JP6257910B2 - Nitrogen-containing carbon material, method for producing the same, and electrode for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、窒素含有炭素材料及びその製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用電極に関する。   The present invention relates to a nitrogen-containing carbon material, a method for producing the same, and a fuel cell electrode using the same.

固体高分子形燃料電池は、発電効率が高い、出力密度が高い、急速な起動停止が可能である、小型軽量化が可能である、といった利点を持ち、携帯用電源、移動用電源、小型定置用発電機等への適用が期待されている。   The polymer electrolyte fuel cell has advantages such as high power generation efficiency, high output density, rapid start / stop, small size and light weight, portable power, mobile power, small stationary It is expected to be applied to power generators.

固体高分子形燃料電池では、その正極で起こる酸素還元反応を促進するために、一般に白金又は白金合金が触媒として用いられるが、白金の資源量が極めて少なく、また高価であるために実用化への大きな障壁となっている。そこで、白金等の貴金属を必要としない燃料電池用電極触媒として遷移金属と窒素を含有することによって酸素還元活性を発現した炭素材料(以下、「炭素触媒」ともいう。)が注目を集めている。   In a polymer electrolyte fuel cell, platinum or a platinum alloy is generally used as a catalyst in order to promote the oxygen reduction reaction occurring at the positive electrode. However, since the amount of platinum resources is extremely small and expensive, it is put to practical use. It has become a big barrier. Accordingly, carbon materials (hereinafter also referred to as “carbon catalysts”) that have developed oxygen reduction activity by containing transition metals and nitrogen as electrode catalysts for fuel cells that do not require noble metals such as platinum are attracting attention. .

例えば、特許文献1においては、コバルト等の遷移金属を含む樹脂を炭化して10〜20nmのシェル状構造を多く持つ炭素材料を合成し、この炭素材料に液相もしくは気相で窒素、又は、窒素及びホウ素を導入したものを電極触媒として用いることが提案されている。ここで、シェル状構造の炭素の(002)面回折線は、X線回折線図において、先鋭成分として現れる。   For example, in Patent Document 1, a carbon material having a large shell-like structure of 10 to 20 nm is synthesized by carbonizing a resin containing a transition metal such as cobalt, and nitrogen or It has been proposed to use a material into which nitrogen and boron are introduced as an electrode catalyst. Here, the (002) plane diffraction line of carbon having a shell-like structure appears as a sharp component in the X-ray diffraction diagram.

また、特許文献2においては、鉄フタロシアニン、コバルトフタロシアニン、銅フタロシアニン等の窒素含有有機配位子を持つ遷移金属錯体とフェノール樹脂の混合物を炭化してアモルファス構造を多く持つ炭素材料を合成し、これを電極触媒として用いることが提案されている。ここで、アモルファス構造の炭素の(002)面回折線は、X線回折線図において、平坦成分として現れる。   In Patent Document 2, a carbon material having a large amorphous structure is synthesized by carbonizing a mixture of a transition metal complex having a nitrogen-containing organic ligand such as iron phthalocyanine, cobalt phthalocyanine, and copper phthalocyanine and a phenol resin. It has been proposed to use as an electrode catalyst. Here, the (002) plane diffraction line of amorphous carbon appears as a flat component in the X-ray diffraction diagram.

特開2007−207662号公報JP 2007-207662 A 特開2012−101155号公報JP2012-101155A

しかしながら、上述の触媒は固体高分子形燃料電池の電極触媒として酸素還元活性は十分ではなく、より優れた酸素還元活性を有する電極触媒の開発が求められている。   However, the above-mentioned catalyst does not have sufficient oxygen reduction activity as an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, and development of an electrode catalyst having superior oxygen reduction activity is required.

遷移金属と窒素を含有する炭素触媒の酸素還元活性点は、その詳細は明らかではないがグラフェン骨格の末端部や欠陥部に窒素がドープされた構造、もしくはその窒素と錯形成した遷移金属であると考えられる。炭素触媒は主にシェル状構造成分とアモルファス構造成分からなる。シェル状構造成分は、アモルファス構造成分よりも黒鉛化が進行しているため、末端部や欠陥部が少なく、窒素含有量も小さく、結晶化度も高くなる。したがって、窒素や遷移金属の含有量、比表面積が適切な範囲にある場合は、結晶化度が低い方(シェル状構造成分が少ない方)が高活性になり得ると考えられる。   The oxygen reduction active site of carbon catalyst containing transition metal and nitrogen is a structure in which nitrogen is doped at the end or defect part of graphene skeleton, or its transition metal complexed with nitrogen, although the details are not clear it is conceivable that. A carbon catalyst mainly comprises a shell-like structural component and an amorphous structural component. Since the shell-like structural component is graphitized more than the amorphous structural component, the terminal portion and the defect portion are few, the nitrogen content is small, and the crystallinity is high. Therefore, when the content of nitrogen or transition metal and the specific surface area are in appropriate ranges, it is considered that the one with lower crystallinity (one with less shell-like structural components) can be highly active.

しかしながら、窒素含有量、遷移金属含有量、比表面積を適切な範囲に保ちつつ、かつアモルファス構造を合成する方法は知られていない。   However, there is no known method for synthesizing an amorphous structure while keeping the nitrogen content, transition metal content, and specific surface area within appropriate ranges.

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高い酸素還元活性を有する窒素含有炭素材料及びその製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用電極を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a nitrogen-containing carbon material having high oxygen reduction activity, a method for producing the same, and a fuel cell electrode using the same.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、窒素含有量、遷移金属含有量、比表面積及び結晶化度が所定の範囲に調整された窒素含有炭素材料であれば、上記課題を解決できることを見出し、本発明をするに至った。   As a result of intensive studies in order to solve the above problems, the inventors of the present invention have a nitrogen content, transition metal content, specific surface area, and a nitrogen-containing carbon material whose crystallinity is adjusted within a predetermined range. The present inventors have found that the above problems can be solved and have come to the present invention.

すなわち、本発明は、下記のとおりである。
〔1〕
電子線マイクロアナライザによって得られる窒素原子と炭素原子の原子比(N/C)が0.005〜0.3であり、
電子線マイクロアナライザによって得られる遷移金属原子と炭素原子の原子比(M/C)が0.0001〜0.05であり、
BET法により求められる比表面積が400m2/g以上であり、
X線回折線図から求められる結晶化度が0.1以下である、
窒素含有炭素材料。
〔2〕
前記遷移金属原子が、鉄及び/又はコバルトである、前項〔1〕に記載の窒素含有炭素材料。
〔3〕
前項〔1〕又は〔2〕に記載の窒素含有炭素材料の製造方法であって、
炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料を複合化した前駆体を、熱処理する、熱処理工程を有する、窒素含有炭素材料の製造方法。
〔4〕
前記前駆体が、キノリジニウム構造を有する化合物及びアズルミン酸からなる群より選択される少なくとも一種を含有する、前項〔3〕に記載の窒素含有炭素材料の製造方法。
〔5〕
前記熱処理工程において、不活性ガス雰囲気下での熱処理と、アンモニア含有ガス雰囲気下での熱処理とを行なう、前項〔3〕又は〔4〕に記載の窒素含有炭素材料の製造方法。
〔6〕
前項〔1〕又は〔2〕に記載の窒素含有炭素材料を含む、燃料電池用電極。

That is, the present invention is as follows.
[1]
The atomic ratio (N / C) of nitrogen atoms and carbon atoms obtained by an electron beam microanalyzer is 0.005 to 0.3,
The atomic ratio (M / C) of transition metal atoms to carbon atoms obtained by an electron beam microanalyzer is 0.0001 to 0.05,
The specific surface area determined by the BET method is 400 m 2 / g or more,
The degree of crystallinity obtained from an X-ray diffraction diagram is 0.1 or less,
Nitrogen-containing carbon material.
[2]
The nitrogen-containing carbon material according to [1] above, wherein the transition metal atom is iron and / or cobalt.
[3]
A method for producing a nitrogen-containing carbon material according to [1] or [2] above,
A method for producing a nitrogen-containing carbon material, comprising a heat treatment step of heat treating a precursor obtained by combining a carbon raw material, a nitrogen raw material, and a transition metal raw material.
[4]
The method for producing a nitrogen-containing carbon material according to [3], wherein the precursor contains at least one selected from the group consisting of a compound having a quinolizinium structure and azulmic acid.
[5]
The method for producing a nitrogen-containing carbon material as described in [3] or [4] above, wherein in the heat treatment step, a heat treatment in an inert gas atmosphere and a heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere are performed.
[6]
A fuel cell electrode comprising the nitrogen-containing carbon material according to [1] or [2].

本発明によれば、高い酸素還元活性を有する窒素含有炭素材料及びその製造方法、並びにこれを用いた燃料電池用電極を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the nitrogen-containing carbon material which has high oxygen reduction activity, its manufacturing method, and the electrode for fuel cells using the same can be provided.

結晶化度の測定で行なった強度補正及びバックグラウンド補正の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of intensity | strength correction | amendment and background correction | amendment performed by the measurement of crystallinity. 図1において、先鋭成分のピークと平坦成分のピークの分離の一例を示す図である。In FIG. 1, it is a figure which shows an example of isolation | separation of the peak of a sharp component, and the peak of a flat component. 実施例及び比較例における電気化学測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the electrochemical measurement in an Example and a comparative example.

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。   Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail with reference to the drawings as necessary. However, the present invention is not limited to this. Various modifications are possible without departing from the scope of the invention.

〔窒素含有炭素材料〕
本実施形態に係る窒素含有炭素材料は、
電子線マイクロアナライザによって得られる窒素原子(N)と炭素原子(C)の原子比(N/C)が0.005〜0.3であり、
電子線マイクロアナライザによって得られる遷移金属原子(M)と炭素原子(C)の原子比(M/C)が0.0001〜0.05であり、
BET法により求められる比表面積が400m/g以上であり、
X線回折線図から求められる結晶化度が0.1以下である。
[Nitrogen-containing carbon material]
The nitrogen-containing carbon material according to this embodiment is
The atomic ratio (N / C) of nitrogen atoms (N) and carbon atoms (C) obtained by an electron beam microanalyzer is 0.005 to 0.3,
The atomic ratio (M / C) of transition metal atoms (M) and carbon atoms (C) obtained by an electron beam microanalyzer is 0.0001 to 0.05,
The specific surface area determined by the BET method is 400 m 2 / g or more,
The degree of crystallinity obtained from the X-ray diffraction diagram is 0.1 or less.

〔原子比(N/C)〕
本実施形態において、電子線マイクロアナライザによって得られる窒素原子と炭素原子の原子比(N/C)は、0.005〜0.3であり、0.01〜0.2であることが好ましく、0.02〜0.15であることがより好ましい。原子比(N/C)が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより高くなる。
[Atomic ratio (N / C)]
In the present embodiment, the atomic ratio (N / C) of nitrogen atoms and carbon atoms obtained by an electron beam microanalyzer is 0.005 to 0.3, preferably 0.01 to 0.2. It is more preferable that it is 0.02-0.15. When the atomic ratio (N / C) is within the above range, the oxygen reduction activity becomes higher.

