JP6320078B2 - 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 an electrode for a fuel cell.

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. Therefore, as an electrode catalyst for a fuel cell that does not require a noble metal such as platinum, a carbon material that expresses oxygen reduction activity by containing a transition metal and nitrogen (hereinafter also referred to as “carbon catalyst”) attracts attention. Yes.

例えば、青酸重合物であるアズルミン酸に着目し、これを炭化することで、多量の窒素を含有した窒素含有炭素材料が得られることが知られている(特許文献1参照)。また、これに遷移金属、又はその塩を添加して得た前駆体を炭化することで、電極触媒として有用な炭素材料を合成できることが知られている(特許文献2、3、及び4参照)。   For example, it is known that a nitrogen-containing carbon material containing a large amount of nitrogen can be obtained by paying attention to azurmic acid which is a cyanide polymer and carbonizing the same (see Patent Document 1). Further, it is known that carbon materials useful as an electrode catalyst can be synthesized by carbonizing a precursor obtained by adding a transition metal or a salt thereof (see Patent Documents 2, 3, and 4). .

国際公開第2007/043311号パンフレットInternational Publication No. 2007/043311 Pamphlet 国際公開第2008/123380号パンフレットInternational Publication No. 2008/123380 Pamphlet 特開2011−256093号公報JP 2011-256093 A 特開2013−043821号公報JP2013-043821A

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、又はその窒素と錯形成した遷移金属であると考えられる。基本的に、アズルミン酸に添加された遷移金属は炭化触媒として機能するが、反応活性点として寄与している可能性もある。いずれにおいても遷移金属が前駆体中に高分散していることが重要である。   The oxygen reduction active site of the carbon catalyst containing transition metal and nitrogen is a structure in which the end of the graphene skeleton and defects are doped with nitrogen, or its transition metal complexed with nitrogen, although the details are not clear it is conceivable that. Basically, the transition metal added to azulmic acid functions as a carbonization catalyst, but may also contribute as a reaction active site. In any case, it is important that the transition metal is highly dispersed in the precursor.

しかしながら、アズルミン酸と遷移金属塩の双方を良く溶解する溶媒がなく、高度に混合させることが困難であるという問題がある。結果的に、アズルミン酸と遷移金属の混合物である前駆体を炭化して得た炭素材料は、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, there is no solvent that well dissolves both azulmic acid and transition metal salt, and there is a problem that it is difficult to mix them highly. As a result, the carbon material obtained by carbonizing the precursor, which is a mixture of azulmic acid and transition metal, does not have sufficient oxygen reduction activity as an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, and has superior oxygen reduction activity. There is a demand for the development of an electrode catalyst.

また、アズルミン酸の代わりにジアミノマレオニトリルを用いることも考えられる。しかしながら、高温で炭化処理することで得られるジアミノマレオニトリル由来の窒素含有炭素材料は、その過程での収率が低いという問題がある。また、ジアミノマレオニトリルは比較的高価な化合物であり、その使用量を減らす、収率を大幅に向上する等の対策が求められている。   It is also conceivable to use diaminomaleonitrile instead of azulmic acid. However, the nitrogen-containing carbon material derived from diaminomaleonitrile obtained by carbonizing at a high temperature has a problem that the yield in the process is low. Further, diaminomaleonitrile is a relatively expensive compound, and countermeasures such as reducing the amount of use and greatly improving the yield are required.

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、該窒素含有炭素材料を高収率で製造する窒素含有炭素材料の製造方法、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, a nitrogen-containing carbon material having high oxygen reduction activity, a method for producing a nitrogen-containing carbon material for producing the nitrogen-containing carbon material in high yield, and this It aims at providing the electrode for fuel cells using this.

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、驚くべきことに、青酸の四量体であるジアミノマレオニトリルと、フェノール樹脂等の易炭素化高分子を混合した前駆体を出発原料として用いることで、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 to solve the above problems, the present inventors have surprisingly found that a precursor prepared by mixing diaminomaleonitrile, which is a tetramer of hydrocyanic acid, and an easily carbonized polymer such as a phenol resin. It was found that the above problems can be solved by using the body as a starting material, and the present invention has been achieved.

