring structure is not limited, and may be, for example, a compound having a small ring, a medium ring, or a large ring, typically about 3 to 10 members. Cyclic compounds can be considered. Such cyclic compounds can be used as a raw material compound alone or in combination of two or more.

かかる原料化合物としての環式化合物は、具体的には、例えば下記に示す構造を有する化合物やその誘導体が典型的なものとして例示される。このような環式化合物は、いずれか1種が単独で含まれていてもよいし、2種以上が混合して含まれていてもよい。   Specific examples of the cyclic compound as the raw material compound include, for example, compounds having the structures shown below and derivatives thereof. Any one of these cyclic compounds may be included alone, or two or more thereof may be mixed and included.

Figure 0006112504
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以上の構造式(a)〜(s)に代表される環式化合物は、置換基を有していても良い。かかる置換基としては、各種の有機官能基であってよく、例えば、一例として、炭化水素基、ヒドロキシ基、アルデヒド基、カルボキシル基、カルボニル基、ハロゲノ基、ケイ素含有官能基、硫黄含有官能基、窒素含有官能基、リン含有官能基が挙げられる。より好ましくは、例えば、炭素数1〜10の直鎖,分岐又は環状のアルキル基,ビニル基,アリール基等に代表される炭化水素基、ヒドロキシ基、アルデヒド基、カルボキシル基、カルボニル基、フルオロ基,クロロ基,ブロモ基等のハロゲノ基、アルキルシリル基等に代表されるケイ素含有官能基、チオール基、スルホ基等に代表される硫黄含有官能基、アルデヒド基、ニトロ基等に代表される窒素含有官能基、ホスホン酸基等に代表されるリン含有官能基が挙げられる。
また、環式化合物としては、以上の構造式(a)〜(s)に代表される環式化合物を構造の一部に含む形態のものであっても良い。例えば、構造式(g)に示されるピリジンを構造の一部に含むビピリジン化合物やフェニルピリジン化合物等のような化合物であってよい。また、例えば、構造式(a)に示されるピロールや構造式(d)に示されるチオフェンが、それぞれ複数結合した形態のポリピロールやポリチオフェン等に代表されるポリマー等であってよい。
以上のことからも明らかなように、本発明における原料化合物には、異種元素としてでなければ、水素および酸素が当然のものとして含まれ得る。
The cyclic compounds represented by the above structural formulas (a) to (s) may have a substituent. Such substituents may be various organic functional groups, for example, hydrocarbon groups, hydroxy groups, aldehyde groups, carboxyl groups, carbonyl groups, halogeno groups, silicon-containing functional groups, sulfur-containing functional groups, as an example. Examples thereof include nitrogen-containing functional groups and phosphorus-containing functional groups. More preferably, for example, a hydrocarbon group represented by a linear, branched or cyclic alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a vinyl group, an aryl group, a hydroxy group, an aldehyde group, a carboxyl group, a carbonyl group, a fluoro group. , Chloro, bromo and other halogeno groups, silicon-containing functional groups such as alkylsilyl groups, sulfur-containing functional groups such as thiol groups and sulfo groups, aldehyde groups, nitro groups and other nitrogen groups Examples thereof include phosphorus-containing functional groups typified by a containing functional group and a phosphonic acid group.
Moreover, as a cyclic compound, the thing of the form which contains the cyclic compound represented by the above structural formula (a)-(s) in a part of structure may be sufficient. For example, it may be a compound such as a bipyridine compound or a phenylpyridine compound containing pyridine represented by the structural formula (g) as part of its structure. Further, for example, pyrrole represented by the structural formula (a) or thiophene represented by the structural formula (d) may be a polymer represented by polypyrrole, polythiophene, or the like in a form in which a plurality of them are bonded.
As is clear from the above, the raw material compound in the present invention can naturally contain hydrogen and oxygen unless they are different elements.

なお、グラフェンシートに類似の構成を有するカーボン系触媒を好適に製造するためには、5員環または6員環あるいはその両方を化学構造に有する環式化合物を用いるのが好ましい。あるいは、5員環を化学構造に有する環式化合物と6員環を化学構造に有する環式化合物との両方を原料化合物とするのが好ましい。また、製造されるカーボン系触媒の化学構造をより詳細に制御するためには、環式化合物として、例えば、化学構造内に5員環または6員環の環構造を1つ有する単環化合物を少なくとも用いるのが好ましい。より好ましくは6員環の環構造を1つ有する化合物である。かかる環式化合物としては、アニリン、ピリジン、ピラジン、トリアジンまたはこれらの誘導体が例示される。また、4電子系反応による酸素還元活性を示すカーボン系触媒を製造するためには、環構造が炭素のみで構成された環式化合物であるよりは、環構造に炭素以外の元素を含む複素環式化合物を用いるのが好ましい。かかる複素環式化合物としては、例えば、ピリジン、トリアジンおよびその誘導体等が例示され、これらは上述のように、単独で、あるいは他の環式化合物と混合して原料化合物として用いることができる。特に、原料化合物は、少なくともトリアジンおよびその誘導体を含んでいることが好適な例として示される。   In order to suitably produce a carbon-based catalyst having a configuration similar to a graphene sheet, it is preferable to use a cyclic compound having a 5-membered ring, a 6-membered ring, or both in the chemical structure. Alternatively, it is preferable to use both a cyclic compound having a 5-membered ring in the chemical structure and a cyclic compound having a 6-membered ring in the chemical structure as raw material compounds. In order to control the chemical structure of the carbon-based catalyst to be produced in more detail, for example, a monocyclic compound having one 5-membered or 6-membered ring structure in the chemical structure is used as the cyclic compound. It is preferable to use at least. A compound having one 6-membered ring structure is more preferable. Examples of such cyclic compounds include aniline, pyridine, pyrazine, triazine or derivatives thereof. Also, in order to produce a carbon-based catalyst exhibiting oxygen reduction activity by a four-electron reaction, a heterocyclic ring containing an element other than carbon in the ring structure rather than a cyclic compound in which the ring structure is composed of only carbon. Preference is given to using formula compounds. Examples of such heterocyclic compounds include pyridine, triazine and derivatives thereof, and these can be used alone or as a raw material compound by mixing with other cyclic compounds as described above. In particular, it is shown as a preferable example that the raw material compound contains at least triazine and a derivative thereof.

以上の原料化合物は、例えば、常温常圧(典型的には、25℃、1atm。以下同じ。)において液体であり得る。このことから、原料化合物を含む液(液相)としては、原料化合物100%からなる液体を用いることができる。また、かかる原料化合物が適切な溶媒で希釈された溶液であっても良い。この場合の溶媒は特に制限されず、水、アルコールやベンゼン等の有機溶媒、あるいはこれらの混合溶媒等であってよい。なお、原料化合物が常温常圧において固体である場合には、これを適切な溶媒に溶解した溶液や、原料化合物を微視的に分散させた分散液の形態であってよい。溶液中に含まれる原料化合物の量は、適宜に調整することができる。   The above raw material compounds may be liquid at room temperature and normal pressure (typically 25 ° C., 1 atm, the same applies hereinafter). From this, as a liquid (liquid phase) containing a raw material compound, the liquid which consists of 100% of raw material compounds can be used. Moreover, the solution which such a raw material compound diluted with the suitable solvent may be sufficient. The solvent in this case is not particularly limited, and may be water, an organic solvent such as alcohol or benzene, or a mixed solvent thereof. When the raw material compound is solid at normal temperature and pressure, it may be in the form of a solution in which this is dissolved in an appropriate solvent or a dispersion in which the raw material compound is microscopically dispersed. The amount of the raw material compound contained in the solution can be appropriately adjusted.