〔原子比(M/C)〕
また、本実施形態において、電子線マイクロアナライザによって得られる遷移金属原子と炭素原子の原子比(M/C)は、0.0001〜0.05であり、0.001〜0.04であることが好ましく、0.005〜0.03であることがより好ましい。原子比(M/C)が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより高くなる。
[Atomic ratio (M / C)]
Moreover, in this embodiment, the atomic ratio (M / C) of the transition metal atom and carbon atom obtained by an electron beam microanalyzer is 0.0001 to 0.05, and is 0.001 to 0.04. Is more preferable, and 0.005-0.03 is more preferable. When the atomic ratio (M / C) is within the above range, the oxygen reduction activity becomes higher.

本実施形態に係る窒素含有炭素材料は、窒素及び遷移金属を含むことによって酸素還元活性を発現するが、窒素や遷移金属の含有量が多すぎるとかえって酸素還元活性が低下するため、上記のように含有量には適正な範囲がある。   The nitrogen-containing carbon material according to the present embodiment expresses oxygen reduction activity by containing nitrogen and a transition metal. However, if the content of nitrogen or transition metal is too much, the oxygen reduction activity is lowered, so that There is an appropriate range for the content.

窒素原子と炭素原子の原子比(N/C)及び遷移金属原子と炭素原子の原子比(M/C)は電子線マイクロアナライザによって求めることができる。「電子線マイクロアナライザ」とは、試料に電子線を照射したときに発生する特性X線を波長分散型X線分光器で分離し、試料中に含まれる元素の同定及び定量を行う装置である。原子比の具体的な測定方法としては、実施例に記載の方法を用いることができる。   The atomic ratio of nitrogen atom to carbon atom (N / C) and the atomic ratio of transition metal atom to carbon atom (M / C) can be determined by an electron beam microanalyzer. An “electron beam microanalyzer” is an apparatus that separates characteristic X-rays generated when an electron beam is irradiated onto a sample with a wavelength dispersive X-ray spectrometer, and identifies and quantifies elements contained in the sample. . As a specific method for measuring the atomic ratio, the methods described in Examples can be used.

遷移金属原子としては、特に限定されないが、例えば、Fe,Co,Ni,Cu,Mn,及び/又はCrであることが好ましく、Fe,Co,及び/又はCuであることがより好ましく、Fe,及び/又はCoであることがさらに好ましい。このような遷移金属を用いることにより、窒素含有炭素材料の酸素還元活性がより向上する傾向にある。   Although it does not specifically limit as a transition metal atom, For example, it is preferable that they are Fe, Co, Ni, Cu, Mn, and / or Cr, It is more preferable that they are Fe, Co, and / or Cu, More preferably, and / or Co. By using such a transition metal, the oxygen reduction activity of the nitrogen-containing carbon material tends to be further improved.

〔BET比表面積〕
本実施形態において、BET法により求められる比表面積は、400m/g以上であり、500m/g以上であることが好ましく、600m/g以上であることがより好ましい。また、BET比表面積の上限は特に制限されないが、3000m/g以下であることが好ましい。BET比表面積が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより高くなる。なお、本実施形態に係る窒素含有炭素材料の比表面積は、JIS Z8830「気体吸着による粉体(固体)の比表面積測定方法」に従って測定することができる。
[BET specific surface area]
In the present embodiment, the specific surface area determined by the BET method, is at 400 meters 2 / g or more, preferably 500 meters 2 / g or more, more preferably 600 meters 2 / g or more. The upper limit of the BET specific surface area is not particularly limited, but is preferably 3000 m 2 / g or less. When the BET specific surface area is within the above range, the oxygen reduction activity becomes higher. The specific surface area of the nitrogen-containing carbon material according to the present embodiment can be measured according to JIS Z8830 “Method for measuring specific surface area of powder (solid) by gas adsorption”.

〔結晶化度〕
本実施形態において、X線回折線図から求められる結晶化度は0.1以下であり、0.095以下であることが好ましく、0.09以下であることがより好ましい。また、結晶化度の下限は特に制限されず、少ないほどが好ましい。結晶化度が上記範囲内であることにより、酸素還元活性がより高くなる。
[Crystallinity]
In the present embodiment, the crystallinity obtained from the X-ray diffraction diagram is 0.1 or less, preferably 0.095 or less, and more preferably 0.09 or less. Further, the lower limit of the crystallinity is not particularly limited, and the lower the better. When the degree of crystallinity is within the above range, the oxygen reduction activity becomes higher.

「結晶化度」とは、シェル状構造成分とアモルファス構造成分の合計に対するシェル状構造成分の割合の指標であり、実施例に記載の方法によりX線回折によって求めることができる。X線回折線図において、シェル状構造の炭素の(002)面回折線は先鋭成分となり、アモルファス構造の炭素の(002)面回折線は平坦成分となる。前記先鋭成分の面積と前記平坦成分の面積の合計に対する前記先鋭成分の面積の割合から、結晶化度が算出される。結晶化度は、測定条件やフィッティング条件によって誤差が生じる可能性があるため、実施例に記載の結晶化度分析方法に従って評価されることが好ましい。   The “crystallinity” is an index of the ratio of the shell-like structural component to the total of the shell-like structural component and the amorphous structural component, and can be obtained by X-ray diffraction by the method described in the examples. In the X-ray diffraction diagram, the (002) plane diffraction line of the shell-shaped carbon has a sharp component, and the (002) plane diffraction line of the amorphous carbon has a flat component. The degree of crystallinity is calculated from the ratio of the area of the sharp component to the sum of the area of the sharp component and the area of the flat component. Since the crystallinity may cause an error depending on measurement conditions and fitting conditions, it is preferable to evaluate according to the crystallinity analysis method described in the examples.

(平均粒子径)
本実施形態に係る窒素含有炭素材料の平均粒子径は、1nm以上100μm以下であることが好ましく、5nm以上10μm以下であることがより好ましく、10nm以上1μm以下であることがさらに好ましい。窒素含有炭素材料を電極として用いる場合、電極としての性能を効率的に発揮するためには、その平均粒子径(体積基準のメディアン径:50%D)を適切に調整することが好ましい。平均粒子径が100μm以下であることにより、電極の比活性がより向上する傾向にある。また、平均粒子径が1nm以上であることにより、粒子同士が密に凝集し物質輸送が阻害されることが抑制される傾向にある。物質輸送が阻害されるとは、例えば、固体高分子形燃料電池の正極触媒として用いる場合、酸素分子が活性点に供給され難くなることなどが挙げられる。平均粒子径は、レーザー回折・散乱法、動的光散乱法、画像イメージング法、重力沈降法等の公知の方法により測定することができる。
(Average particle size)
The average particle diameter of the nitrogen-containing carbon material according to the present embodiment is preferably 1 nm or more and 100 μm or less, more preferably 5 nm or more and 10 μm or less, and further preferably 10 nm or more and 1 μm or less. When a nitrogen-containing carbon material is used as an electrode, it is preferable to appropriately adjust the average particle diameter (volume-based median diameter: 50% D) in order to efficiently exhibit the performance as an electrode. When the average particle diameter is 100 μm or less, the specific activity of the electrode tends to be further improved. Further, when the average particle diameter is 1 nm or more, the particles tend to be aggregated densely and the substance transport is inhibited from being inhibited. The substance transport is inhibited when, for example, it is difficult to supply oxygen molecules to the active site when used as a positive electrode catalyst of a polymer electrolyte fuel cell. The average particle diameter can be measured by a known method such as a laser diffraction / scattering method, a dynamic light scattering method, an image imaging method, or a gravity sedimentation method.

平均粒子径の調整方法は、特に限定されず、後述する前駆体調製工程において平均粒子径を制御してもよいし、後述する熱処理工程後の窒素含有炭素材料を粉砕して調整してもよい。前駆体調製工程において平均粒子径を制御する場合は、例えば、炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料を含む溶液をスプレードライヤーにて造粒する方法や、重合によって微粒子を得る方法を用いることができる。また、粉砕の方法としては、特に限定されないが、例えば、前駆体又は窒素含有炭素材料を、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル等にて粉砕する方法が挙げられる。   The method for adjusting the average particle size is not particularly limited, and the average particle size may be controlled in the precursor preparation step described later, or may be adjusted by pulverizing the nitrogen-containing carbon material after the heat treatment step described later. . When controlling the average particle size in the precursor preparation step, for example, a method of granulating a solution containing a carbon raw material, a nitrogen raw material and a transition metal raw material with a spray dryer, or a method of obtaining fine particles by polymerization can be used. . The pulverization method is not particularly limited, and examples thereof include a method of pulverizing a precursor or a nitrogen-containing carbon material with a ball mill, a bead mill, a jet mill or the like.

〔窒素含有炭素材料の製造方法〕
本実施形態に係る窒素含有炭素材料の製造方法は、炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料を複合化した前駆体を、熱処理する熱処理工程を有する。
[Method for producing nitrogen-containing carbon material]
The method for producing a nitrogen-containing carbon material according to this embodiment includes a heat treatment step of heat-treating a precursor obtained by combining a carbon raw material, a nitrogen raw material, and a transition metal raw material.

(前駆体)
まず、炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料を複合化して前駆体を調製する(以下、「前駆体調製工程」ともいう。)。前駆体は、炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料が複合化されたものである。前駆体は、必要に応じて他の成分も含むことができる。他の成分としては、特に限定されないが、例えば、ホウ素及び/又はリンを含有する化合物などが挙げられる。
(precursor)
First, a carbon raw material, a nitrogen raw material, and a transition metal raw material are combined to prepare a precursor (hereinafter also referred to as “precursor preparation step”). The precursor is a composite of a carbon raw material, a nitrogen raw material, and a transition metal raw material. The precursor can also contain other components as required. Although it does not specifically limit as another component, For example, the compound etc. which contain boron and / or phosphorus are mentioned.

ここで、「複合化」とは、炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料が物理的に混合している状態であってもよいし、炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料が化学結合を形成している状態であってもよいが、それぞれが均一に分散していることが好ましい。特に、熱処理工程において遷移金属の単体、炭化物、酸化物、窒化物等のナノ粒子が生成すると、それがシェル状構造形成の触媒となるため、複合化された原料中で遷移金属が均一に分散しており、かつ遷移金属の濃度が一定の範囲内にあることが好ましい。   Here, “composite” may be a state in which a carbon raw material, a nitrogen raw material, and a transition metal raw material are physically mixed, or a carbon raw material, a nitrogen raw material, and a transition metal raw material form a chemical bond. However, it is preferable that each of them is uniformly dispersed. In particular, when transition metal single particles, carbides, oxides, nitrides, and other nanoparticles are generated in the heat treatment process, they become catalysts for forming a shell-like structure, so that the transition metal is uniformly dispersed in the composite material. The transition metal concentration is preferably within a certain range.