即ち、本発明は以下の通りである。
〔1〕
ジアミノマレオニトリルと、易炭素化高分子材料と、遷移金属塩と、を混合して前駆体を得る第1の工程と、
得られた前記前駆体を熱処理して、窒素含有炭素材料を得る第2の工程と、を有する、窒素含有炭素材料の製造方法。
〔2〕
前項〔1〕に記載の製造方法で製造された、窒素含有炭素材料。
〔3〕
前項〔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]
A first step of obtaining a precursor by mixing diaminomaleonitrile, an easily carbonized polymer material, and a transition metal salt;
And a second step of obtaining the nitrogen-containing carbon material by heat-treating the obtained precursor.
[2]
A nitrogen-containing carbon material produced by the production method described in [1] above.
[3]
A fuel cell electrode comprising the nitrogen-containing carbon material according to the item [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、該窒素含有炭素材料を高収率で製造する窒素含有炭素材料の製造方法、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。   According to the present invention, there are provided a nitrogen-containing carbon material having high oxygen reduction activity, a method for producing a nitrogen-containing carbon material for producing the nitrogen-containing carbon material in high yield, and a fuel cell electrode using the same. be able to.

実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、比較例1、比較例2で得られた、窒素含有炭素材料の焼成収率と電気化学測定により得られた酸素還元開始電位の、ジアミノマレオニトリルとフェノール樹脂の混合比率との相関性を示す。Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were obtained by firing the nitrogen-containing carbon material and the oxygen reduction starting potential obtained by electrochemical measurement. The correlation with the mixing ratio of diaminomaleonitrile and a phenol resin is shown.

以下、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。本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はその実施の形態のみに限定されるものではない。すなわち、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。   Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The present embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited only to the embodiment. That is, the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

〔窒素含有炭素材料の製造方法〕
本実施形態の窒素含有炭素材料の製造方法は、ジアミノマレオニトリルと、易炭素化高分子材料と、遷移金属塩と、を混合して前駆体を得る第1の工程と、得られた前記前駆体を熱処理して、窒素含有炭素材料を得る第2の工程と、を有する。
[Method for producing nitrogen-containing carbon material]
The method for producing a nitrogen-containing carbon material of the present embodiment includes a first step of obtaining a precursor by mixing diaminomaleonitrile, an easily carbonized polymer material, and a transition metal salt, and the obtained precursor. Heat-treating the body to obtain a nitrogen-containing carbon material.

(ジアミノマレオニトリル)
ジアミノマレオニトリルは、青酸の四量体であり、構造中に炭素二重結合とアミノ基とニトリル基を有することが知られている。ここで、ジアミノマレオニトリルは、市販品を用いてもよいし、公知の方法(例えば、特開昭49−126619号公報、特開昭60−651158号公報等参照)に基づき製造してもよい。また、ジアミノマレオニトリルは、再結晶等の方法により精製して純度を高めてもよいし、無精製のものを用いてもよい。
(Diaminomaleonitrile)
Diaminomaleonitrile is a tetramer of hydrocyanic acid and is known to have a carbon double bond, an amino group, and a nitrile group in the structure. Here, diaminomaleonitrile may be a commercially available product, or may be produced based on a known method (for example, see JP-A-49-126619, JP-A-60-651158, etc.). . Further, diaminomaleonitrile may be purified by a method such as recrystallization to increase the purity, or an unpurified one may be used.

(易炭素化高分子材料)
易炭素化高分子材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリアニリン、ポリビニルピリジン、ポリイミド、メラミン樹脂、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、芳香族ポリアミド、ポリビニルピロリドン等が挙げられる。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、芳香族基又は複素環基を有する樹脂が好ましく、フェノール樹脂がより好ましい。
(Easily carbonized polymer material)
The carbonized polymer material is not particularly limited, and examples thereof include polyaniline, polyvinyl pyridine, polyimide, melamine resin, phenol resin, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylic acid, aromatic polyamide, and polyvinyl pyrrolidone. Among these, from the viewpoint of easy carbonization in the heat treatment step, a resin having an aromatic group or a heterocyclic group is preferable, and a phenol resin is more preferable.