そして、本発明のカーボン系触媒の製造方法では、原料化合物の重合および炭素化の反応場として、該液中で発生させる液中プラズマを利用するようにしている。すなわち、プラズマを構成する正負のイオン、電子およびラジカル等の活性種の作用によって、液中に含まれる原料化合物の重合反応と、炭素骨格の形成とが実現される。このようにして製造されるカーボン系触媒は、その具体的な組成や構造に関わらず、液中プラズマによる処理が進行するにつれて人間の目には無色透明であった液が褐色を経て黒色に変化することから、典型的には有機質からなる原料化合物が無機炭素へと転換されることが確認できる。この現象は、セルロース等の有機高分子材料等において、炭化が進むに従い酸素や水素が失われて炭素濃度が上がり、外観が褐色から黒色に変わってゆくのと同様の変化である。
かかる重合および炭素化において、カーボン系触媒に異種元素が導入されることにより、結晶構造に特殊な「乱れ」が生じると考えられ、酸素還元反応に対する活性を備えたものとなる。かかる酸素還元反応は、例えば、白金触媒と同様の4電子系反応によるものとなり得る。
In the method for producing a carbon-based catalyst of the present invention, in-liquid plasma generated in the liquid is used as a reaction field for polymerization and carbonization of the raw material compound. That is, by the action of active species such as positive and negative ions, electrons and radicals constituting the plasma, the polymerization reaction of the raw material compound contained in the liquid and the formation of the carbon skeleton are realized. Regardless of its specific composition and structure, the carbon-based catalyst produced in this way changes from a colorless and transparent liquid to the human eye as it undergoes treatment with plasma in liquid, and then turns brown to black. Therefore, it can be confirmed that the raw material compound typically made of an organic material is converted into inorganic carbon. This phenomenon is similar to an organic polymer material such as cellulose, in which oxygen and hydrogen are lost as the carbonization proceeds, the carbon concentration increases, and the appearance changes from brown to black.
In such polymerization and carbonization, the introduction of a different element into the carbon-based catalyst is considered to cause a special “disturbance” in the crystal structure, which has activity for oxygen reduction reaction. Such an oxygen reduction reaction can be, for example, a four-electron reaction similar to that of a platinum catalyst.

ここで、上記の反応場となる液中プラズマは、液体中に発生された気体(気相)にマイクロ波や高周波を印加して当該気体を構成する分子を部分的ないしは完全に電離させることで、形成することができる。つまり、液中プラズマにおいては、プラズマ相を取り囲む気相はさらに液相に取り囲まれており、プラズマを構成する上記のイオン、電子およびラジカル等の活性種は制限された気相中において自由に運動し得る状態である。そのため、解放された気相中に発生される気相プラズマ(典型的には、大気圧プラズマ、低圧プラズマ等)とは異なる物理的および化学的性質を示す。例えば、気相プラズマは、気体の温度を上げて行った際にこの気体を構成する中性分子が電離してプラズマ化することで発生する。このとき、固体・液体・気体間の相転移とは異なり気体からプラズマへの転移は徐々に起こるため、構成分子のごく一部が電離した電離度が非常に低い状態でも充分にプラズマであり得る。これに対し液中プラズマは、典型的には、まず液中での放電により当該液体がジュール加熱により気化されて気相を形成し、さらにこの気相においてプラズマが発生することで形成される。すなわち、液中プラズマは、プラズマという高エネルギー状態が液中(すなわち凝縮相)に閉じ込められており、閉鎖系の物理が実現するとともに、解放されない高密度なプラズマ反応場が形成されているといえる。したがって、本発明では、原料化合物である環式化合物をかかる高密度なプラズマ反応場に置くことにより、例えば重合工程および炭素化工程といった複数の工程を経ることなく、ワンステップでカーボン系触媒を得ることを実現している。   Here, the above-mentioned plasma in the liquid as the reaction field is obtained by applying a microwave or a high frequency to a gas (gas phase) generated in the liquid to partially or completely ionize molecules constituting the gas. Can be formed. In other words, in the plasma in liquid, the gas phase surrounding the plasma phase is further surrounded by the liquid phase, and the active species such as ions, electrons and radicals constituting the plasma freely move in the limited gas phase. This is a possible state. Therefore, it exhibits physical and chemical properties that are different from gas phase plasma (typically atmospheric pressure plasma, low pressure plasma, etc.) generated in the released gas phase. For example, gas phase plasma is generated when neutral molecules constituting the gas are ionized and turned into plasma when the temperature of the gas is raised. At this time, unlike the phase transition between solid, liquid, and gas, the transition from gas to plasma occurs gradually, so that even a very small amount of ionization of constituent molecules can be sufficiently plasma. . On the other hand, the plasma in liquid is typically formed by first vaporizing the liquid by Joule heating by discharge in the liquid to form a gas phase, and further generating plasma in the gas phase. In other words, in the plasma in liquid, a high energy state called plasma is confined in the liquid (that is, the condensed phase), which realizes a closed system physics and forms a high-density plasma reaction field that is not released. . Therefore, in the present invention, by placing the cyclic compound as the raw material compound in such a high-density plasma reaction field, a carbon-based catalyst is obtained in one step without going through a plurality of steps such as a polymerization step and a carbonization step. Has realized.

また、原料化合物についても、気相プラズマにおいては気相として供給されるものの、液中プラズマにおいては液相として供給される。すなわち、本発明では、原料化合物である環式化合物が液相を介して反応場に高密度で供給される。したがって、本発明の製造方法においては、原料化合物である環式化合物からカーボン系触媒を高効率で製造することができる。   The raw material compound is also supplied as a gas phase in the gas phase plasma, but is supplied as a liquid phase in the liquid plasma. That is, in the present invention, the cyclic compound as the raw material compound is supplied to the reaction field at a high density via the liquid phase. Therefore, in the production method of the present invention, a carbon-based catalyst can be produced with high efficiency from a cyclic compound that is a raw material compound.

なお、以上のような液中プラズマは、電極間にかかる電位差の違い等によって、雷のような火花放電、コロナ放電、グロー放電、アーク放電等に分類される。火花放電が継続的に流れるとグロー放電あるいはアーク放電となる。ここで、液中で発生されるグロー放電プラズマ(以下、ソリューションプラズマとも言う。)は、その他の液中プラズマに対して、さらに異なる特徴を有している。例えば、アーク放電プラズマは粒子密度が高く、イオンや中性粒子の温度が電子温度とほぼ等しい局所熱平衡状態にある熱プラズマである。これに対し、グロー放電プラズマは、電子温度は高いがイオンや中性粒子の温度が低い非平衡状態にある低温プラズマである。また、コロナ放電では連続的なプラズマの発生は難しいことに加え、水の分解により水素ラジカルと共に酸化性のヒドロキシラジカルが比較的多く形成されるという特徴がある。これに対し、グロー放電プラズマではプラズマの持つエネルギーが高く、酸化性のヒドロキシラジカルがさらに分解されて還元性の水素ラジカルが多く生成される。   The above-mentioned plasma in liquid is classified into spark discharge such as lightning, corona discharge, glow discharge, arc discharge, etc., depending on the difference in potential applied between the electrodes. When the spark discharge continuously flows, it becomes glow discharge or arc discharge. Here, glow discharge plasma (hereinafter also referred to as solution plasma) generated in the liquid has different characteristics from other liquid plasmas. For example, the arc discharge plasma is a thermal plasma having a high particle density and a local thermal equilibrium state in which the temperature of ions and neutral particles is substantially equal to the electron temperature. In contrast, glow discharge plasma is a low-temperature plasma in a non-equilibrium state in which the electron temperature is high but the temperature of ions and neutral particles is low. In addition, it is difficult to generate a continuous plasma by corona discharge, and there is a feature that a relatively large amount of oxidizing hydroxy radicals are formed together with hydrogen radicals by decomposition of water. On the other hand, glow discharge plasma has high plasma energy, and oxidizing hydroxy radicals are further decomposed to generate many reducing hydrogen radicals.