(炭素原料)
炭素原料としては、特に限定されないが、例えば、キノリジニウム構造を有する化合物、アズルミン酸、ポリアニリン、ポリビニルピリジン、メラミン樹脂、親水性高分子等が挙げられる。親水性高分子としては、特に限定されないが、例えば、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸、ポリアミド、ポリビニルピロリドン等を好ましく用いることができる。このなかでも、熱処理工程における炭化のしやすさの観点から、フェノール樹脂がより好ましい。
(Carbon raw material)
Although it does not specifically limit as a carbon raw material, For example, the compound which has a quinolizinium structure, azulmic acid, polyaniline, polyvinyl pyridine, a melamine resin, a hydrophilic polymer, etc. are mentioned. Although it does not specifically limit as a hydrophilic polymer, For example, a phenol resin, polyvinyl alcohol, polyethyleneglycol, polyacrylic acid, polyamide, polyvinylpyrrolidone etc. can be used preferably. Among these, a phenol resin is more preferable from the viewpoint of easy carbonization in the heat treatment step.

(窒素原料)
窒素原料としては、特に限定されないが、例えば、キノリジニウム構造を有する化合物、アズルミン酸、ポリアニリン、ポリビニルピリジン、メラミン樹脂等が挙げられる。このなかでも、好ましくはキノリジニウム構造を有する化合物、アズルミン酸である。このような窒素原料を用いることにより、窒素含有炭素材料の原子比(N/C)を適切な範囲内に保つことができる。
(Nitrogen raw material)
Although it does not specifically limit as a nitrogen raw material, For example, the compound which has a quinolizinium structure, azurmic acid, polyaniline, polyvinyl pyridine, a melamine resin etc. are mentioned. Among these, a compound having a quinolizinium structure and azulmic acid are preferable. By using such a nitrogen raw material, the atomic ratio (N / C) of the nitrogen-containing carbon material can be kept within an appropriate range.

(遷移金属原料)
遷移金属原料としては、特に限定されないが、例えば、遷移金属の塩化物、臭化物、ヨウ化物、硝酸化物、硫酸化物、リン酸化物、酢酸化物、シアン化物等が挙げられる。このなかでも、水や低級アルコールなどの極性溶媒に溶解するものが好ましい。また、遷移金属としては、特に限定されないが、例えば、Fe,Co,Ni,Cu,Mn,Crであることが好ましく、Fe,Co,Cuであることがより好ましく、Fe,Coであることがさらに好ましい。このような遷移金属を用いることにより、窒素含有炭素材料の酸素還元活性がより向上する傾向にある。
(Transition metal raw material)
The transition metal raw material is not particularly limited, and examples thereof include transition metal chlorides, bromides, iodides, nitrates, sulfates, phosphates, acetates, and cyanides. Of these, those that are soluble in polar solvents such as water and lower alcohols are preferred. Further, the transition metal is not particularly limited, but is preferably, for example, Fe, Co, Ni, Cu, Mn, Cr, more preferably Fe, Co, Cu, and Fe, Co. Further preferred. By using such a transition metal, the oxygen reduction activity of the nitrogen-containing carbon material tends to be further improved.

窒素原料、炭素原料及び遷移金属原料の複合化の方法としては、特に限定されないが、例えば、極性溶媒中、好ましくは水及び/又は低級アルコール中に、窒素原料、炭素原料及び遷移金属原料を溶解させ、溶媒を蒸発乾固する方法が好ましい。   The method for combining the nitrogen raw material, the carbon raw material and the transition metal raw material is not particularly limited. For example, the nitrogen raw material, the carbon raw material and the transition metal raw material are dissolved in a polar solvent, preferably water and / or lower alcohol. And evaporating the solvent to dryness is preferred.

溶解方法としては、特に限定されないが、例えば、一つの溶媒に全ての原料を溶解させてもよいが、それぞれ異なる溶媒に原料を溶解させた後に混合してもよい。例えば、窒素原料としてキノリジニウム構造を有する化合物(1)、炭素原料としてフェノール樹脂、及び遷移金属原料として臭化鉄(II)を用いる場合には、化合物(1)及び臭化鉄(II)は水に溶解しやすく、フェノール樹脂はエタノールに溶解しやすいため、化合物(1)及び臭化鉄(II)の水溶液とフェノール樹脂のエタノール溶液を別途調製してから混合する方法が好ましい。また、窒素原料、炭素原料及び遷移金属原料の溶解度向上の観点から、溶液を加熱することが好ましい。   Although it does not specifically limit as a dissolution method, For example, although all the raw materials may be dissolved in one solvent, you may mix, after dissolving a raw material in a respectively different solvent. For example, when using a compound (1) having a quinolizinium structure as a nitrogen raw material, a phenol resin as a carbon raw material, and iron (II) bromide as a transition metal raw material, the compound (1) and iron (II) are water. Since the phenol resin easily dissolves in ethanol, an aqueous solution of the compound (1) and iron (II) bromide and an ethanol solution of the phenol resin are separately prepared and then mixed. Moreover, it is preferable to heat a solution from a viewpoint of the solubility improvement of a nitrogen raw material, a carbon raw material, and a transition metal raw material.

蒸発乾固の方法としては、特に限定されないが、例えば、ロータリーエバポレーター等を用いて減圧下で溶媒を除去してもよいし、スプレードライヤー等を用いて溶媒を揮発させてもよい。このなかでも、均一な複合状態を維持する観点及び造粒の観点から、スプレードライヤーを用いる方法が好ましい。   The method for evaporating and drying is not particularly limited. For example, the solvent may be removed under reduced pressure using a rotary evaporator or the like, or the solvent may be volatilized using a spray dryer or the like. Among these, a method using a spray dryer is preferable from the viewpoint of maintaining a uniform composite state and from the viewpoint of granulation.

前駆体の遷移金属の濃度は、0.01wt%〜10wt%が好ましく、0.05wt%〜5wt%がより好ましく、0.1wt%〜3wt%がさらに好ましい。   The concentration of the transition metal in the precursor is preferably 0.01 wt% to 10 wt%, more preferably 0.05 wt% to 5 wt%, and even more preferably 0.1 wt% to 3 wt%.

また、炭素原料及び窒素原料によって、熱処理工程によって得られる窒素含有炭素材料中の窒素含有量が大きく異なるため、窒素含有炭素材料の原子比(N/C)が上記範囲になるよう炭素原料と窒素原料の比率を調整することが好ましい。窒素含有炭素材料の原子比(N/C)は、N/Cの高い窒素原料を用いる及び/又は前駆体中の窒素原料の比率を上げることにより大きく制御することができ、N/Cの低い窒素原料を用いる及び/又は前駆体中の窒素原料の比率を下げることにより小さく制御することができる。   In addition, since the nitrogen content in the nitrogen-containing carbon material obtained by the heat treatment process varies greatly depending on the carbon material and the nitrogen material, the carbon material and the nitrogen are adjusted so that the atomic ratio (N / C) of the nitrogen-containing carbon material is within the above range. It is preferable to adjust the ratio of the raw materials. The atomic ratio (N / C) of the nitrogen-containing carbon material can be largely controlled by using a nitrogen material having a high N / C and / or increasing the ratio of the nitrogen material in the precursor, and having a low N / C. It can be controlled to be small by using a nitrogen raw material and / or decreasing the ratio of the nitrogen raw material in the precursor.

また、窒素含有炭素材料の原子比(M/C)は、前駆体中のM/Cを高めることにより大きく制御することができ、前駆体中のM/Cを下げることにより小さく制御することができる。   Further, the atomic ratio (M / C) of the nitrogen-containing carbon material can be largely controlled by increasing M / C in the precursor, and can be controlled small by decreasing M / C in the precursor. it can.

本実施形態に係る窒素含有炭素材料の製造方法は、上記に限定されず、他にも様々な窒素原料、炭素原料、及び遷移金属原料の組合せを用いることができる。そのなかでも、各原料(特に遷移金属原料)が均一に分散し、かつその濃度を上記一定の範囲内に制御できるような組合せを選定することが好ましい。このような観点から、前駆体は、キノリジニウム構造を有する化合物、及びアズルミン酸からなる群より選択される少なくとも一種を含有することが好ましい。これら化合物は、いずれも窒素原子及び炭素原子を有するため、窒素原料及び炭素原料として使用でき、遷移金属との親和性も高く、各原料が均一に分散した前駆体を調製するのに適している。   The method for producing the nitrogen-containing carbon material according to the present embodiment is not limited to the above, and various other combinations of nitrogen materials, carbon materials, and transition metal materials can be used. Among them, it is preferable to select a combination in which each raw material (especially a transition metal raw material) is uniformly dispersed and the concentration can be controlled within the above-mentioned predetermined range. From such a viewpoint, the precursor preferably contains at least one selected from the group consisting of a compound having a quinolizinium structure and azulmic acid. Since these compounds all have nitrogen atoms and carbon atoms, they can be used as nitrogen raw materials and carbon raw materials, have high affinity with transition metals, and are suitable for preparing precursors in which each raw material is uniformly dispersed. .

次に、前駆体の原料としてキノリジウム構造を有する化合物を用いる場合と、アズルミン酸を用いる場合に分けて、詳細を説明する。   Next, details will be described separately for the case where a compound having a quinolinium structure is used as the precursor raw material and the case where azulmic acid is used.

〔キノリジニウム構造を有する化合物を前駆体に用いる場合〕
キノリジニウム構造を有する化合物は、特に限定されないが、例えば、下記式(1)で表される。
[When a compound having a quinolizinium structure is used as a precursor]
Although the compound which has a quinolizinium structure is not specifically limited, For example, it represents with following formula (1).

式(1)中、R〜Rは、互いに独立して、水素原子、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、水酸基、スルホニル基、ハロゲン原子、ニトロ基、チオアルキル基、シアノ基、カルボキシ基、アミノ基、又はアミド基等の置換基であり、又はR〜Rのうち隣り合う二つの基が縮合環を形成していてもよい。 In formula (1), R 1 to R 8 are each independently a hydrogen atom, alkyl group, aryl group, alkoxy group, aryloxy group, hydroxyl group, sulfonyl group, halogen atom, nitro group, thioalkyl group, cyano group. , A carboxy group, an amino group, an amide group or the like, or two adjacent groups among R 1 to R 8 may form a condensed ring.

また、式(1)中、Bは、キノリジニウムの対アニオンであり、ハロゲン化物イオン、水酸化物イオン、有機酸イオン、炭酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、又はリン酸イオン等である。 In formula (1), B is a counter anion of quinolizinium, such as a halide ion, a hydroxide ion, an organic acid ion, a carbonate ion, a nitrate ion, a sulfate ion, or a phosphate ion.