易炭素化高分子材料の質量に対するジアミノマレオニトリルの質量の比率(x)は、好ましくは0.01〜0.99であり、より好ましくは0.10〜0.90であり、さらに好ましくは0.15〜0.75である。この比率が0.01以上であることにより、窒素含有炭素材料としたときの酸素還元活性がより優れる傾向にある。また、この比率が0.99以下であることにより、前駆体に熱処理を施した際の収率がより優れる傾向にある。なお、比率(x)は下記式(I)により算出することができる。
比率(x)=ジアミノマレオニトリル質量/(ジアミノマレオニトリル質量+易炭素化高分子材料質量)・・・(I)
The ratio (x) of the mass of diaminomaleonitrile to the mass of the easily carbonized polymer material is preferably 0.01 to 0.99, more preferably 0.10 to 0.90, and even more preferably 0. .15 to 0.75. When this ratio is 0.01 or more, the oxygen reduction activity tends to be more excellent when a nitrogen-containing carbon material is used. Moreover, when this ratio is 0.99 or less, the yield when the precursor is heat-treated tends to be more excellent. The ratio (x) can be calculated by the following formula (I).
Ratio (x) = diaminomaleonitrile mass / (diaminomaleonitrile mass + easily carbonized polymer material mass) (I)

(遷移金属塩)
遷移金属塩としては、特に限定されないが、例えば、遷移金属のシアノ錯体、ヒドロキシ錯体、クロロ錯体、アセチルアセトナ−ト錯体、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩、亜硝酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物、又は種々の有機金属化合物等が挙げられる。このなかでも、好ましくは、シアノ錯体、クロロ錯体、アセチルアセトナ−ト錯体、硝酸塩、塩化物、臭化物であり、より好ましくは、硝酸塩、塩化物、臭化物である。このなかでも、水や低級アルコール等の極性溶媒に溶解するものがさらに好ましい。
(Transition metal salt)
The transition metal salt is not particularly limited, and examples thereof include transition metal cyano complexes, hydroxy complexes, chloro complexes, acetylacetonate complexes, nitrates, sulfates, acetates, carbonates, oxalates, nitrites, Examples include chloride, bromide, iodide, and various organometallic compounds. Of these, cyano complexes, chloro complexes, acetylacetonate complexes, nitrates, chlorides and bromides are preferable, and nitrates, chlorides and bromides are more preferable. Among these, those that are soluble in polar solvents such as water and lower alcohols are more preferable.

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,又はCrが好ましく、Fe,Co,又はCuがより好ましく、Fe又はCoがさらに好ましく、特に好ましいのはFeである。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。   Further, the transition metal is not particularly limited, but for example, Fe, Co, Ni, Cu, Mn, or Cr is preferable, Fe, Co, or Cu is more preferable, Fe or Co is further preferable, and particularly preferable Fe. By using such a transition metal, the oxygen reduction activity of the nitrogen-containing carbon material tends to be further improved.

本実施形態の製造方法により得られる窒素含有炭素材料が、高い酸素還元活性を示す理由は定かではないが、青酸の四量体であるジアミノマレオニトリルが溶媒への溶解性が高く、この溶解性の高さが遷移金属との錯体形成に有利であり、ひいては、遷移金属がより均等に分散した窒素含有炭素材料が得られるためと考えられる。   The reason why the nitrogen-containing carbon material obtained by the production method of the present embodiment exhibits high oxygen reduction activity is not clear, but diaminomaleonitrile, which is a tetramer of hydrocyanic acid, has high solubility in a solvent. This height is advantageous for complex formation with the transition metal, and as a result, a nitrogen-containing carbon material in which the transition metal is more evenly dispersed is obtained.