かかるグロー放電プラズマは、サブマイクロ秒のパルス幅の電圧を、高い繰り返し周波数で印加することにより、比較的安定して発生可能であることから、プラズマ相を囲む液体の膨張・圧縮運動とプラズマ相とは連動しつつ安定な状態が長時間(例えば、2時間以上)維持され得る。そのため、例えば、ソリューションプラズマにおいては、電極間に発生される気相はその一部が浮力により電極間から浮上して液表面に到達することがあり得るものの、その大部分は電極間に一定の大きさの気相として定常的に維持される。したがって、ソリューションプラズマにおいてはプラズマの発生状態を常にコントロールすることができる。また、ソリューションプラズマは、常温(典型的には、25℃)、常圧(典型的には1気圧)の環境下においても好適に発生させることができる。本発明のカーボン系触媒の製造方法では、このような制御されたプラズマを利用することを好ましい形態としており、より高効率なカーボン系触媒の製造が可能とされる。発生したプラズマがグロー放電プラズマであるかどうかは、例えば、プラズマ発光分光分析等により求められるタウンゼント第2係数が0.0005〜0.005の範囲にあることで確認することができる。   Such glow discharge plasma can be generated relatively stably by applying a voltage with a pulse width of submicroseconds at a high repetition frequency. Therefore, the expansion / compression motion of the liquid surrounding the plasma phase and the plasma phase And a stable state can be maintained for a long time (for example, 2 hours or more). Therefore, for example, in the solution plasma, a part of the gas phase generated between the electrodes may rise from the electrodes due to buoyancy and reach the liquid surface, but most of the gas phase is constant between the electrodes. It is constantly maintained as a large gas phase. Therefore, in the solution plasma, the plasma generation state can always be controlled. Further, the solution plasma can be suitably generated even in an environment of normal temperature (typically 25 ° C.) and normal pressure (typically 1 atm). In the method for producing a carbon-based catalyst of the present invention, it is preferable to use such a controlled plasma, and a more efficient carbon-based catalyst can be produced. Whether or not the generated plasma is glow discharge plasma can be confirmed by, for example, the Townsend second coefficient obtained by plasma emission spectroscopic analysis or the like being in the range of 0.0005 to 0.005.

以下、本発明の好適な実施形態としての、ソリューションプラズマを反応場としたカーボン系触媒の製造を例にして、本発明のカーボン系触媒の製造方法についてより詳細に説明する。
図1は、液(液相)2中でソリューションプラズマ4を発生させるためのソリューションプラズマ発生装置10の概略を示す図である。この実施形態において、原料化合物を含む液2は、ガラス製のビーカーなどの容器5に入れられている。また、プラズマを発生させるための一対の電極6は所定の間隔を以て液2中に配設され、絶縁部材9を介して容器5に保持されている。電極6は外部電源8に接続されており、この外部電源8から所定の条件のパルス電圧が印加される。これによって、一対の電極6間に、定常的にソリューションプラズマ4を発生させることができる。
Hereinafter, the production method of a carbon-based catalyst of the present invention will be described in more detail by taking as an example the production of a carbon-based catalyst using solution plasma as a reaction field as a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a solution plasma generator 10 for generating a solution plasma 4 in a liquid (liquid phase) 2. In this embodiment, the liquid 2 containing the raw material compound is put in a container 5 such as a glass beaker. A pair of electrodes 6 for generating plasma is disposed in the liquid 2 at a predetermined interval and is held in the container 5 via an insulating member 9. The electrode 6 is connected to an external power supply 8, and a pulse voltage of a predetermined condition is applied from the external power supply 8. As a result, the solution plasma 4 can be constantly generated between the pair of electrodes 6.

電極6としては、例えば、平板状電極や棒状電極およびその組み合わせ等の様々な形態であってよく、その材質についても特に制限はない。この実施形態においては、電界を局所的に集中させることが可能なタングステンからなる線状電極(針状電極)6を用いているが、その他鉄、白金等の他の金属材料からなる電極を用いるようにしてもよい。かかる電極6は、電界集中を妨げる余分な電流を抑えるために、先端部(例えば、数mm程度)のみを露出させ、後の部分は絶縁部材9等で絶縁しておくことが望ましい。絶縁部材9は、例えばゴム製あるいは樹脂(例えば、フッ素樹脂)製であることが例示される。この実施形態では、絶縁部材9は電極6を容器5に固定するとともに、電極6と容器5との水密を保つための栓をも兼ねた構成である。かかる装置10において、ソリューションプラズマを発生させるためのパルス電圧の印加条件は、液2中に含まれる原料化合物の種類やその濃度等の条件、さらには装置10の構成条件等にもよるものの、より具体的な一例として、電圧(二次電圧):約1〜2kV、周波数:約10〜30kHz、パルス幅:約0.5〜3μsの範囲とすることが例示される。   The electrode 6 may be in various forms such as a plate electrode, a rod electrode, and a combination thereof, and the material thereof is not particularly limited. In this embodiment, a linear electrode (needle electrode) 6 made of tungsten capable of locally concentrating an electric field is used, but an electrode made of another metal material such as iron or platinum is used. You may do it. In order to suppress an excessive current that hinders electric field concentration, it is desirable that the electrode 6 exposes only the front end portion (for example, about several millimeters) and the rear portion is insulated by an insulating member 9 or the like. For example, the insulating member 9 is made of rubber or resin (for example, fluororesin). In this embodiment, the insulating member 9 has a configuration in which the electrode 6 is fixed to the container 5 and also serves as a stopper for keeping the electrode 6 and the container 5 watertight. In such an apparatus 10, the application conditions of the pulse voltage for generating the solution plasma depend on conditions such as the type and concentration of the raw material compound contained in the liquid 2, and further on the configuration conditions of the apparatus 10. As a specific example, voltage (secondary voltage): about 1 to 2 kV, frequency: about 10 to 30 kHz, and pulse width: about 0.5 to 3 μs are exemplified.