キノリジニウム構造を有する化合物は、有機塩であることから極性溶媒に溶けやすく、親水性高分子等の炭素原料及び遷移金属錯体と均一に複合化しやすい傾向にある。また、一般に、窒素を含む有機物を熱処理して窒素含有炭素材料とする際、その有機物中の窒素原子の大部分は窒素分子、アンモニア、青酸等として脱離してしまうが、キノリジニウム構造を有する化合物における窒素原子は窒素含有炭素材料中に残りやすい性質をもっている。これにより、より高い酸素還元活性を有する窒素含有炭素材料を得ることができる傾向にある。   Since the compound having a quinolizinium structure is an organic salt, it is easily dissolved in a polar solvent, and tends to be uniformly complexed with a carbon raw material such as a hydrophilic polymer and a transition metal complex. In general, when a nitrogen-containing organic material is heat-treated to form a nitrogen-containing carbon material, most of the nitrogen atoms in the organic material are eliminated as nitrogen molecules, ammonia, hydrocyanic acid, etc., but in a compound having a quinolizinium structure Nitrogen atoms tend to remain in nitrogen-containing carbon materials. Thereby, it exists in the tendency which can obtain the nitrogen-containing carbon material which has higher oxygen reduction activity.

また、キノリジニウム構造を有する化合物の分子量は、200〜2500が好ましく、250〜2000がより好ましく、300〜1500がさらに好ましい。分子量が上記範囲内であることにより、キノリジニウム構造を有する化合物は炭素化しやすい傾向にある。また、キノリジニウム構造を有する化合物中のキノリジニウム構造の分子量の割合は、5〜100%が好ましく、10〜95%がより好ましく、20〜90%がさらに好ましい。分子量の割合が上記範囲内であることにより、含窒素炭素材料の酸素還元活性により優れる傾向にある。   The molecular weight of the compound having a quinolizinium structure is preferably 200 to 2500, more preferably 250 to 2000, and further preferably 300 to 1500. When the molecular weight is within the above range, a compound having a quinolizinium structure tends to be easily carbonized. The proportion of the molecular weight of the quinolizinium structure in the compound having a quinolizinium structure is preferably 5 to 100%, more preferably 10 to 95%, and still more preferably 20 to 90%. When the ratio of the molecular weight is within the above range, the oxygen-reducing activity of the nitrogen-containing carbon material tends to be superior.

上記キノリジニウム構造を有する化合物としては、特に限定されないが、例えば、下記式(2)〜(4)で表される化合物が挙げられる。このような化合物は、極性溶媒、特に水や低級アルコールへの溶解性に優れ、キノリジニウム構造を有する化合物中のキノリジニウム構造の分子量の割合、キノリジニウム構造を有する化合物の分子量が適切な範囲にある。   Although it does not specifically limit as a compound which has the said quinolizinium structure, For example, the compound represented by following formula (2)-(4) is mentioned. Such a compound has excellent solubility in polar solvents, particularly water and lower alcohols, and the ratio of the molecular weight of the quinolizinium structure in the compound having a quinolizinium structure and the molecular weight of the compound having a quinolizinium structure are in an appropriate range.

遷移金属原料とキノリジニウム構造を有する化合物とを複合化する場合、遷移金属原料としては、塩化物、臭化物、又はヨウ化物が好ましい。この詳細は不明であるが、例えば1−ブチルピリジニウムブロミドと塩化鉄(III)を混合すると1−ブチルピリジニウムテトラクロロフェレート(III)になることが知られており(J.Mol.Liq.169巻、p152−155(2012年))、これと同様にキノリジニウム構造を有する化合物の対アニオンと遷移金属の塩化物、臭化物又はヨウ化物とが結合して、キノリジニウム構造を有する化合物と遷移金属錯体の均一な複合化が達成されていることが予想される。
When the transition metal raw material and the compound having a quinolizinium structure are combined, the transition metal raw material is preferably chloride, bromide, or iodide. Although details of this are unknown, for example, it is known that 1-butylpyridinium bromide and iron (III) chloride are mixed to form 1-butylpyridinium tetrachloroferrate (III) (J. Mol. Liq. 169). Similarly, the counter anion of a compound having a quinolidinium structure and a transition metal chloride, bromide, or iodide are combined to form a compound having a quinolidinium structure and a transition metal complex. It is expected that uniform complexing has been achieved.

〔アズルミン酸を前駆体に用いる場合〕
アズルミン酸とは、主として青酸を重合して得られる重合物の総称であり、窒素を含む有機高分子である。アズルミン酸の詳細な化学構造は同定されていないが、Angew.Chem.72巻、p379−384(1960年)や、真空科学、16巻、p64−72(1969年)などの文献においては、式(5)で表される構造が代表的な構造だと推定されている。
[When azulmic acid is used as a precursor]
Azulmic acid is a general term for polymers obtained by polymerizing hydrocyanic acid, and is an organic polymer containing nitrogen. Although the detailed chemical structure of azulmic acid has not been identified, Angew. Chem. 72, p379-384 (1960), and vacuum science, 16, p64-72 (1969) etc., it is estimated that the structure represented by the formula (5) is a typical structure. Yes.

アズルミン酸と遷移金属原料とを複合化させる方法は、特に限定されないが、例えば、アズルミン酸を溶媒に溶解させて遷移金属原料を添加する方法、アズルミン酸の重合中に遷移金属錯体を共存させる方法が挙げられる。アズルミン酸は様々な溶媒に対して溶解性が乏しい物質であるので、より均一に複合化させる観点から、アズルミン酸の重合中に遷移金属錯体と共存させることが好ましい。   The method of combining azulmic acid and the transition metal raw material is not particularly limited. For example, a method of adding a transition metal raw material by dissolving azulmic acid in a solvent, a method of coexisting a transition metal complex during polymerization of azulmic acid Is mentioned. Azulmic acid is a substance that is poorly soluble in various solvents. Therefore, it is preferable to coexist with a transition metal complex during the polymerization of azulmic acid from the viewpoint of more uniform complexing.

アズルミン酸の重合方法としては、特に限定されないが、例えば、液化青酸や青酸水溶液を加熱する方法、液化青酸や青酸水溶液を長時間放置する方法、液化青酸や青酸水溶液に塩基を添加する方法、液化青酸や青酸水溶液に光を照射する方法、液化青酸や青酸水溶液に高エネルギーの放射をする方法、液化青酸や青酸水溶液の存在下で種々の放電を行う方法、シアン化カリウム水溶液を電気分解する方法等が挙げられる。アズルミン酸と遷移金属錯体を複合化する観点から、青酸水溶液に水溶性の遷移金属錯体及び塩基を添加して重合する方法が好ましい。   The method for polymerizing azulmic acid is not particularly limited. For example, a method for heating liquefied hydrocyanic acid or an aqueous solution of hydrocyanic acid, a method for leaving liquefied hydrocyanic acid or an aqueous solution of hydrocyanic acid for a long time, a method for adding a base to liquefied hydrocyanic acid or an aqueous solution of hydrocyanic acid, or liquefaction. A method of irradiating light to hydrocyanic acid or aqueous solution of hydrocyanic acid, a method of emitting high energy to liquefied hydrocyanic acid or aqueous solution of hydrocyanic acid, a method of performing various discharges in the presence of liquefied hydrocyanic acid or aqueous solution of hydrocyanic acid, a method of electrolyzing an aqueous solution of potassium cyanide, etc. Can be mentioned. From the viewpoint of complexing azulmic acid and a transition metal complex, a method of polymerizing by adding a water-soluble transition metal complex and a base to an aqueous hydrocyanic acid solution is preferable.

アズルミン酸の重合中に共存させる遷移金属錯体は、水への溶解しやすさの観点から、遷移金属の塩化物、臭化物、ヨウ化物、硝酸化物、硫酸化物、リン酸化物、酢酸化物、シアン化物等が好ましい。また、重合の際に添加する塩基としては、特に限定されないが、例えば、アンモニア、アミン、アルカリ金属の水酸化物;アルカリ土類金属の水酸化物;金属アルコキシド等を用いることができる。このなかでも、不要な金属が混入しないアンモニアやアミンを用いることが好ましい。   Transition metal complexes that coexist during the polymerization of azulmic acid are transition metal chlorides, bromides, iodides, nitrates, sulfates, phosphates, acetates, and cyanides from the standpoint of ease of dissolution in water. Etc. are preferred. The base to be added at the time of polymerization is not particularly limited. For example, ammonia, amine, hydroxide of alkali metal; hydroxide of alkaline earth metal; metal alkoxide can be used. Among these, it is preferable to use ammonia or amine in which unnecessary metals are not mixed.

青酸水溶液に水溶性の遷移金属錯体及び塩基を添加して重合すると、遷移金属を含有したアズルミン酸が褐色の粒子として析出する。その後、蒸発乾固もしくは濾過によって溶媒を除去することにより、遷移金属錯体が均一に分散したアズルミン酸が得られる。   When a water-soluble transition metal complex and a base are added to a hydrocyanic acid aqueous solution and polymerized, azulmic acid containing a transition metal is precipitated as brown particles. Thereafter, the solvent is removed by evaporation to dryness or filtration to obtain azulmic acid in which the transition metal complex is uniformly dispersed.

〔熱処理工程〕
熱処理工程では、前駆体調製工程で得られた前駆体を熱処理して、窒素含有炭素材料を得る。熱処理工程は一段階であってもよいが、二段階以上であってもよい。このなかでも、熱処理工程において、不活性ガス雰囲気下での熱処理と、アンモニア含有ガス雰囲気下での熱処理とを行なうことが好ましい。このような熱処理工程を行うことで、酸素還元活性により優れる窒素含有炭素材料が得られる傾向にある。
[Heat treatment process]
In the heat treatment step, the precursor obtained in the precursor preparation step is heat treated to obtain a nitrogen-containing carbon material. The heat treatment process may be one stage, but may be two or more stages. Among these, it is preferable to perform a heat treatment in an inert gas atmosphere and a heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere in the heat treatment step. By performing such a heat treatment step, a nitrogen-containing carbon material excellent in oxygen reduction activity tends to be obtained.