具体的な鉄塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化鉄(II)、塩化鉄(II)四水和物、塩化鉄(III)、塩化鉄(III)六水和物、臭化鉄(II)、臭化鉄(II)六水和物、臭化鉄(III)、臭化鉄(III)六水和物、ヘキサシアノ鉄(II)酸アンモニウム三水和物、ヘキサシアノ鉄(II)酸カリウム三水和物、ヘキサシアノ鉄(III)酸アンモニウム、ヘキサシアノ鉄(III)カリウム、ヘキサシアノ鉄(II)酸ナトリウム十水和物、ヘキサシアノ鉄(III)酸ナトリウム一水和物、硝酸鉄(II)六水和物、硝酸鉄(III)九水和物、チオシアン酸鉄(III)、炭酸鉄(II)、炭酸鉄(II)一水和物、ヘキサクロロ鉄(III)酸メチルアンモニウム、テトラクロロ鉄(II)酸テトラメチルアンモニウム、ペンタシアノニトロシル鉄(III)酸カリウム二水和物、ヘキサシアノ鉄(II)酸カリウム鉄(III)水和物、ペンタシアノニトロシル鉄(III)酸ナトリウム二水和物、アンミンペンタシアノ鉄(II)酸ナトリウム三水和物、アクアペンタシアノ鉄(II)酸ナトリウム七水和物、チオシアン酸鉄(II)三水和物、酢酸鉄、シュウ酸鉄(III)五水和物、シュウ酸鉄(II)二水和物、クエン酸鉄(III)三水和物、ヨウ化鉄(II)、ヨウ化鉄(II)四水和物、硫酸鉄(III)、硫酸鉄(III)九水和物、テトラクロロ鉄(II)酸アンモニウム、過塩素酸鉄(II)六水和物、過塩素酸鉄(III)六水和物、アクアペンタフルオロ鉄(III)酸カリウム、硫酸カリウム鉄(III)十二水和物、ビス(スルファト)鉄(II)二アンモニウム六水和物、トリス(硫酸)鉄(III)酸ナトリウム三水和物、リン酸鉄(III)二水和物、リン酸鉄(II)八水和物、硫酸鉄(II)七水和物等が挙げられる。好ましくは、塩化鉄(II)、塩化鉄(III)、臭化鉄(II)、臭化鉄(III)、硝酸鉄(III)九水和物が挙げられる。   Specific iron salts are not particularly limited. For example, iron (II) chloride, iron (II) chloride tetrahydrate, iron (III) chloride, iron (III) chloride hexahydrate, iron bromide (II), iron (II) bromide hexahydrate, iron (III) bromide, iron (III) bromide hexahydrate, ammonium hexacyanoferrate (II) trihydrate, iron hexacyanoferrate (II) Potassium acid trihydrate, ammonium hexacyanoferrate (III), potassium hexacyanoiron (III), sodium hexacyanoferrate (II) decahydrate, sodium hexacyanoferrate (III) monohydrate, iron nitrate (II ) Hexahydrate, iron (III) nitrate nonahydrate, iron (III) thiocyanate, iron (II) carbonate, iron (II) carbonate monohydrate, methylammonium hexachloroferrate (III), tetrachloro Tetramethy iron (II) acid Ammonium, potassium pentacyanonitrosyl iron (III) dihydrate, potassium iron (III) hexacyanoferrate (II), sodium pentacyanonitrosyl iron (III) dihydrate, ammine pentacyanoiron ( II) Sodium acid trihydrate, aquapentacyanoiron iron (II) sodium heptahydrate, iron (II) thiocyanate trihydrate, iron acetate, iron (III) oxalate pentahydrate, oxalic acid Iron (II) dihydrate, iron (III) citrate trihydrate, iron (II) iodide, iron (II) iodide tetrahydrate, iron (III) sulfate, iron (III) sulfate nine Hydrates, ammonium tetrachloroferrate (II), iron (II) perchlorate hexahydrate, iron (III) perchlorate hexahydrate, potassium aquapentafluoroiron (III), potassium iron sulfate (III) Twelve water Bis (sulfato) iron (II) diammonium hexahydrate, tris (sulfate) iron (III) sodium trihydrate, iron (III) phosphate dihydrate, iron (II) phosphate eight Hydrates, iron (II) sulfate heptahydrate and the like can be mentioned. Preferably, iron (II) chloride, iron (III) chloride, iron (II) bromide, iron (III) bromide, and iron (III) nitrate nonahydrate are used.

具体的なコバルト塩としては、特に限定されないが、例えば、ヘキサシアノコバルト(III)酸カリウム、硝酸コバルト(II)六水和物、フッ化コバルト(II)、臭化コバルト(II)、臭化コバルト(II)六水和物、炭酸コバルト(II)、チオシアン酸コバルト(II)三水和物、酢酸コバルト(II)四水和物、酢酸コバルト(III)、塩化コバルト(II)、塩化コバルト(II)六水和物、テトラクロロコバルト(II)酸セシウム、ヘキサフルオロコバルト(III)酸カリウム、ヨウ化コバルト(II)、ヨウ化コバルト(II)六水和物、ヘキサニトロコバルト(III)酸カリウム、リン酸コバルト(II)、リン酸コバルト(II)八水和物、硫酸コバルト(II)、硫酸コバルト(II)七水和物等が挙げられる。好ましくは、塩化コバルト(II)、臭化コバルト(II)、硝酸コバルト(II)六水和物が挙げられる。   Specific cobalt salts are not particularly limited, and examples thereof include potassium hexacyanocobalt (III), cobalt nitrate (II) hexahydrate, cobalt (II) fluoride, cobalt (II) bromide, and cobalt bromide. (II) hexahydrate, cobalt carbonate (II), cobalt thiocyanate (II) trihydrate, cobalt acetate (II) tetrahydrate, cobalt acetate (III), cobalt chloride (II), cobalt chloride ( II) Hexahydrate, cesium tetrachlorocobalt (II), potassium hexafluorocobalt (III), cobalt (II) iodide, cobalt (II) iodide hexahydrate, hexanitrocobalt (III) acid Examples include potassium, cobalt (II) phosphate, cobalt (II) phosphate octahydrate, cobalt (II) sulfate, and cobalt (II) sulfate heptahydrate. It is. Preferably, cobalt (II) chloride, cobalt (II) bromide, and cobalt (II) nitrate hexahydrate are used.