また、原料化合物としては、例えば、上記の例示の中から、一例として、窒素含有複素環式化合物を用いることができる。より具体的には、例えば、ピリジン、トリアジン、ピペリジン、ピリミジン、インドール、キノリン、イソキノリン、プリン等である。そして、例えば、ピリジン(ピリジン100%)を用意し、本発明における原料化合物を含む液2とすることができる。
かかる液2は、安定したソリューションプラズマの発生を可能とするために、電気伝導度は300μS・cm−1〜3000μS・cm−1程度の範囲であるのが好ましい。電気伝導度が300μS・cm−1未満であると、ソリューションプラズマの発生に多くの電力を要し、好適にソリューションプラズマを発生し難くなるために好ましくない。また、電気伝導度が3000μS・cm−1を超過する場合は、プラズマ発生のために電極間に投入した電力がイオン電流として消費されてしまい、定常的にプラズマを発生させるのが困難となるために好ましくない。
Moreover, as a raw material compound, a nitrogen-containing heterocyclic compound can be used as an example from said illustration, for example. More specifically, for example, pyridine, triazine, piperidine, pyrimidine, indole, quinoline, isoquinoline, purine and the like. For example, pyridine (100% pyridine) is prepared, and the liquid 2 containing the raw material compound in the present invention can be obtained.
The liquid 2 preferably has an electric conductivity in the range of about 300 μS · cm −1 to about 3000 μS · cm −1 in order to enable generation of stable solution plasma. If the electric conductivity is less than 300 μS · cm −1 , a large amount of electric power is required to generate the solution plasma, and it is difficult to generate the solution plasma suitably. In addition, when the electrical conductivity exceeds 3000 μS · cm −1 , the electric power supplied between the electrodes for plasma generation is consumed as an ionic current, which makes it difficult to generate plasma constantly. It is not preferable.

そして、ソリューションプラズマ発生装置10により液2中に上記のパルス電圧を印加することで、ソリューションプラズマ4が形成される。ソリューションプラズマ発生装置10により発生されるプラズマ反応場は、例えば、図2に示したような構成となる。すなわち、液(液相)2中に気相3が形成され、この気相3中にソリューションプラズマ(プラズマ相)4が形成されている。このプラズマ反応場は、電極6間に定常的に維持されている。かかるプラズマ反応場では、プラズマ相4から液相2に向かって、高いエネルギーを有した電子、イオン、ラジカル等の活性種が供給される。一方、液相2から気相3およびプラズマ相4に向けては、液相2に含まれる原料化合物(図2中にCで示される。)が供給される。そしてこれらは、主として液相2と気相3の界面において接触(衝突)する。なお、図2では理解を容易にするために、液相2と気相3、気相3とプラズマ相4の間の各界面が略球状に明確に形成されたような様子を示しているが、かかる界面は必ずしも明確に形成されることに限定されない。例えば、気相3とプラズマ相4の間の界面に臨界的なものがなく、かかる界面は空間的な広がりを持っていても良い。   Then, the solution plasma 4 is formed by applying the pulse voltage in the liquid 2 by the solution plasma generator 10. The plasma reaction field generated by the solution plasma generator 10 has a configuration as shown in FIG. 2, for example. That is, a gas phase 3 is formed in the liquid (liquid phase) 2, and a solution plasma (plasma phase) 4 is formed in the gas phase 3. This plasma reaction field is constantly maintained between the electrodes 6. In such a plasma reaction field, active species such as electrons, ions and radicals having high energy are supplied from the plasma phase 4 toward the liquid phase 2. On the other hand, from the liquid phase 2 toward the gas phase 3 and the plasma phase 4, a raw material compound (indicated by C in FIG. 2) contained in the liquid phase 2 is supplied. These contact (collision) mainly at the interface between the liquid phase 2 and the gas phase 3. For the sake of easy understanding, FIG. 2 shows a state in which each interface between the liquid phase 2 and the gas phase 3 and between the gas phase 3 and the plasma phase 4 is clearly formed in a substantially spherical shape. The interface is not necessarily limited to being clearly formed. For example, there is no critical interface between the gas phase 3 and the plasma phase 4, and this interface may have a spatial extent.

以上の構成によると、例えば、ソリューションプラズマの作用によって、原料化合物が重合されて炭素化され、カーボン系触媒が形成される。収量については反応系にもより異なるため一概には言えないものの、例えば、下記に例示するような実施形態においては、約1g/30分でカーボン系触媒を製造することができる。このカーボン系触媒は、例えばごく微細な微粒子として液中に分散された状態で生成される。この微粒子は、例えば、直径が数nm〜数十nm程度(例えば、20nm〜50nm程度)の一次粒子が集合して構成される、粒径が数μm程度の二次粒子の形態であり得る。そのため、例えば、ろ過や乾燥等の手段により溶媒を除去することで回収することができる。カーボン系触媒は、溶媒の除去により、典型的には凝集した状態で得られる。このような場合には、例えば、凝集状態にあるカーボン系触媒を粉砕等の手段により所望の大きさ(粒径)に調整すればよい。   According to the above configuration, for example, the raw material compound is polymerized and carbonized by the action of solution plasma to form a carbon-based catalyst. Although the yield varies depending on the reaction system and cannot be generally stated, for example, in the embodiment exemplified below, the carbon-based catalyst can be produced at about 1 g / 30 minutes. The carbon-based catalyst is generated, for example, in a state of being dispersed in a liquid as very fine particles. For example, the fine particles may be in the form of secondary particles having a diameter of about several μm, which are configured by aggregating primary particles having a diameter of about several nm to several tens of nm (for example, about 20 nm to 50 nm). Therefore, it can collect | recover by removing a solvent by means, such as filtration and drying, for example. The carbon-based catalyst is typically obtained in an aggregated state by removing the solvent. In such a case, for example, the carbon catalyst in an agglomerated state may be adjusted to a desired size (particle size) by means such as pulverization.

以上、好適な実施形態に基づきカーボン系触媒の製造方法について説明したが、かかる製造方法はこの例に限定されず、適宜に態様を変化して行うことができる。例えば、原料化合物を含む液には、本願発明の目的を損ねない範囲において、原料化合物以外の化合物が含まれていても良い。また、ソリューションプラズマの発生に際しては、必ずしもタングステンからなる針状電極を用いる必要はなく、例えば、他の導電性材料からなる任意の形状の電極を用いるようにしても良い。さらには、電極を用いることなく、低インダクタンスの誘導コイルによりソリューションプラズマを発生するようにしても良い。また、液中プラズマは、ソリューションプラズマ(グロー放電プラズマ)によるものに限定されず、例えば、液中でのアーク放電プラズマ等を利用して実施しても良い。   As mentioned above, although the manufacturing method of the carbon-type catalyst was demonstrated based on suitable embodiment, this manufacturing method is not limited to this example, It can change and change an aspect suitably. For example, the liquid containing the raw material compound may contain a compound other than the raw material compound as long as the object of the present invention is not impaired. In generating solution plasma, it is not always necessary to use a needle-like electrode made of tungsten. For example, an electrode having an arbitrary shape made of another conductive material may be used. Further, solution plasma may be generated by an induction coil having a low inductance without using an electrode. Moreover, the plasma in liquid is not limited to that by solution plasma (glow discharge plasma), and for example, arc plasma in liquid may be used.

以上の通り、本発明のカーボン系触媒の製造方法は、これまでにないプラズマ反応場を利用した新規なカーボン系触媒の製造手法であって、新規な特性を有する物質の創製あるいは新しい材料の探索、ならびに異種元素含有カーボン触媒の新機能の展開の可能性をも含むものであり得る。
次に、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
As described above, the method for producing a carbon-based catalyst of the present invention is a novel method for producing a carbon-based catalyst using an unprecedented plasma reaction field, and the creation of a substance having novel characteristics or the search for a new material is performed. As well as the possibility of developing new functions of carbon catalysts containing different elements.
Next, some examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.