上記不活性ガスとしては、特に限定されないが、例えば、窒素、希ガス、真空等を用いることができる。不活性ガス下で炭素化を行う際、所定温度以上であることにより、炭素化が十分に進行する傾向にある。また、所定温度以下であることにより、シェル状構造の生成が抑制される傾向にある。そのため、熱処理温度には適正な範囲がある。この適正な熱処理温度は前駆体によって異なり、例えば、式(1)〜(4)で表される化合物、フェノール樹脂及び臭化鉄(II)からなる前駆体を用いる場合は、400〜800℃であることが好ましく、450〜750℃であることがより好ましく、500〜700℃であることがさらに好ましい。また、熱処理時間は5分〜50時間であることが好ましく、10分〜20時間であることがより好ましく、20分〜10時間であることがさらに好ましい。一方、アズルミン酸及び硝酸鉄(III)からなる前駆体を用いる場合は、600〜1100℃であることが好ましく、700〜1000℃であることがより好ましく、800〜950℃であることがさらに好ましい。熱処理時間は5分〜50時間であることが好ましく、10分〜20時間であることがより好ましく、20分〜10時間であることがさらに好ましい。適正な熱処理温度が異なる理由は、原料によって炭化のしやすさや、遷移金属ナノ粒子のできやすさが違うためと考えられる。   Although it does not specifically limit as said inert gas, For example, nitrogen, a noble gas, a vacuum etc. can be used. When carbonization is performed under an inert gas, the carbonization tends to proceed sufficiently by being at a predetermined temperature or higher. Moreover, it exists in the tendency for the production | generation of a shell-like structure to be suppressed by being below predetermined temperature. Therefore, there is an appropriate range for the heat treatment temperature. The appropriate heat treatment temperature varies depending on the precursor. For example, when a precursor composed of a compound represented by formulas (1) to (4), a phenol resin and iron (II) bromide is used, the temperature is 400 to 800 ° C. It is preferable that the temperature is 450 to 750 ° C, more preferably 500 to 700 ° C. The heat treatment time is preferably 5 minutes to 50 hours, more preferably 10 minutes to 20 hours, and further preferably 20 minutes to 10 hours. On the other hand, when using the precursor which consists of azurmic acid and iron nitrate (III), it is preferable that it is 600-1100 degreeC, It is more preferable that it is 700-1000 degreeC, It is more preferable that it is 800-950 degreeC. . The heat treatment time is preferably 5 minutes to 50 hours, more preferably 10 minutes to 20 hours, and further preferably 20 minutes to 10 hours. The reason why the appropriate heat treatment temperature is different is considered to be because the easiness of carbonization and the ease of producing transition metal nanoparticles differ depending on the raw materials.

最終的に得られる窒素含有炭素材料の結晶化度は0.1以下であるが、アモルファス構造よりもシェル状構造の方が安定であり、一度結晶化度を上げてから再び結晶化度を下げることは困難である。そのため、結晶化度は常に0.1以下に維持することが好ましい。結晶化度は、熱処理温度を低温にする及び/又は熱処理時間を短くすることにより小さく制御することができる。熱処理によって遷移金属原料が分解し、金属単体、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物等の粒子(以下、単に「遷移金属粒子」ともいう。)が一部生成する場合があるが、これは含窒素炭素触媒の結晶化度を向上させる傾向にある。この場合、遷移金属粒子を適宜除去することにより、結晶化度を小さく制御することができる。また、熱処理温度を高温にする及び/又は熱処理時間を長くする及び/又は遷移金属を除去しないことにより、結晶化度を大きく制御することができる。   Although the crystallinity of the nitrogen-containing carbon material finally obtained is 0.1 or less, the shell-like structure is more stable than the amorphous structure, and once the crystallinity is increased, the crystallinity is decreased again. It is difficult. Therefore, it is preferable to always maintain the crystallinity at 0.1 or less. The crystallinity can be controlled to be small by lowering the heat treatment temperature and / or shortening the heat treatment time. Although the transition metal raw material is decomposed by the heat treatment, particles such as simple metals, metal oxides, metal carbides, metal nitrides (hereinafter also simply referred to as “transition metal particles”) may be generated. It tends to improve the crystallinity of the nitrogen-containing carbon catalyst. In this case, the degree of crystallinity can be controlled to be small by appropriately removing the transition metal particles. Further, the crystallinity can be largely controlled by increasing the heat treatment temperature and / or lengthening the heat treatment time and / or not removing the transition metal.

アンモニア含有ガス下で熱処理する場合、アンモニア含有ガスとしては、特に限定されないが、例えば、アンモニアのみ、又はアンモニアを窒素や希ガスで希釈したガスを用いることが好ましい。アンモニア含有ガス下で熱処理する場合、熱処理温度は600〜1200℃であることが好ましく、700〜1100℃であることがより好ましく、800〜1050℃であることがさらに好ましい。熱処理時間は5分〜5時間であることが好ましく、10分〜3時間であることがより好ましく、15分〜2時間であることがさらに好ましい。熱処理温度、熱処理時間が上記範囲内であることにより酸素還元活性により優れる窒素含有炭素材料が得られる傾向にある。   When the heat treatment is performed under an ammonia-containing gas, the ammonia-containing gas is not particularly limited. For example, it is preferable to use only ammonia or a gas obtained by diluting ammonia with nitrogen or a rare gas. When the heat treatment is performed under an ammonia-containing gas, the heat treatment temperature is preferably 600 to 1200 ° C, more preferably 700 to 1100 ° C, and further preferably 800 to 1050 ° C. The heat treatment time is preferably 5 minutes to 5 hours, more preferably 10 minutes to 3 hours, and further preferably 15 minutes to 2 hours. When the heat treatment temperature and the heat treatment time are within the above ranges, a nitrogen-containing carbon material excellent in oxygen reduction activity tends to be obtained.

熱処理工程の条件によっても、含窒素炭素材料の原子比(N/C),(M/C)は変化する。熱処理温度を高温にする及び/又は熱処理時間を長くすることにより、N/Cを小さくかつM/Cを大きく制御することができ、熱処理温度を低温にする及び/又は熱処理時間を短くすることにより、N/Cを大きくかつM/Cを小さく制御することができる。   The atomic ratios (N / C) and (M / C) of the nitrogen-containing carbon material also change depending on the conditions of the heat treatment step. By increasing the heat treatment temperature and / or lengthening the heat treatment time, it is possible to control N / C to be small and M / C to be large, and to lower the heat treatment temperature and / or to shorten the heat treatment time. , N / C can be increased and M / C can be decreased.

アンモニア含有ガス下で熱処理することにより、得られる窒素含有炭素材料のBET比表面積が増大する。アンモニア濃度を高める及び/又はアンモニア含有ガス下での熱処理温度を高温にする及び/又はアンモニア含有ガス下での熱処理時間を長くすることによりBET比表面積を大きく制御することができ、アンモニア濃度を下げる及び/又はアンモニア含有ガス下での熱処理温度を低温にする及び/又はアンモニア含有ガス下での熱処理時間を短くすることによりBET比表面積を小さく制御することができる。   By performing the heat treatment under an ammonia-containing gas, the BET specific surface area of the obtained nitrogen-containing carbon material is increased. The BET specific surface area can be largely controlled by increasing the ammonia concentration and / or increasing the heat treatment temperature under the ammonia-containing gas and / or increasing the heat treatment time under the ammonia-containing gas, thereby lowering the ammonia concentration. In addition, the BET specific surface area can be controlled to be small by lowering the heat treatment temperature under the ammonia-containing gas and / or shortening the heat treatment time under the ammonia-containing gas.

不活性ガス下での熱処理及び/又はアンモニア含有ガス下での熱処理の前後には、塩酸や硫酸等を用いて遷移金属の一部を除去してもよい。特に、熱処理によって遷移金属粒子が生成する場合には、後の熱処理工程における結晶化度増大の抑制の観点から、遷移金属粒子を除去することが好ましい。遷移金属粒子のできやすさは原料の種類、金属濃度、金属の分散性、熱処理温度等によって変化する。例えば、キノリジニウム構造を有する化合物を用いた場合は、遷移金属粒子が生成しやすいため、酸洗浄を行って遷移金属を除去することが好ましい。一方、アズルミン酸では遷移金属粒子が生成しにくいため、酸洗浄が不要な場合が多い。ただし、キノリジニウム構造を有する化合物を用いる場合であっても、金属錯体の種類や濃度を変更すれば、酸洗浄は不要となる場合もある。また、遷移金属粒子の除去率を高めるために、不活性ガス下での熱処理及び/又はアンモニア含有ガス下での熱処理の工程を複数に分割し、遷移金属の除去を繰り返し行うことが好ましい。   Before and after the heat treatment under an inert gas and / or the heat treatment under an ammonia-containing gas, a part of the transition metal may be removed using hydrochloric acid, sulfuric acid or the like. In particular, when transition metal particles are generated by heat treatment, it is preferable to remove the transition metal particles from the viewpoint of suppressing increase in crystallinity in a subsequent heat treatment step. The ease with which transition metal particles can be produced varies depending on the type of raw material, metal concentration, metal dispersibility, heat treatment temperature, and the like. For example, when a compound having a quinolizinium structure is used, transition metal particles are likely to be generated. Therefore, it is preferable to perform acid cleaning to remove the transition metal. On the other hand, since it is difficult to produce transition metal particles with azulmic acid, acid cleaning is often unnecessary. However, even when a compound having a quinolizinium structure is used, if the type and concentration of the metal complex are changed, acid cleaning may not be necessary. Further, in order to increase the removal rate of the transition metal particles, it is preferable to divide the heat treatment step under an inert gas and / or the heat treatment step under an ammonia-containing gas into a plurality of steps and repeatedly remove the transition metal.

〔用途〕
本実施形態に係る窒素含有炭素材料は、燃料電池用電極などに好適に用いることができる。窒素含有炭素材料を含む燃料電池用電極は、高い酸素還元性を有する。酸素還元触媒から酸素還元電極、燃料電池等を得る方法は、特に限定されず、一般的な固体高分子形燃料電池の製造方法を用いることができる。(例えば、特許文献1参照)
[Use]
The nitrogen-containing carbon material according to the present embodiment can be suitably used for a fuel cell electrode or the like. A fuel cell electrode containing a nitrogen-containing carbon material has high oxygen reducing ability. A method for obtaining an oxygen reduction electrode, a fuel cell, and the like from the oxygen reduction catalyst is not particularly limited, and a general method for producing a solid polymer fuel cell can be used. (For example, see Patent Document 1)

以下に実施例等を挙げて本実施形態をさらに詳細に説明するが、これらは例示的なものであり、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。当業者は、以下に示す実施例に様々な変更を加えて本実施形態として実施することができ、かかる変更は本発明の範囲に包含される。   Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples and the like. However, these are illustrative, and the present embodiment is not limited to the following examples. Those skilled in the art can implement the present embodiment by making various modifications to the examples shown below, and such modifications are included in the scope of the present invention.

分析方法は以下のとおりとした。
<分析方法>
(電子線マイクロアナライザ測定)
実施例及び比較例で得られた炭素材料を手動の錠剤成型器で押し固め、3mmφのペレットとして電子線マイクロアナライザ(日本電子製、「JXA−8200」を使用)測定を行った。加速電圧は15kV、照射電流は20nA、プローブ径は50μmに設定し、C,N,O,Feについて測定を行い、装置付属の「ZAF Metal」プログラムによって補正を行った。これによってC,N及びFe(以下、「M」ともいう。)の原子比N/C,M/Cを得た。
The analysis method was as follows.
<Analysis method>
(Electron microanalyzer measurement)
The carbon materials obtained in the examples and comparative examples were pressed and compacted with a manual tablet molding machine, and the electron beam microanalyzer (manufactured by JEOL Ltd., “JXA-8200” was used) was measured as a 3 mmφ pellet. The acceleration voltage was set to 15 kV, the irradiation current was set to 20 nA, the probe diameter was set to 50 μm, C, N, O, and Fe were measured and corrected by the “ZAF Metal” program attached to the apparatus. As a result, atomic ratios N / C and M / C of C, N and Fe (hereinafter also referred to as “M”) were obtained.