ジアミノマレオニトリル及び易炭素化高分子材料の合計質量に対する、遷移金属塩中の遷移金属元素の質量の比率(y)は、好ましくは0.0001〜0.20であり、より好ましくは0.0005〜0.05であり、さらに好ましくは0.001〜0.03である。この比率が0.0001以上であることにより、前駆体に熱処理を施した際の収率がより優れる傾向にある。また、この比率が0.20以下であることにより、窒素含有炭素材料としたときの酸素還元活性がより優れる傾向にある。なお、比率(y)は、は下記式(II)により算出することができる。
比率(y)=遷移金属元素質量/(ジアミノマレオニトリル質量+易炭素化高分子材料質量)・・・(II)
The ratio (y) of the mass of the transition metal element in the transition metal salt to the total mass of the diaminomaleonitrile and the easily carbonized polymer material is preferably 0.0001 to 0.20, more preferably 0.0005. It is -0.05, More preferably, it is 0.001-0.03. When this ratio is 0.0001 or more, the yield when the precursor is heat-treated tends to be more excellent. Moreover, when this ratio is 0.20 or less, the oxygen reduction activity tends to be more excellent when a nitrogen-containing carbon material is used. The ratio (y) can be calculated by the following formula (II).
Ratio (y) = transition metal element mass / (diaminomaleonitrile mass + easily carbonized polymer material mass) (II)

ジアミノマレオニトリルと易炭素化高分子材料と遷移金属塩との混合方法としては、特に限定されないが、例えば、溶媒中、ジアミノマレオニトリルと遷移金属塩と易炭素化高分子材料とを溶解させ、溶媒を蒸発乾固する方法が好ましい。また、混合方法としては、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、それぞれ異なる溶媒に各原料を溶解させた後に各溶媒を混合してもよい。   The mixing method of the diaminomaleonitrile, the easily carbonized polymer material and the transition metal salt is not particularly limited. For example, the diaminomaleonitrile, the transition metal salt and the easily carbonized polymer material are dissolved in a solvent, A method of evaporating the solvent to dryness is preferred. The mixing method is not particularly limited. For example, all the raw materials may be dissolved in one solvent, or the respective solvents may be mixed after dissolving the respective raw materials in different solvents.

溶媒としては、特に限定されないが、例えば、水、アルコール類(メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等)、ケトン類(アセトン、ジエチルケトン等)、エーテル類(ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等)、塩素系炭化水素類(ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエチレン、トリクロロエチレン、四塩化炭素等)、グリコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール等)、ニトリル類(アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、アミド類(N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、ラクタム類(N−メチル−2−ピロリドン等)、ジメチルスルホキシド、脂肪族炭化水素類(n−ペンタン、n−ヘキサン、シクロヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン等)、芳香族炭化水素類(ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等)等が挙げられる。このなかでも、好ましいのは極性溶媒であり、より好ましくはメタノール及びエタノール等の低級アルコール、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等である。溶媒は、1種類の溶液単独で用いてもよいし、2種以上の溶液を併用してもよい。特に、ジアミノマレオニトリルの溶解度の高さ、もしくは後述の蒸発乾固のしやすさの観点から、メタノールやアセトニトリルが好ましい。   Although it does not specifically limit as a solvent, For example, water, alcohols (methanol, ethanol, propanol, butanol, etc.), ketones (acetone, diethyl ketone, etc.), ethers (diethyl ether, tetrahydrofuran, etc.), chlorinated hydrocarbons (Dichloromethane, chloroform, dichloroethylene, trichloroethylene, carbon tetrachloride, etc.), glycols (ethylene glycol, propylene glycol, etc.), nitriles (acetonitrile, propionitrile, benzonitrile, etc.), amides (N, N-dimethylformamide) , Dimethylacetamide, etc.), lactams (N-methyl-2-pyrrolidone, etc.), dimethyl sulfoxide, aliphatic hydrocarbons (n-pentane, n-hexane, cyclohexane, n-heptane, n-octane, etc.), aroma Hydrocarbons (benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, etc.) and the like. Among these, preferred are polar solvents, and more preferred are lower alcohols such as methanol and ethanol, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide and the like. As the solvent, one type of solution may be used alone, or two or more types of solutions may be used in combination. In particular, methanol and acetonitrile are preferred from the viewpoint of high solubility of diaminomaleonitrile or ease of evaporation and drying described below.