(実施形態1)
原料化合物として、常温で液体の(a)ピリジン(和光純薬工業(株)製、有機合成用ピリジン(脱水))と(b)アニリン(和光純薬工業(株)製、試薬一級)とを用意し、これらを原料化合物含有液(a)(b)として用いた。
次いで、以下の装置を用い、これら原料化合物含有液(a)(b)中でプラズマを発生させた。図1は、液中でプラズマを発生させるためのソリューションプラズマ発生装置10の概略を示す図である。この実施形態において、上記で用意した(a)(b)の原料化合物含有液2は、それぞれガラス製のビーカーからなる容器5に入れ、マグネチックスターラーからなる撹拌装置7により撹拌を行っている。また、プラズマを発生させるための一対の電極6は所定の間隔を以て原料化合物含有液2中に配設され、絶縁部材9を介して容器5に保持されている。この実施形態においては、電界を局所的に集中させることが可能な針状の電極6を用いた。電極6は、直径が1.0mmのタングステンワイヤー(ニラコ社製)で構成し、電極間距離を0.3mmに設定した他、電界集中を妨げる余分な電流を抑えるために先端部(例えば、数mm程度)のみを露出させて、後の部分はフッ素樹脂からなる絶縁部材9で絶縁した。この実施形態では、絶縁部材9は電極6を容器5に固定するとともに、電極6と容器5との水密を保つための栓をも兼ねた構成となっている。電極6は外部電源8に接続されており、この外部電源8から所定の条件のパルス電圧が印加される。外部電源8としては、バイポーラパルス電源(株式会社栗田製作所製、MPS−R06K02C−WP1F)を用いた。
(Embodiment 1)
As a raw material compound, (a) pyridine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., pyridine for organic synthesis (dehydration)) and (b) aniline (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., reagent grade 1) which are liquid at room temperature These were prepared and used as the raw material compound-containing liquids (a) and (b).
Next, plasma was generated in these raw material compound-containing liquids (a) and (b) using the following apparatus. FIG. 1 is a diagram showing an outline of a solution plasma generator 10 for generating plasma in a liquid. In this embodiment, the raw material compound-containing liquid 2 of (a) and (b) prepared above is put into a container 5 made of a glass beaker and stirred by a stirring device 7 made of a magnetic stirrer. A pair of electrodes 6 for generating plasma are disposed in the raw material compound-containing liquid 2 at a predetermined interval, and are held in the container 5 via an insulating member 9. In this embodiment, the needle-like electrode 6 capable of concentrating the electric field locally is used. The electrode 6 is composed of a tungsten wire (manufactured by Nilaco) having a diameter of 1.0 mm, the distance between the electrodes is set to 0.3 mm, and a tip portion (for example, several (only about mm) was exposed, and the rear part was insulated with an insulating member 9 made of fluororesin. In this embodiment, the insulating member 9 is configured to fix the electrode 6 to the container 5 and also serve as a stopper for keeping the water-tightness between the electrode 6 and the container 5. The electrode 6 is connected to an external power supply 8, and a pulse voltage of a predetermined condition is applied from the external power supply 8. As the external power source 8, a bipolar pulse power source (manufactured by Kurita Manufacturing Co., Ltd., MPS-R06K02C-WP1F) was used.

本実施形態においてソリューションプラズマを発生させるためのパルス電圧の印加条件は、二次電圧:1500V、パルス幅:1.0μs、繰り返し周波数:20kHzとし、この条件で各原料化合物含有液2中にソリューションプラズマを30分間発生させた。
原料化合物含有液(a)(b)はいずれも無色透明であったが、ソリューションプラズマの発生直後から黄色みを帯び、約5分後には褐色に変色し、約10分後には黒色で不透明に変化した。この変色は、原料化合物であるピリジンおよびアニリンが重合してグラファイト骨格を形成したためであると考えられる。このようなソリューションプラズマによる処理の後、溶液を約100℃で乾燥させると、ビーカーの底に黒色の粉末が得られた。原料化合物含有液(a)(b)中で約30分間ずつソリューションプラズマを発生させることにより、約0.74gずつの黒色粉末を得た。この粉末を乳鉢で粉砕して微細化し、下記の分析に供した。以下、ピリジン溶液から得られた黒色粉末を(a)p−カーボン、アニリン溶液から得られた黒色粉末を(b)a−カーボンと称する。
In this embodiment, the application conditions of the pulse voltage for generating the solution plasma are the secondary voltage: 1500 V, the pulse width: 1.0 μs, and the repetition frequency: 20 kHz. Under these conditions, the solution plasma is contained in each raw material compound-containing liquid 2. Was generated for 30 minutes.
The raw material compound-containing liquids (a) and (b) were both colorless and transparent, but became yellowish immediately after the generation of the solution plasma, turned brown after about 5 minutes, and became black and opaque after about 10 minutes. changed. This discoloration is considered to be due to polymerization of the raw material compounds pyridine and aniline to form a graphite skeleton. After treatment with such solution plasma, the solution was dried at about 100 ° C., and a black powder was obtained at the bottom of the beaker. By generating solution plasma in the raw material compound-containing liquids (a) and (b) for about 30 minutes each, about 0.74 g of black powder was obtained. The powder was pulverized in a mortar and refined and subjected to the following analysis. Hereinafter, the black powder obtained from the pyridine solution is referred to as (a) p-carbon, and the black powder obtained from the aniline solution is referred to as (b) a-carbon.

<FT−IR測定>
上記で得られた(a)p−カーボンおよび(b)a−カーボンについて、KBr錠剤法によるフーリエ変換赤外吸収分光測定(FT−IR;(株)島津製作所製,FTIR8400S、制御ソフトウェア;IRPrestige−21)を行い、分子構造の同定を行った。得られたFT−IRスペクトルを図3に示した。図3中の(a)はp−カーボンから、(b)はa−カーボンから取得された、4000〜500cm−1の領域のスペクトルである。
図3に示された通り、(a)(b)何れのスペクトルにも、2100〜2300cm−1付近に原料化合物には見られないCとNとの三重結合(ニトリル結合)の伸縮振動に帰属される吸収が観測された。全体としては、(a)p−カーボンはCとNとの三重結合に帰属するピークが優勢であり、(b)a−カーボンはCとNとの二重結合(C=O)に帰属するピークが優勢である。これらのことから、(a)p−カーボンの方が(b)a−カーボンよりも、表面により多くの窒素(N)が存在していると考えられる。
<FT-IR measurement>
For the (a) p-carbon and (b) a-carbon obtained above, Fourier transform infrared absorption spectrometry (FT-IR; manufactured by Shimadzu Corporation, FTIR8400S, control software; IRPrestig- 21) and molecular structure was identified. The obtained FT-IR spectrum is shown in FIG. In FIG. 3, (a) is a spectrum of a region of 4000 to 500 cm −1 obtained from p-carbon and (b) is obtained from a-carbon.
As shown in FIG. 3, in any of the spectra (a) and (b), it belongs to the stretching vibration of the triple bond (nitrile bond) of C and N which is not found in the raw material compound in the vicinity of 2100 to 2300 cm −1. Absorption was observed. Overall, (a) p-carbon has a dominant peak attributed to the triple bond of C and N, and (b) a-carbon belongs to the double bond of C and N (C = O). The peak is dominant. From these facts, it is considered that (a) p-carbon has more nitrogen (N) on the surface than (b) a-carbon.