(BET比表面積測定)
JIS Z8830「気体吸着による粉体(固体)の比表面積測定方法」に従って測定した。
(BET specific surface area measurement)
It was measured according to JIS Z8830 “Method for measuring specific surface area of powder (solid) by gas adsorption”.

(結晶化度測定)
実施例及び比較例で得られた炭素材料を、シリコン無反射試料板の凹部(18mm×20mm×厚さ0.2mm)に入れ、炭素材料表面と試料板の基準面の高さが一致するようにスライドガラスで押さえながら均一に充填し、X線回折装置(Ultima IV、リガク製)にてX線回折測定を行った。X線管球への印加電圧及び電流は、それぞれ40kV及び40mAとした。入射X線にはCuKαを用い、黒鉛モノクロメータにて単色化した。サンプリング間隔は0.1°、走査速度は1°/min、測定範囲(2θ)は5〜100°とした。
(Measurement of crystallinity)
The carbon materials obtained in the examples and comparative examples are put into the recesses (18 mm × 20 mm × thickness 0.2 mm) of the silicon non-reflective sample plate so that the heights of the carbon material surface and the reference surface of the sample plate match. The sample was uniformly filled while being pressed with a slide glass, and X-ray diffraction measurement was performed with an X-ray diffractometer (Ultima IV, manufactured by Rigaku). The applied voltage and current to the X-ray tube were 40 kV and 40 mA, respectively. For incident X-rays, CuKα was used and monochromatized with a graphite monochromator. The sampling interval was 0.1 °, the scanning speed was 1 ° / min, and the measurement range (2θ) was 5 to 100 °.

X線回折測定で得た回折線図において、図1に示すように、15〜32°の範囲について強度補正及びバックグラウンド補正を行った。まず、各回折角における回折強度を強度補正係数FCTで除して強度補正を行い、次に15〜20°付近と30〜35°付近を結んだ直線をバックグラウンドとして差し引いてバックグラウンド補正を行った。   In the diffraction diagram obtained by the X-ray diffraction measurement, as shown in FIG. 1, intensity correction and background correction were performed in the range of 15 to 32 °. First, the intensity was corrected by dividing the diffraction intensity at each diffraction angle by the intensity correction coefficient FCT, and then the background was corrected by subtracting the straight line connecting the vicinity of 15-20 ° and the vicinity of 30-35 ° as the background. .

FCTは、ローレンツ因子L、偏光因子P、吸収因子A及び炭素の原子散乱因子fを用いて以下の数式より表される。
FCT=L×P×A×f
(式中、X線回折装置のゴニオメーターの角度をθとすると、
L=1/(sinθ・cosθ),
P=(1+cos(2θ)・cos(26.56°))/(1+cos(26.56°))
A=(1−(sin(2θ))/(2μb))×(1−exp(−2μt/sinθ))+((2tcosθ)/b)×exp(−2μt/sinθ)であり、
ここで、μは炭素の線吸収係数で0.4219mm−1
=Rsinβ(Rはゴニオメーター半径で285mm,βは発散スリット角で2/3°),
tは試料厚み0.2mmであり、
=2.26069exp(−0.226907×s)+1.56165exp(−0.00656665×s)+1.05075exp(−0.0975618×s)+0.839259exp(0.555949×s)+0.286977であり、s=(sinθ)/0.15419である。
FCT is the Lorentz factor L, the polarization factor P, expressed by the following equation using the atomic scattering factor f c of the absorption factor A and the carbon.
FCT = L × P × A × f c 2
(In the formula, if the angle of the goniometer of the X-ray diffractometer is θ,
L = 1 / (sin 2 θ · cos θ),
P = (1 + cos 2 (2θ) · cos 2 (26.56 °)) / (1 + cos 2 (26.56 °))
A = (1− (sin (2θ)) / (2 μb r )) × (1−exp (−2 μt / sin θ)) + ((2t cos θ) / b r ) × exp (−2 μt / sin θ)
Here, μ is a linear absorption coefficient of carbon of 0.4219 mm −1 ,
b r = R sin β (R is a goniometer radius of 285 mm, β is a divergence slit angle of 2/3 °),
t is a sample thickness of 0.2 mm,
f c = 2.26069exp (-0.226907 × s 2) + 1.56165exp (-0.00656665 × s 2) + 1.05075exp (-0.0975618 × s 2) + 0.839259exp (0.555949 × s 2) +0.286997, and s = (sin θ) /0.15419.

強度補正及びバックグラウンド補正を行ったX線回折線図には、回折角(2θ)において26°付近に炭素(002)面の回折ピークが現れた。このピークにはシェル状構造に由来する26.4°±0.4°で半値全幅が1°以下の先鋭なピークと、アモルファス構造に由来するシェル状構造よりも低角側でブロードなピークの2種類が混合していた。   In the X-ray diffraction diagram subjected to intensity correction and background correction, a diffraction peak of the carbon (002) plane appeared near 26 ° at the diffraction angle (2θ). This peak has a sharp peak of 26.4 ° ± 0.4 ° derived from the shell-like structure and a full width at half maximum of 1 ° or less, and a broader peak at a lower angle than the shell-like structure derived from the amorphous structure. Two types were mixed.

図2に示すように、バックグラウンド補正及び強度補正を行ったX線回折線図について、各成分をガウス関数としてピーク強度、ピーク位置、ピーク半値全幅をパラメーターとして最適化することにより、フィッティングを行ってピークを分離した。なお、アモルファス構造を多く含む炭素材料ではシェル状構造由来のピークとアモルファス構造由来のピークが一体になってしまい明確に区別できない場合があった。このときは、一体となったピークトップが26.4°±0.4°の範囲にあれば、それをシェル状構造のピーク位置とした。また、一体とピークトップが26.4°±0.4°の範囲になければ、26.4°をシェル状構造のピーク位置とした。また、シェル状構造のピーク半値全幅は1°以下であり、アモルファス構造のピーク位置はシェル状構造のピーク位置よりも低角側にあり、ピーク半値全幅は3°以上であるという条件でフィッティングを行った。   As shown in FIG. 2, the X-ray diffraction diagram subjected to background correction and intensity correction was fitted by optimizing each component as a Gaussian function with the peak intensity, peak position, and full width at half maximum as parameters. The peaks were separated. In the case of a carbon material containing a large amount of an amorphous structure, the peak derived from the shell structure and the peak derived from the amorphous structure are integrated and sometimes cannot be clearly distinguished. At this time, if the integrated peak top was in the range of 26.4 ° ± 0.4 °, it was regarded as the peak position of the shell-like structure. If the integral and the peak top were not in the range of 26.4 ° ± 0.4 °, 26.4 ° was taken as the peak position of the shell-like structure. Also, fitting is performed under the condition that the full width at half maximum of the shell-like structure is 1 ° or less, the peak position of the amorphous structure is on the lower angle side than the peak position of the shell-like structure, and the full width at half maximum of the peak is 3 ° or more. went.

以上の操作により、ピーク分離によって得られたシェル状構造に由来するピークの面積とアモルファス構造に由来するピークの面積の合計に対するシェル状構造に由来するピークの面積を結晶化度とした。   By the above operation, the peak area derived from the shell structure with respect to the sum of the peak area derived from the shell structure obtained by peak separation and the peak area derived from the amorphous structure was defined as the crystallinity.

(電気化学測定)
実施例及び比較例で用いた、電極作製法及び回転電極法によるリニアスイープボルタンメトリーの測定方法(日厚計測製の回転リングディスク電極装置「RRDE−1」を使用。)を以下に示す。まず、バイアル瓶に、実施例又は比較例で作製した炭素材料5mgを秤取し、そこに、ガラスビーズをスパチュラ一杯、5質量%ナフィオン(商品名、登録商標)分散液(シグマアルドリッチジャパン製)を50μL、並びにイオン交換水及びエタノールをそれぞれ150μLずつ添加し、それらの混合物に20分間超音波を照射してスラリーを作製した。このスラリーを4μL秤取し、回転電極のガラス状炭素上(0.2828cm2)に塗布し、飽和水蒸気下で乾燥した。乾燥後の回転電極を作用極とし、可逆水素電極(RHE)を参照極として、炭素電極を対極とした。0.5M硫酸を電解液とし、その電解液に酸素を30分間バブリングした後、掃引速度5mV/s、回転速度1500rpmで1.1Vから0Vまで掃引して電気化学測定を行った。
(Electrochemical measurement)
The measurement method of linear sweep voltammetry by using the electrode manufacturing method and the rotating electrode method (using a rotating ring disk electrode device “RRDE-1” manufactured by Nisshi Kogyo) used in Examples and Comparative Examples is shown below. First, 5 mg of the carbon material prepared in the example or the comparative example was weighed into a vial bottle, and a glass bead was filled with a spatula and a 5 mass% Nafion (trade name , registered trademark ) dispersion (manufactured by Sigma Aldrich Japan). And 150 μL each of ion-exchanged water and ethanol were added, and the mixture was irradiated with ultrasonic waves for 20 minutes to prepare a slurry. 4 μL of this slurry was weighed, applied onto glassy carbon (0.2828 cm 2 ) of the rotating electrode, and dried under saturated steam. The dried rotating electrode was the working electrode, the reversible hydrogen electrode (RHE) was the reference electrode, and the carbon electrode was the counter electrode. 0.5M sulfuric acid was used as an electrolyte, and oxygen was bubbled through the electrolyte for 30 minutes, and then the electrochemical measurement was performed by sweeping from 1.1 V to 0 V at a sweep speed of 5 mV / s and a rotation speed of 1500 rpm.

[実施例1]
<前駆体調製工程>
上記式(2)で表される化合物(ジャーナルオブオーガニックケミストリー(1964年)29巻、4号、856−858頁に記載の方法で合成した)2.0gと、臭化鉄(II)(シグマアルドリッチジャパン製)0.20gと、を60mLの純水に70℃で溶解させた。次にフェノール樹脂(群栄化学工業製、レジトップ(登録商標)PSK−2320)1.3gを50mLのエタノールに溶解させて、これを先程の70℃の溶液に滴下した。このとき、フェノール樹脂が析出するので、さらに70mLのエタノールを加えて1時間還流して溶解させた後、エタノールを減圧留去し、真空乾燥し、3.2gの前駆体を得た。
[Example 1]
<Precursor preparation step>
2.0 g of the compound represented by the above formula (2) (synthesized by the method described in Journal of Organic Chemistry (1964) Vol. 29, No. 4, pp. 856-858) and iron (II) bromide (Sigma) Aldrich Japan) (0.20 g) was dissolved in 60 mL of pure water at 70 ° C. Next, 1.3 g of phenol resin (manufactured by Gunei Chemical Industry Co., Ltd., REGITOP (registered trademark) PSK-2320) was dissolved in 50 mL of ethanol, and this was added dropwise to the solution at 70 ° C. At this time, since a phenol resin was precipitated, 70 mL of ethanol was further added and refluxed for 1 hour for dissolution, and then ethanol was distilled off under reduced pressure, followed by vacuum drying to obtain 3.2 g of a precursor.