ジアミノマレオニトリルと易炭素化高分子材料と遷移金属塩とを混合させる際の温度は、好ましくは0〜200℃であり、より好ましくは10〜100℃であり、さらに好ましくは20〜50℃である。温度が0℃以上であることにより、ジアミノマレオニトリルと遷移金属塩の溶解度がより向上する傾向にある。また、温度が200℃以下であることにより、ジアミノマレオニトリルと遷移金属塩の安定性がより向上する傾向にある。   The temperature at the time of mixing diaminomaleonitrile, the easily carbonized polymer material, and the transition metal salt is preferably 0 to 200 ° C, more preferably 10 to 100 ° C, and further preferably 20 to 50 ° C. is there. When the temperature is 0 ° C. or higher, the solubility of diaminomaleonitrile and the transition metal salt tends to be further improved. Moreover, when the temperature is 200 ° C. or lower, the stability of diaminomaleonitrile and the transition metal salt tends to be further improved.

ジアミノマレオニトリルと易炭素化高分子材料と遷移金属塩とを混合させる際の圧力は、好ましくは0.05〜2.0MPaであり、より好ましくは0.08〜1.5MPaであり、さらに好ましくは0.1〜1.0MPaである。圧力が0.05MPa以上であることにより、窒素含有炭素材料としたときの酸素還元活性がより向上する傾向にある。また、圧力が2.0MPa以下であることにより、暴走反応をより抑制でき、前駆体調製の際の安全性がより向上する傾向にある。   The pressure when mixing diaminomaleonitrile, the easily carbonized polymer material, and the transition metal salt is preferably 0.05 to 2.0 MPa, more preferably 0.08 to 1.5 MPa, and still more preferably. Is 0.1 to 1.0 MPa. When the pressure is 0.05 MPa or more, the oxygen reduction activity when the nitrogen-containing carbon material is used tends to be further improved. Moreover, when the pressure is 2.0 MPa or less, the runaway reaction can be further suppressed, and the safety during the preparation of the precursor tends to be further improved.

ジアミノマレオニトリルと易炭素化高分子材料と遷移金属塩とを混合させる際の時間は、好ましくは1分〜240時間であり、好ましくは10分〜120時間であり、さらに好ましくは30分〜60時間である。時間が1分以上であることにより、窒素含有炭素材料としたときの酸素還元活性がより向上する傾向にある。また、時間が240時間以下であることにより、窒素含有炭素材料としたときの酸素還元活性がより向上する傾向にある。   The time for mixing diaminomaleonitrile, the easily carbonized polymer material, and the transition metal salt is preferably 1 minute to 240 hours, preferably 10 minutes to 120 hours, and more preferably 30 minutes to 60 hours. It's time. When the time is 1 minute or longer, the oxygen reduction activity of the nitrogen-containing carbon material tends to be further improved. Moreover, when time is 240 hours or less, it exists in the tendency for oxygen reduction activity when it is set as a nitrogen containing carbon material to improve more.

ジアミノマレオニトリルと易炭素化高分子材料と遷移金属塩とを混合させる際は、バッチ式反応器を用いてもよいし、流通式反応器を用いてもよい。流通式反応器は完全混合槽でもよいし、管状反応器でもよいし、完全混合槽と管状反応器を組み合わせたものでもよい。   When mixing the diaminomaleonitrile, the easily carbonized polymer material, and the transition metal salt, a batch reactor or a flow reactor may be used. The flow reactor may be a complete mixing tank, a tubular reactor, or a combination of a complete mixing tank and a tubular reactor.