<CV測定1>
上記で得られた黒色粉末からなる(a)p−カーボンおよび(b)a−カーボンを触媒として、三電極電気化学セル法により電気化学的特性の評価を行った。本CV測定では、酸性溶液中の溶存酸素の還元反応についての触媒作用を評価した。測定用触媒電極(作用極)は、次の手順で用意した。すなわち、(a)p−カーボンまたは(b)a−カーボンの粉末5.0mgと、バインダとしてのナフィオン(登録商標)溶液50μLと、溶媒としてのエタノール50μLを混合し、超音波にて15分間撹拌して触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストをグラッシーカーボン電極の表面に25μL滴下して乾燥させることで触媒層を形成し、測定用触媒電極とした。
<CV measurement 1>
The electrochemical characteristics were evaluated by the three-electrode electrochemical cell method using (a) p-carbon and (b) a-carbon made of the black powder obtained above as catalysts. In this CV measurement, the catalytic action on the reduction reaction of dissolved oxygen in the acidic solution was evaluated. A measurement catalyst electrode (working electrode) was prepared by the following procedure. Specifically, (a) p-carbon or (b) a-carbon powder (5.0 mg), Nafion (registered trademark) solution (50 μL) as a binder, and ethanol (50 μL) as a solvent are mixed, and stirred for 15 minutes by ultrasonic waves. Thus, a catalyst paste was prepared. 25 μL of this catalyst paste was dropped on the surface of the glassy carbon electrode and dried to form a catalyst layer, which was used as a measurement catalyst electrode.

CV測定条件は以下の通りとした。
作用極 :グラッシーカーボンと、(a)p−カーボンまたは(b)a−カーボン
参照極 :Ag/AgCl(飽和KCl)
対極 :Pt
支持電解質:0.5M硫酸
CV measurement conditions were as follows.
Working electrode: Glassy carbon and (a) p-carbon or (b) a-carbon Reference electrode: Ag / AgCl (saturated KCl)
Counter electrode: Pt
Supporting electrolyte: 0.5M sulfuric acid

すなわち、25℃に保持された0.5M硫酸水溶液中に上記作用電極を浸漬し、対極として白金電極、参照極として飽和KNO溶液に浸漬させた銀塩化銀電極を用いて、三電極式電気化学セルを構築した。この電気化学セルをポテンショスタットに接続して、サイクリックボルタンメトリー(CV)測定を行った。測定は、まず、電解質溶液中で酸素ガスを30分間以上バブリングさせて酸素を飽和させ、走査速度100mV/sec、走査範囲−1.0〜1.2Vの範囲で20サイクルの電極クリーニングを行いCV波形が安定することを確認した後、走査速度100mV/sec、走査範囲−1.0〜1.2Vで掃引した際の電流を電位の関数として記録した。その結果をサイクリックボルタモグラムとして図4Aおよび4Bに示した。図4Aは触媒としてp−カーボンを用いた場合の、図4Bはa−カーボンを用いた場合のサイクリックボルタモグラムである。
図4Aおよび4Bから明らかなように、(a)p−カーボンを触媒とした場合は−0.05Vに、(b)a−カーボンを触媒とした場合は0.4Vに還元ピークが観測され、(a)p−カーボンおよび(b)a−カーボンがORR活性を示すことが確認された。また、CV測定結果に基づくKoutecky‐Levichプロットの勾配から得られる触媒反応の反応電子数(n)から、(a)p−カーボンおよび(b)a−カーボンによる酸素還元反応は下式(1)で表わされる4電子系反応であり、これらのカーボンのいずれもがPEFCのカソード触媒として機能し得ることが明らかとなった。
+4H+4e=2HO …(1)
That is, a three-electrode electric electrode was prepared by immersing the working electrode in a 0.5 M sulfuric acid aqueous solution maintained at 25 ° C., and using a silver electrode as a counter electrode and a silver-silver chloride electrode immersed in a saturated KNO 3 solution as a reference electrode. A chemical cell was constructed. The electrochemical cell was connected to a potentiostat, and cyclic voltammetry (CV) measurement was performed. In the measurement, first, oxygen gas was bubbled in an electrolyte solution for 30 minutes or more to saturate oxygen, and electrode cleaning was performed for 20 cycles at a scanning speed of 100 mV / sec and a scanning range of -1.0 to 1.2 V. After confirming that the waveform was stable, the current at the time of sweeping at a scanning speed of 100 mV / sec and a scanning range of -1.0 to 1.2 V was recorded as a function of potential. The results are shown as cyclic voltammograms in FIGS. 4A and 4B. 4A is a cyclic voltammogram when p-carbon is used as a catalyst, and FIG. 4B is a cyclic voltammogram when a-carbon is used.
As is clear from FIGS. 4A and 4B, a reduction peak is observed at -0.05V when (a) p-carbon is used as a catalyst, and at 0.4V when (b) a-carbon is used as a catalyst. It was confirmed that (a) p-carbon and (b) a-carbon show ORR activity. Further, from the number of reaction electrons (n) of the catalytic reaction obtained from the gradient of the Koutecky-Levich plot based on the CV measurement result, the oxygen reduction reaction by (a) p-carbon and (b) a-carbon is represented by the following formula (1) It was revealed that any of these carbons can function as a cathode catalyst for PEFC.
O 2 + 4H + + 4e = 2H 2 O (1)

<CV測定2>
次いで、上記のCV測定1における支持電解質を0.1M水酸化カリウムに代え、その他の条件は同様にして、セルの電気化学的特性の評価を行った。得られたサイクリックボルタモグラムを図5に示した。図5中の(a)は触媒としてp−カーボンを用いた場合の、(b)はa−カーボンを用いた場合のサイクリックボルタモグラムである。
図5に示されるように、(a)p−カーボンを触媒とした場合には、−0.5Vと−1.0Vに還元ピークが観測され、p−カーボンがORR活性を示すことが確認された。また、Koutecky‐Levichプロットの勾配から得られた触媒反応の反応電子数(n)から、この系における酸素還元反応は、2電子系反応を含む下式(2)で表わされる2段階での酸素還元である。
+2H+2e=H
(2電子系反応)
+2H+2e=H …(2)
一方、(b)a−カーボンを触媒として用いた場合には、ORR活性が発現されないことがわかった。
<CV measurement 2>
Subsequently, the supporting electrolyte in the CV measurement 1 was replaced with 0.1 M potassium hydroxide, and the electrochemical characteristics of the cell were evaluated in the same manner under other conditions. The obtained cyclic voltammogram is shown in FIG. 5A is a cyclic voltammogram when p-carbon is used as a catalyst, and FIG. 5B is a cyclic voltammogram when a-carbon is used.
As shown in FIG. 5, when (a) p-carbon was used as a catalyst, reduction peaks were observed at -0.5 V and -1.0 V, confirming that p-carbon exhibited ORR activity. It was. From the number of reaction electrons (n) of the catalytic reaction obtained from the gradient of the Koutecky-Levich plot, the oxygen reduction reaction in this system is a two-stage oxygen represented by the following formula (2) including a two-electron system reaction. It is a reduction.
H 2 O 2 + 2H + + 2e = H 2 O
(Two-electron reaction)
O 2 + 2H + + 2e = H 2 O 2 (2)
On the other hand, when (b) a-carbon was used as a catalyst, it was found that the ORR activity was not expressed.

(実施形態2)
原料化合物含有液として、(c)上記実施形態1で用いたピリジンに、1.0質量%のトリアジン(1,3,5―トリアジン、東京化成工業(株)製)を加えた混合液(以下、「pyri+tri」等と示す場合がある。)と、(d)上記実施形態1で用いたピリジンとアニリンとを等量ずつ混合した混合液(以下、「pyri+ani」等と示す場合がある。)とを用意した。
実施形態1と同じ条件で、混合液(c)(d)中でソリューションプラズマを発生させることにより、各混合液から約0.74gずつのカーボン触媒(c)(d)を得た。
(Embodiment 2)
As a raw material compound-containing liquid, (c) a mixed liquid obtained by adding 1.0% by mass of triazine (1,3,5-triazine, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) to the pyridine used in Embodiment 1 above , “Pyri + tri”, etc.)) and (d) a mixed solution in which pyridine and aniline used in Embodiment 1 are mixed in equal amounts (hereinafter, referred to as “pyri + ani”, etc.). And prepared.
Under the same conditions as in the first embodiment, about 0.74 g of carbon catalyst (c) (d) was obtained from each mixed solution by generating solution plasma in the mixed solution (c) (d).