<熱処理工程>
前駆体調製工程で得られた前駆体3.2gを石英ボートに載置し、内径35mmの石英管状炉に収容し、1.2NL/minの窒素流通下で600℃において5時間熱処理した。冷却後、直径10mmφの窒化炭素製ボールを入れた遊星型ボールミル(フリッチュ製、「Pulverisette−7」を使用)を用いて90分間乾式粉砕した。粉砕された炭化物を、目開き106μmの篩を通過させた後、水/エタノール=1/1(体積比)混合液と直径0.5mmφのジルコニア製ボールとを入れた遊星型ボールミルを用いて90分間湿式粉砕し、平均粒子径0.35μmとなった。粉砕後の炭化物1.5gを36質量%の濃塩酸500mL中に入れ、常温で4時間撹拌し、炭化物表面の鉄を溶解除去した。これをメンブレンフィルターで濾過し、イオン交換水で洗浄した後、80℃において真空乾燥して、炭化物を得た。
<Heat treatment process>
3.2 g of the precursor obtained in the precursor preparation step was placed on a quartz boat, accommodated in a quartz tube furnace having an inner diameter of 35 mm, and heat-treated at 600 ° C. for 5 hours under a nitrogen flow of 1.2 NL / min. After cooling, it was dry-ground for 90 minutes using a planetary ball mill (made by Fritsch, “Pulverisete-7”) containing carbon nitride balls having a diameter of 10 mmφ. The pulverized carbide is passed through a sieve having an opening of 106 μm, and then is mixed with a planetary ball mill containing a water / ethanol = 1/1 (volume ratio) mixture and zirconia balls having a diameter of 0.5 mmφ. The mixture was wet pulverized for a minute to obtain an average particle size of 0.35 μm. The ground carbide (1.5 g) was placed in 500 mL of 36 mass% concentrated hydrochloric acid and stirred at room temperature for 4 hours to dissolve and remove iron on the surface of the carbide. This was filtered with a membrane filter, washed with ion exchange water, and then vacuum dried at 80 ° C. to obtain a carbide.

乾燥後の炭化物を上記と同じ加熱炉に入れ、1.2NL/minのアンモニアガス/窒素=1/1(体積比)混合ガス流通下で800℃において1時間熱処理した。冷却後の炭化物1.0gを36質量%の濃塩酸500mL中に入れ、常温で4時間撹拌し、炭化物表面の鉄を溶解除去した。これをメンブレンフィルターで濾過し、イオン交換水で洗浄した後、80℃において真空乾燥した。   The dried carbide was put in the same heating furnace as described above, and heat-treated at 800 ° C. for 1 hour under a flow of 1.2 NL / min ammonia gas / nitrogen = 1/1 (volume ratio) mixed gas. After cooling, 1.0 g of the carbide was put into 500 mL of 36% by mass concentrated hydrochloric acid and stirred at room temperature for 4 hours to dissolve and remove iron on the surface of the carbide. This was filtered with a membrane filter, washed with ion-exchanged water, and then vacuum-dried at 80 ° C.

乾燥後の炭化物を上記と同じ加熱炉に入れ、1.2NL/minのアンモニアガス/窒素=1/1(体積比)混合ガス流通下で1000℃において1時間熱処理し、窒素含有炭素材料を0.30g得た。この窒素含有炭素材料について電子線マイクロアナライザ(日本電子製、「JXA−8200」を使用)で求めたN/C及びM/C、BET法(日本ベル製、「Belsorp mini−II」を使用)で求めた比表面積、X線回折で求めた結晶化度を表1に示す。また、電気化学測定の結果を図3に示す。   The dried carbide is put in the same heating furnace as described above, and heat treated at 1000 ° C. for 1 hour under a flow of 1.2 NL / min ammonia gas / nitrogen = 1/1 (volume ratio) mixed gas. .30 g was obtained. N / C and M / C obtained by electron beam microanalyzer (manufactured by JEOL, using “JXA-8200”), and BET method (manufactured by Nippon Bell, using “Belsorb mini-II”). Table 1 shows the specific surface area obtained in step 1 and the crystallinity obtained by X-ray diffraction. Moreover, the result of the electrochemical measurement is shown in FIG.

[比較例1]
<熱処理工程>
粉砕後の炭化物表面の鉄を溶解除去する作業をせず、過剰量の鉄を残しておいたこと以外は、実施例1と同じ条件で窒素含有炭素材料を調製した。この窒素含有炭素材料について電子線マイクロアナライザ(日本電子製、「JXA−8200」を使用)で求めたN/C及びFe/C、BET法(日本ベル製、「Belsorp mini−II」を使用)で求めた比表面積、X線回折で求めた結晶化度を表1に示す。また、電気化学測定の結果を図3に示す。
[Comparative Example 1]
<Heat treatment process>
A nitrogen-containing carbon material was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the iron on the carbide surface after pulverization was not dissolved and removed, and an excessive amount of iron was left. N / C and Fe / C obtained by an electron beam microanalyzer (manufactured by JEOL, using “JXA-8200”) and the BET method (manufactured by Nippon Bell, using “Belsorb mini-II”). Table 1 shows the specific surface area obtained in step 1 and the crystallinity obtained by X-ray diffraction. Moreover, the result of the electrochemical measurement is shown in FIG.

[実施例2]
<前駆体調製工程>
青酸81g、酢酸6.4g及び純水124gの混合溶液中に、ヘキサシアノ鉄(II)酸アンモニウムn水和物(和光純薬工業製)1.5g及び25%アンモニア水14g(和光純薬工業製)を添加した。その後、徐々に加温し、最終的に80℃で7時間撹拌を行った。混合溶液中に生じた黒色の固形分をメンブレンフィルターで濾過し、真空乾燥を行い、前駆体として、鉄を含有したアズルミン酸を57g得た。
[Example 2]
<Precursor preparation step>
In a mixed solution of 81 g of cyanuric acid, 6.4 g of acetic acid and 124 g of pure water, 1.5 g of ammonium hexacyanoferrate (II) n-hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 14 g of 25% aqueous ammonia (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) ) Was added. Thereafter, the mixture was gradually heated and finally stirred at 80 ° C. for 7 hours. The black solid content generated in the mixed solution was filtered with a membrane filter and vacuum-dried to obtain 57 g of azulmic acid containing iron as a precursor.

<熱処理工程>
前駆体調製工程で得られた前駆体のうち3.0gを石英ボートに載置し、内径35mmの石英管状炉に収容し、1.2NL/minの窒素流通下で900℃において1時間熱処理した。冷却後、直径10mmφの窒化炭素製ボールを入れた遊星型ボールミル(フリッチュ製、「Pulverisette−7」を使用)を用いて90分間乾式粉砕した。粉砕された炭化物を、目開き106μmの篩を通過させた後、水/エタノール=1/1(体積比)混合液と直径0.5mmφのジルコニア製ボールとを入れた遊星型ボールミルを用いて90分間湿式粉砕し、平均粒子径0.35μmの炭化物を得た。
<Heat treatment process>
3.0 g of the precursor obtained in the precursor preparation step was placed on a quartz boat, accommodated in a quartz tube furnace having an inner diameter of 35 mm, and heat-treated at 900 ° C. for 1 hour under a nitrogen flow of 1.2 NL / min. . After cooling, it was dry-ground for 90 minutes using a planetary ball mill (made by Fritsch, “Pulverisete-7”) containing carbon nitride balls having a diameter of 10 mmφ. The pulverized carbide is passed through a sieve having an opening of 106 μm, and then is mixed with a planetary ball mill containing a water / ethanol = 1/1 (volume ratio) mixture and zirconia balls having a diameter of 0.5 mmφ. Wet pulverize for a minute to obtain a carbide having an average particle size of 0.35 μm.

粉砕後の炭化物を上記と同じ加熱炉に入れ、1.2NL/minのアンモニアガス/窒素=1/1(体積比)混合ガス流通下で850℃において1時間熱処理した。これをメンブレンフィルターで濾過し、純粋で洗浄した後、80℃において真空乾燥し、窒素含有炭素材料を0.14g得た。この窒素含有炭素材料について電子線マイクロアナライザ(日本電子製、「JXA−8200」を使用)で求めたN/C及びM/C、BET法(日本ベル製、「Belsorp mini−II」を使用)で求めた比表面積、X線回折で求めた結晶化度を表1に示す。また、電気化学測定の結果を図3に示す。   The pulverized carbide was put into the same heating furnace as described above, and heat-treated at 850 ° C. for 1 hour under a flow of 1.2 NL / min ammonia gas / nitrogen = 1/1 (volume ratio) mixed gas. This was filtered through a membrane filter, washed pure, and then vacuum dried at 80 ° C. to obtain 0.14 g of a nitrogen-containing carbon material. N / C and M / C obtained by electron beam microanalyzer (manufactured by JEOL, using “JXA-8200”), and BET method (manufactured by Nippon Bell, using “Belsorb mini-II”). Table 1 shows the specific surface area obtained in step 1 and the crystallinity obtained by X-ray diffraction. Moreover, the result of the electrochemical measurement is shown in FIG.

[比較例2]
実施例2とは異なる鉄含有量のアズルミン酸を調製した。具体的には、青酸80g、酢酸8.6g及び純水130gの混合溶液中に、ヘキサシアノ鉄(II)酸アンモニウムn水和物(和光純薬工業製)14g及び25%アンモニア水12g(和光純薬工業製)を添加した。その後、徐々に加温し、最終的に80℃で7時間撹拌を行った。混合溶液中に生じた黒色の固形分をメンブレンフィルターで濾過し、真空乾燥を行い、鉄を含有したアズルミン酸を49g得た。このアズルミン酸3.0gを用いて実施例2と同じ条件で熱処理工程を行い、窒素含有炭素材料を0.24g得た。この窒素含有炭素材料について電子線マイクロアナライザ(日本電子製、「JXA−8200」を使用)で求めたN/C及びM/C、BET法(日本ベル製、「Belsorp mini−II」を使用)で求めた比表面積、X線回折で求めた結晶化度を表1に示す。また、電気化学測定の結果を図3に示す。
[Comparative Example 2]
Azurmic acid having an iron content different from that in Example 2 was prepared. Specifically, in a mixed solution of 80 g of cyanic acid, 8.6 g of acetic acid and 130 g of pure water, 14 g of ammonium hexacyanoferrate (II) n-hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 12 g of 25% aqueous ammonia (Wako Pure) Yakuhin Kogyo) was added. Thereafter, the mixture was gradually heated and finally stirred at 80 ° C. for 7 hours. The black solid content generated in the mixed solution was filtered through a membrane filter and vacuum dried to obtain 49 g of azulmic acid containing iron. A heat treatment step was performed using 3.0 g of this azulmic acid under the same conditions as in Example 2 to obtain 0.24 g of a nitrogen-containing carbon material. N / C and M / C obtained with an electron beam microanalyzer (manufactured by JEOL, using “JXA-8200”) and the BET method (manufactured by Nippon Bell, using “Belsorb mini-II”). Table 1 shows the specific surface area obtained in step 1 and the crystallinity obtained by X-ray diffraction. Moreover, the result of the electrochemical measurement is shown in FIG.