反応器内の雰囲気は、空気でもよいが、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスであってもよい。   The atmosphere in the reactor may be air, but may be an inert gas such as nitrogen, helium, or argon.

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.

〔第2の工程〕
第2の工程では、第1の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工程である。第2の工程は一段階の熱処理であってもよいが、二段階以上の熱処理であってもよい。このなかでも、第2の工程において、不活性ガス雰囲気下における熱処理と、アンモニア含有ガス雰囲気下における熱処理の双方をこの順に行なうことが好ましい。不活性ガス雰囲気下における熱処理は主に炭素化を目的とするものであり、アンモニア含有ガス雰囲気下における熱処理は主に賦活化を目的とするものであり、このような第2の工程を行うことで、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。
[Second step]
In the second step, the precursor obtained in the first step is heat-treated to obtain a nitrogen-containing carbon material. The second step may be a one-step heat treatment, but may be a two-step or more heat treatment. Among these, in the second step, it is preferable to perform both the heat treatment in an inert gas atmosphere and the heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere in this order. The heat treatment in an inert gas atmosphere is mainly for the purpose of carbonization, and the heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere is mainly for the purpose of activation, and such a second step is performed. Thus, there is a tendency to obtain a nitrogen-containing carbon material that is superior in oxygen reduction activity.

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。不活性ガス雰囲気下における熱処理温度は、好ましくは600〜1100℃であり、より好ましくは700〜1000℃であり、さらに好ましくは800〜950℃である。熱処理温度が600℃以上であることにより、前駆体の炭素化が十分に進行する傾向にある。また、熱処理温度が1100℃以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。   Although it does not specifically limit as said inert gas, For example, nitrogen, a noble gas, a vacuum etc. can be used. The heat treatment temperature in an inert gas atmosphere is preferably 600 to 1100 ° C, more preferably 700 to 1000 ° C, and still more preferably 800 to 950 ° C. When the heat treatment temperature is 600 ° C. or higher, the carbonization of the precursor tends to proceed sufficiently. Moreover, when the heat treatment temperature is 1100 ° C. or lower, a sufficient yield tends to be obtained.

不活性ガス雰囲気下における熱処理時間は、好ましくは5分〜50時間であり、より好ましくは10分〜20時間であり、さらに好ましくは20分〜10時間である。熱処理時間が5分以上であることにより、前駆体の炭素化が十分に進行する傾向にある。また、熱処理時間が50時間以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。   The heat treatment time in an inert gas atmosphere is preferably 5 minutes to 50 hours, more preferably 10 minutes to 20 hours, and further preferably 20 minutes to 10 hours. When the heat treatment time is 5 minutes or longer, carbonization of the precursor tends to proceed sufficiently. Moreover, it exists in the tendency for sufficient yield to be acquired because heat processing time is 50 hours or less.

用いる遷移金属塩の種類やその量により、適正な熱処理温度及び/又は熱処理時間は異なる。   The appropriate heat treatment temperature and / or heat treatment time varies depending on the type and amount of the transition metal salt used.

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雰囲気下における熱処理温度は、好ましくは600〜1200℃であり、より好ましくは700〜1100℃であり、さらに好ましくは800〜1000℃である。   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. The heat treatment temperature in the ammonia-containing gas atmosphere is preferably 600 to 1200 ° C, more preferably 700 to 1100 ° C, and further preferably 800 to 1000 ° C.

アンモニア含有ガス雰囲気下における熱処理時間は、好ましくは5分〜5時間であり、より好ましくは10分〜3時間であり、さらに好ましくは15分〜2時間である。熱処理時間が5分以上であることにより、前駆体の賦活化が十分に進行し、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。また、熱処理時間が5時間以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。   The heat treatment time in an ammonia-containing gas atmosphere is preferably 5 minutes to 5 hours, more preferably 10 minutes to 3 hours, and even more preferably 15 minutes to 2 hours. When the heat treatment time is 5 minutes or longer, activation of the precursor is sufficiently advanced, and a nitrogen-containing carbon material excellent in oxygen reduction activity tends to be obtained. Moreover, it exists in the tendency for sufficient yield to be acquired because heat processing time is 5 hours or less.