<元素分析>
上記で得られたカーボン触媒(c)(d)について元素分析を行い、カーボン触媒中の窒素(N)および水素(H)の含有量を調べた。窒素(N)および水素(H)の含有量は、CHN元素分析装置により測定することで測定した。その結果を、図6に示した。なお、参考のために、実施形態1で得られた(a)p−カーボンおよび(b)a−カーボンについての分析結果も併せて図6に示した。
図6から、原料化合物として環構造中に窒素元素(N)を含む含窒素環式化合物であるピリジンやトリアジンを用いた方が、環構造中に窒素を含まない単素環式化合物であるアニリンを用いた場合よりも、得られるカーボン触媒に取り込まれる窒素量が多くなることが確認できた。
<Elemental analysis>
Elemental analysis was performed on the carbon catalysts (c) and (d) obtained above, and the contents of nitrogen (N) and hydrogen (H) in the carbon catalyst were examined. The contents of nitrogen (N) and hydrogen (H) were measured by measuring with a CHN element analyzer. The results are shown in FIG. For reference, the analysis results of (a) p-carbon and (b) a-carbon obtained in Embodiment 1 are also shown in FIG.
From FIG. 6, aniline, which is a monocyclic compound containing no nitrogen in the ring structure, is obtained by using pyridine or triazine, which is a nitrogen-containing cyclic compound containing a nitrogen element (N) in the ring structure, as a raw material compound. It was confirmed that the amount of nitrogen incorporated into the resulting carbon catalyst was larger than when using the.

<CV測定1>
上記で得られたカーボン触媒(c)(d)を用い、三電極電気化学セル法により電気化学的特性の評価を行った。測定用触媒電極(作用極)は、次の手順で用意した。すなわち、カーボン触媒(c)(d)の粉末5.0mgと、バインダとしてのナフィオン(登録商標)溶液50μLと、溶媒としてのエタノール50μLを混合し、超音波にて15分間撹拌して触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストをグラッシーカーボン電極の表面に25μL滴下して乾燥させることで触媒層を形成し、測定用触媒電極とした。
<CV measurement 1>
Using the carbon catalysts (c) and (d) obtained above, the electrochemical characteristics were evaluated by the three-electrode electrochemical cell method. A measurement catalyst electrode (working electrode) was prepared by the following procedure. That is, 5.0 mg of carbon catalyst (c) (d) powder, 50 μL of Nafion (registered trademark) solution as a binder, and 50 μL of ethanol as a solvent are mixed, and stirred for 15 minutes with ultrasonic waves to obtain a catalyst paste. Prepared. 25 μL of this catalyst paste was dropped on the surface of the glassy carbon electrode and dried to form a catalyst layer, which was used as a measurement catalyst electrode.

CV測定条件は以下の通りとした。
作用極 :グラッシーカーボンと、カーボン触媒(c)または(d)
参照極 :Ag/AgCl(飽和KCl)
対極 :Pt
支持電解質:0.1M水酸化カリウム
CV measurement conditions were as follows.
Working electrode: Glassy carbon and carbon catalyst (c) or (d)
Reference electrode: Ag / AgCl (saturated KCl)
Counter electrode: Pt
Supporting electrolyte: 0.1M potassium hydroxide

すなわち、25℃に保持された0.1M水酸化カリウム水溶液中に上記作用電極を浸漬し、対極として白金電極、参照極として飽和KNO溶液に浸漬させた銀塩化銀電極を用いて、三電極式電気化学セルを構築した。この電気化学セルをポテンショスタットに接続して、サイクリックボルタンメトリー(CV)測定を行った。測定は、電解質溶液に酸素を溶解させた系と、不活性ガス(窒素)パージした系とで測定を行った。まず、電解質溶液中で酸素ガスまたは窒素ガスを10分間バブリングさせて酸素を飽和または除去し、走査速度100mV/sec、走査範囲−1.2〜1.2Vの範囲で20サイクルの電極クリーニングを行いCV波形が安定することを確認した後、走査速度100mV/sec、走査範囲−1.2〜1.2Vで掃引した際の電流を電位の関数として記録した。その結果をサイクリックボルタモグラムとして図7(A)および(B)に示した。図7(A)は電解質溶液を酸素パージした場合の、(B)は窒素パージした場合のサイクリックボルタモグラムである。
図7(A)および(B)から明らかなように、カーボン触媒(c)および(d)の何れを用いた場合であっても、2電子系反応に由来するORR活性が確認できた。ピーク電位については、(a)p−カーボンおよび(b)a−カーボンと比較していずれも大きな差はなかったが、電流値については、(a)p−カーボン単体よりも、カーボン触媒(c)すなわちpyri+triの方がORR活性が上昇することから、元素Nがより多くカーボン構造中に組込まれていると考えられる。
That is, the above working electrode was immersed in a 0.1 M potassium hydroxide aqueous solution maintained at 25 ° C., and a platinum electrode as a counter electrode and a silver / silver chloride electrode immersed in a saturated KNO 3 solution as a reference electrode, A formula electrochemical cell was constructed. The electrochemical cell was connected to a potentiostat, and cyclic voltammetry (CV) measurement was performed. The measurement was performed in a system in which oxygen was dissolved in an electrolyte solution and a system purged with an inert gas (nitrogen). First, oxygen gas or nitrogen gas is bubbled in the electrolyte solution for 10 minutes to saturate or remove oxygen, and electrode cleaning is performed for 20 cycles at a scanning speed of 100 mV / sec and a scanning range of -1.2 to 1.2 V. After confirming that the CV waveform was stable, the current at the time of sweeping at a scanning speed of 100 mV / sec and a scanning range of -1.2 to 1.2 V was recorded as a function of potential. The results are shown in FIGS. 7A and 7B as cyclic voltammograms. FIG. 7A is a cyclic voltammogram when the electrolyte solution is purged with oxygen, and FIG. 7B is a cyclic voltammogram when purged with nitrogen.
As is clear from FIGS. 7 (A) and (B), the ORR activity derived from the two-electron system reaction could be confirmed regardless of which of the carbon catalysts (c) and (d) was used. The peak potential was not significantly different from (a) p-carbon and (b) a-carbon, but the current value was higher than that of (a) p-carbon alone. ) That is, since pyrr + tri has higher ORR activity, it is considered that more element N is incorporated in the carbon structure.