[比較例3]
実施例2で得られた前駆体のうち3.0gを用い、熱処理工程においてアンモニアガスを用いなかったこと以外は、実施例2と同じ条件で熱処理工程を行い、平均粒子径1.2μmの窒素含有炭素材料を0.68g得た。この窒素含有炭素材料について電子線マイクロアナライザ(日本電子製、「JXA−8200」を使用)で求めたN/C及びFe/C、BET法(日本ベル製、「Belsorp mini−II」を使用)で求めた比表面積、X線回折で求めた結晶化度を表1に示す。また、電気化学測定の結果を図3に示す。
[Comparative Example 3]
Nitrogen having an average particle diameter of 1.2 μm was obtained by performing the heat treatment step under the same conditions as in Example 2 except that 3.0 g of the precursor obtained in Example 2 was used and no ammonia gas was used in the heat treatment step. 0.68g of carbon materials were obtained. N / C and Fe / C obtained by an electron beam microanalyzer (manufactured by JEOL, using “JXA-8200”) and the BET method (manufactured by Nippon Bell, using “Belsorb mini-II”). Table 1 shows the specific surface area obtained in step 1 and the crystallinity obtained by X-ray diffraction. Moreover, the result of the electrochemical measurement is shown in FIG.

[比較例4]
<前駆体調製工程>
鉄を含有しないアズルミン酸を調製した。具体的には、青酸80g、酢酸8.6g及び純水130gの混合溶液中に、25%アンモニア水12g(和光純薬工業製)を添加した。その後、徐々に加温し、最終的に80℃で7時間撹拌を行った。混合溶液中に生じた黒色の固形分をメンブレンフィルターで濾過し、真空乾燥を行い、鉄を含有しないアズルミン酸を40g得た。このアズルミン酸3.0gを用いて実施例2と同じ条件で熱処理工程を行い、窒素含有炭素材料を0.24g得た。この窒素含有炭素材料について電子線マイクロアナライザ(日本電子製、「JXA−8200」を使用)で求めたN/C及びM/C、BET法(日本ベル製、「Belsorp mini−II」を使用)で求めた比表面積、X線回折で求めた結晶化度を表1に示す。また、電気化学測定の結果を図3に示す。
[Comparative Example 4]
<Precursor preparation step>
Azulmic acid containing no iron was prepared. Specifically, 12 g of 25% aqueous ammonia (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to a mixed solution of 80 g of hydrocyanic acid, 8.6 g of acetic acid and 130 g of pure water. Thereafter, the mixture was gradually heated and finally stirred at 80 ° C. for 7 hours. The black solid content generated in the mixed solution was filtered through a membrane filter and vacuum-dried to obtain 40 g of azulmic acid containing no iron. A heat treatment step was performed using 3.0 g of this azulmic acid under the same conditions as in Example 2 to obtain 0.24 g of a nitrogen-containing carbon material. N / C and M / C obtained with an electron beam microanalyzer (manufactured by JEOL, using “JXA-8200”) and the BET method (manufactured by Nippon Bell, using “Belsorb mini-II”). Table 1 shows the specific surface area obtained in step 1 and the crystallinity obtained by X-ray diffraction. Moreover, the result of the electrochemical measurement is shown in FIG.

[比較例5]
<前駆体調製工程>
フェノール樹脂(群栄化学工業製、レジトップPSK−2320)3.3gをアセトン300mLに溶解して溶液とし、この溶液中に3.0gのフタロシアニン鉄(II)(東京化成工業製)を加えた後、アセトンを減圧留去し、真空乾燥し、6.2gの固形分を得た。
[Comparative Example 5]
<Precursor preparation step>
3.3 g of phenol resin (manufactured by Gunei Chemical Industry Co., Ltd., Resist Top PSK-2320) was dissolved in 300 mL of acetone to obtain a solution, and 3.0 g of phthalocyanine iron (II) (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added to this solution. Thereafter, acetone was distilled off under reduced pressure and vacuum-dried to obtain 6.2 g of a solid content.

<熱処理工程>
前駆体調製工程で得られた前駆体のうち3.0g石英ボートに載置し、内径35mmの石英管状炉に収容し、1.2NL/minの窒素流通下で600℃において5時間熱処理した。冷却後、直径10mmφの窒化炭素製ボールを入れた遊星型ボールミル(フリッチュ製、「Pulverisette−7」を使用)を用いて90分間乾式粉砕した。粉砕された炭化物を、目開き106μmの篩を通過させた後、水/エタノール=1/1(体積比)混合液と直径0.5mmφのジルコニア製ボールとを入れた遊星型ボールミルを用いて90分間湿式粉砕し、平均粒子径0.35μmの炭化物を得た。
<Heat treatment process>
Of the precursors obtained in the precursor preparation step, 3.0 g was placed on a quartz boat, accommodated in a quartz tube furnace having an inner diameter of 35 mm, and heat-treated at 600 ° C. for 5 hours under a nitrogen flow of 1.2 NL / min. After cooling, it was dry-ground for 90 minutes using a planetary ball mill (made by Fritsch, “Pulverisete-7”) containing carbon nitride balls having a diameter of 10 mmφ. The pulverized carbide is passed through a sieve having an opening of 106 μm, and then is mixed with a planetary ball mill containing a water / ethanol = 1/1 (volume ratio) mixture and zirconia balls having a diameter of 0.5 mmφ. Wet pulverize for a minute to obtain a carbide having an average particle size of 0.35 μm.

粉砕後の炭化物1.5gを36質量%の濃塩酸500mL中に入れ、常温で4時間撹拌し、炭化物表面の鉄を溶解除去した。これをメンブレンフィルターで濾過し、純粋で洗浄した後、80℃において真空乾燥した。乾燥後の炭化物を上記と同じ加熱炉に入れ、1.2NL/minのアンモニアガス/窒素=1/1(体積比)混合ガス流通下で800℃において1時間熱処理した。   The ground carbide (1.5 g) was placed in 500 mL of 36 mass% concentrated hydrochloric acid and stirred at room temperature for 4 hours to dissolve and remove iron on the surface of the carbide. This was filtered through a membrane filter, washed with pure water, and then vacuum-dried at 80 ° C. The dried carbide was put in the same heating furnace as described above, and heat-treated at 800 ° C. for 1 hour under a flow of 1.2 NL / min ammonia gas / nitrogen = 1/1 (volume ratio) mixed gas.

冷却後の炭化物1.0gを36質量%の濃塩酸500mL中に入れ、常温で4時間撹拌し、炭化物表面の鉄を溶解除去した。これをメンブレンフィルターで濾過し、純粋で洗浄した後、80℃において真空乾燥した。乾燥後の炭化物を上記と同じ加熱炉に入れ、1.2NL/minのアンモニアガス/窒素=1/1(体積比)混合ガス流通下で1000℃において1時間熱処理し、窒素含有炭素材料を0.51g得た。この窒素含有炭素材料について電子線マイクロアナライザ(日本電子製、「JXA−8200」を使用)で求めたN/C及びFe/C、BET法(日本ベル製、「Belsorp mini−II」を使用)で求めた比表面積、X線回折で求めた結晶化度を表1に示す。また、電気化学測定の結果を図3に示す。   After cooling, 1.0 g of the carbide was put into 500 mL of 36% by mass concentrated hydrochloric acid and stirred at room temperature for 4 hours to dissolve and remove iron on the surface of the carbide. This was filtered through a membrane filter, washed with pure water, and then vacuum-dried at 80 ° C. The dried carbide is put in the same heating furnace as described above, and heat treated at 1000 ° C. for 1 hour under a flow of 1.2 NL / min ammonia gas / nitrogen = 1/1 (volume ratio) mixed gas. .51 g was obtained. N / C and Fe / C obtained by an electron beam microanalyzer (manufactured by JEOL, using “JXA-8200”) and the BET method (manufactured by Nippon Bell, using “Belsorb mini-II”). Table 1 shows the specific surface area determined in step 1 and the crystallinity determined by X-ray diffraction. Moreover, the result of the electrochemical measurement is shown in FIG.

図3に示す結果から、実施例1及び2は、酸素還元活性が高く、比較例1〜4は、酸素還元活性が低いことがわかった。   From the results shown in FIG. 3, it was found that Examples 1 and 2 had high oxygen reduction activity, and Comparative Examples 1 to 4 had low oxygen reduction activity.

本発明の窒素含有炭素材料は、燃料電池用電極として産業上の利用可能性を有する。   The nitrogen-containing carbon material of the present invention has industrial applicability as a fuel cell electrode.

Claims (1)

電子線マイクロアナライザによって得られる窒素原子と炭素原子の原子比(N/C)が0.005〜0.3であり、
電子線マイクロアナライザによって得られる遷移金属原子と炭素原子の原子比(M/C)が0.0001〜0.05であり、
前記遷移金属原子が、Fe,Co,Ni,Cu,Mn,及び/又はCrであり、
BET法により求められる比表面積が400m 2 /g以上であり、
X線回折線図から求められる結晶化度が0.1以下である、
窒素含有炭素材料の製造方法であって、
炭素原料、窒素原料及び遷移金属原料を溶媒中に溶解させることにより複合化した前駆体を、熱処理する、熱処理工程を有し、
前記前駆体がアズルミン酸を含有する場合には、アズルミン酸の重合中に遷移金属錯体と共存させることにより複合化し、
前記前駆体が、キノリジニウム構造を有する化合物及びアズルミン酸からなる群より選択される少なくとも一種を含有する、窒素含有炭素材料の製造方法。
The atomic ratio (N / C) of nitrogen atoms and carbon atoms obtained by an electron beam microanalyzer is 0.005 to 0.3,
The atomic ratio (M / C) of transition metal atoms to carbon atoms obtained by an electron beam microanalyzer is 0.0001 to 0.05,
The transition metal atom is Fe, Co, Ni, Cu, Mn, and / or Cr;
The specific surface area determined by the BET method is 400 m 2 / g or more,
The degree of crystallinity obtained from an X-ray diffraction diagram is 0.1 or less,
A method for producing a nitrogen-containing carbon material,
A heat treatment step of heat-treating a precursor compounded by dissolving a carbon raw material, a nitrogen raw material and a transition metal raw material in a solvent;
When the precursor contains azulmic acid, it is complexed by coexisting with a transition metal complex during the polymerization of azulmic acid,
The method for producing a nitrogen-containing carbon material, wherein the precursor contains at least one selected from the group consisting of a compound having a quinolizinium structure and azulmic acid.
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