<FT−IR測定>
上記で得られたカーボン触媒(c)(d)について、KBr錠剤法によるフーリエ変換赤外吸収分光測定(FT−IR;(株)島津製作所製,FTIR8400S、制御ソフトウェア;IRPrestige−21)を行い、分子構造の同定を行った。得られたFT−IRスペクトルを図8に示した。図8中の(c)および(d)は、それぞれカーボン触媒(c)および(d)から取得された、4000〜500cm−1の領域のFT−IRスペクトルである。比較のために、(a)として、ピリジンのみを原料化合物として得られたp−カーボンについての結果も併せて示した。
図8に示された通り、(a)ピリジンに対して、トリアジンを加えた(c)のスペクトルは、CとNとの三重結合に帰属するピークが高くなり、Nの増加が確認できた。一方の(a)ピリジンに対して、アニリンを加えた(d)はCとNとの三重結合に帰属するピークが減少し、CとNとの二重結合(C=O)および芳香族C−N結合に帰属するピークが優勢となることが確認できた。
以上のことから、原料化合物として、炭素環からなる単素環式化合物を用いるよりも、異種元素および炭素から環構造が構成されている複素環式化合物を用いた方が、ORR活性の高いカーボン系触媒を得られること、さらに、環構造中に異種元素がより多く含まれる複素環式化合物を用いた方がさらにORR活性の高いカーボン系触媒が得られることが確認できた。
<FT-IR measurement>
The carbon catalyst (c) (d) obtained above was subjected to Fourier transform infrared absorption spectrometry (FT-IR; manufactured by Shimadzu Corporation, FTIR8400S, control software; IRPreset-21) by the KBr tablet method. Molecular structure was identified. The obtained FT-IR spectrum is shown in FIG. (C) and (d) in FIG. 8 are FT-IR spectra in the region of 4000 to 500 cm −1 obtained from the carbon catalysts (c) and (d), respectively. For comparison, (a) also shows the results for p-carbon obtained using only pyridine as a raw material compound.
As shown in FIG. 8, in the spectrum of (c) in which triazine was added to (a) pyridine, the peak attributed to the triple bond of C and N was increased, and an increase in N was confirmed. On the other hand, in (d) where aniline is added to (a) pyridine, the peak attributed to the triple bond between C and N decreases, and the double bond between C and N (C═O) and aromatic C It was confirmed that the peak attributed to the —N bond was dominant.
From the above, carbon having a higher ORR activity is obtained when a heterocyclic compound having a ring structure composed of a heterogeneous element and carbon is used as a raw material compound rather than a monocyclic compound composed of a carbocyclic ring. It was confirmed that a carbon-based catalyst having a higher ORR activity can be obtained by using a heterocyclic compound containing a larger amount of different elements in the ring structure.

(実施形態3)
原料化合物含有液として、上記実施形態1で用いたピリジンに、実施形態2で用いたトリアジンを、0.25質量%、0.5質量%、0.75質量%、5質量%の4通りの添加量で混合した混合液を用意した。これらの混合液中で、実施形態1と同じ条件でソリューションプラズマを発生させることにより、各混合液から約0.74gずつのカーボン触媒を得た。
得られたカーボン触媒の各々について実施形態2と同様に元素分析を行い、カーボン触媒中の窒素(N)および水素(H)の含有量を調べた。その結果を、図9に示した。なお、参考のために、実施形態1および2で得られた(a)p−カーボンおよび(c)カーボン触媒(トリアジン添加量1.0質量%)についての分析結果も併せて図9に示した。
図9に示されるように、原料化合物含有液中に添加するトリアジン量を増やすほど、得られるカーボン系触媒中に導入される窒素元素(N)量も増大することから、環構造中に異種元素が多く含まれる複素環式化合物を原料化合物として用いることで、より効果的にカーボン触媒中に異種元素を導入できることが確認できた。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれ得る。
(Embodiment 3)
As the raw material compound-containing liquid, the triazine used in Embodiment 2 is added to the pyridine used in Embodiment 1 described above in four ways: 0.25% by mass, 0.5% by mass, 0.75% by mass, and 5% by mass. A mixed solution mixed in an addition amount was prepared. In these mixed solutions, solution plasma was generated under the same conditions as in Embodiment 1 to obtain about 0.74 g of carbon catalyst from each mixed solution.
Elemental analysis was performed on each of the obtained carbon catalysts in the same manner as in Embodiment 2 to examine the contents of nitrogen (N) and hydrogen (H) in the carbon catalyst. The results are shown in FIG. For reference, the analysis results of (a) p-carbon and (c) carbon catalyst (triazine addition amount 1.0% by mass) obtained in Embodiments 1 and 2 are also shown in FIG. .
As shown in FIG. 9, as the amount of triazine added to the raw material compound-containing liquid increases, the amount of nitrogen element (N) introduced into the resulting carbon-based catalyst also increases. It was confirmed that a heterogeneous element can be introduced into the carbon catalyst more effectively by using a heterocyclic compound containing a large amount of as a raw material compound.
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The invention disclosed herein can include various modifications and alterations of the specific examples described above.

2 液(液相)
3 気相
4 ソリューションプラズマ(プラズマ相)
5 容器
6 電極
7 撹拌装置
8 外部電源
9 絶縁部材
10 ソリューションプラズマ発生装置
2 liquid (liquid phase)
3 Gas phase 4 Solution plasma (plasma phase)
5 Container 6 Electrode 7 Stirrer 8 External power supply 9 Insulating member 10 Solution plasma generator

Claims (7)

原料化合物として、化学組成に炭素と、異種元素としての窒素とを含み、少なくとも一部に環構造を有する環式化合物を用意すること、
前記原料化合物を含む液中に、グロー放電プラズマを発生させることにより前記原料化合物を重合させて、窒素含有カーボン材料を得ること、
を含む、カーボン系触媒の製造方法。
As the starting compound comprises a carbon chemical composition, and nitrogen as heterogeneous elements, providing a cyclic compound having a ring structure at least in part,
The starting compound in the liquid containing, resulting said starting compounds is polymerized by generating a glow discharge plasma, a nitrogen-containing carbon material Rukoto,
A method for producing a carbon-based catalyst, comprising:
前記液中に一対の金属材料からなる電極を配置し、  An electrode made of a pair of metal materials is disposed in the liquid,
前記プラズマは、一対の前記電極の間に発生させる、請求項1に記載のカーボン系触媒の製造方法。  The method for producing a carbon-based catalyst according to claim 1, wherein the plasma is generated between the pair of electrodes.
前記環式化合物は、5員環または6員環あるいはその両方を化学構造に有する、請求項1または2に記載のカーボン系触媒の製造方法。   The method for producing a carbon-based catalyst according to claim 1 or 2, wherein the cyclic compound has a 5-membered ring, a 6-membered ring, or both in a chemical structure. 前記環式化合物は、アニリン、ピリジン、ピラジン、トリアジン、あるいはこれらの誘導体のうちのいずれか1種または2種以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のカーボン系触媒の製造方法。   The production of the carbon-based catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the cyclic compound is aniline, pyridine, pyrazine, triazine, or one or more of these derivatives. Method. 前記環式化合物は、少なくともトリアジンまたはその誘導体を含む、請求項4に記載のカーボン系触媒の製造方法。   The method for producing a carbon-based catalyst according to claim 4, wherein the cyclic compound contains at least triazine or a derivative thereof. 記プラズマは、前記電極間にパルス幅が0.1μs〜5μsで、電圧が1kV〜2kVで、周波数が10〜10Hzの直流パルス電圧を印加することで発生させる、請求項に記載のカーボン系触媒の製造方法。 Before SL plasma pulse width between the electrodes is in 0.1Myuesu~5myuesu, in the voltage 1KV~2kV, frequency is generated by applying a DC pulse voltage of 10 3 to 10 5 Hz, to claim 2 The manufacturing method of the carbon-type catalyst of description. 前記グロー放電プラズマは、前記液中に発生した気相中に形成される、請求項1〜6のいずれか1項に記載のカーボン系触媒の製造方法。 The method for producing a carbon-based catalyst according to any one of claims 1 to 6, wherein the glow discharge plasma is formed in a gas phase generated in the liquid.
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