不活性ガスガス雰囲気下での熱処理及び/又はアンモニア含有ガスガス雰囲気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(アンモニア含有ガス雰囲気下での熱処理)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遷移金属の種類、濃度、分散性、又は熱処理温度等によって変化する。また、遷移金属粒子の除去率を高めるために、不活性ガスガス雰囲気下での熱処理及び/又はアンモニア含有ガスガス雰囲気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 in an inert gas gas atmosphere and / or the heat treatment in an ammonia-containing gas gas atmosphere, 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 an increase in crystallinity in a subsequent heat treatment step (heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere). The ease with which transition metal particles can be produced varies depending on the type, concentration, dispersibility, or heat treatment temperature of the transition metal. Further, in order to increase the removal rate of the transition metal particles, it is preferable to divide the heat treatment step in an inert gas gas atmosphere and / or the heat treatment step in an ammonia-containing gas gas atmosphere into a plurality of steps and repeatedly remove the transition metal. .

〔窒素含有炭素材料〕
本実施形態の窒素含有炭素材料は、上記製造方法で製造される。本実施形態に係る窒素含有炭素材料は、燃料電池用電極等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作製法を用いることができる。
[Nitrogen-containing carbon material]
The nitrogen-containing carbon material of the present embodiment is manufactured by the above manufacturing method. The nitrogen-containing carbon material according to the present embodiment can be suitably used for fuel cell electrodes and 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 polymer electrolyte fuel cell can be used.

以下、実施例等を挙げて本発明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、本発明はこれらに限定されるものではない。したがって、当業者は以下に示す実施例に様々な変更を加えて本発明を実施することができる。
まず、本実施例で行った測定方法について説明する。
Hereinafter, although an example etc. are given and the present invention is explained still in detail, these are illustrations and the present invention is not limited to these. Accordingly, those skilled in the art can implement the present invention by making various modifications to the examples described below.
First, the measurement method performed in this example will be described.

<電気化学測定>
電極作製法及び回転電極法によるリニアスイープボルタンメトリーの測定方法(日厚計測製の回転リングディスク電極装置「RRDE−1」を使用。)を以下に示す。まず、バイアル瓶に、含窒素炭素材料5mgを秤取し、そこに、ガラスビーズを約50mg、5質量%ナフィオン(商品名)分散液(シグマアルドリッチジャパン製)を50μL、並びにイオン交換水及びエタノールをそれぞれ150μLずつ添加し、それらの混合物に20分間超音波を照射してスラリーを作製した。このスラリーを4μL秤取し、回転電極のガラス状炭素上(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。また、酸素還元開始電位E0は−10μA/cm2の電流を与える電位と定義した。E0が高いほど、酸素還元活性が高いことを意味する。なお、図1に、実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、比較例1、比較例2で得られた、窒素含有炭素材料の焼成収率と電気化学測定により得られた酸素還元開始電位の、ジアミノマレオニトリルとフェノール樹脂の混合比率との相関性を示す。
<Electrochemical measurement>
The measurement method of linear sweep voltammetry by the electrode manufacturing method and the rotating electrode method (using a rotating ring disk electrode device “RRDE-1” manufactured by Nisshi Kogyo) is shown below. First, 5 mg of nitrogen-containing carbon material is weighed into a vial, and about 50 mg of glass beads, 50 μL of 5% by mass Nafion (trade name) dispersion (manufactured by Sigma Aldrich Japan), ion-exchanged water and ethanol 150 μL of each was added, and the mixture was irradiated with ultrasonic waves for 20 minutes to prepare a slurry. 4 μL of this slurry was weighed, applied onto 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. Further, the oxygen reduction start potential E 0 was defined as a potential giving a current of −10 μA / cm 2 . Higher E 0 means higher oxygen reduction activity. In addition, in FIG. 1, it obtained by the baking yield and electrochemical measurement of the nitrogen-containing carbon material obtained in Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. The correlation between the oxygen reduction initiation potential and the mixing ratio of diaminomaleonitrile and phenol resin is shown.

[実施例1]
<前駆体の調製>
0.5Lのナス型フラスコにジアミノマレオニトリル(東京化成社製)2.0g、フェノール樹脂(群栄化学工業製、レジトップPSK−2320)4.0g、塩化鉄(II)0.041g及びメタノール200gを加え、室温で12時間撹拌した。その後、50℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させた。試料はメノウ乳鉢で粉砕し、粉末状の前駆体を得た。
[Example 1]
<Preparation of precursor>
In a 0.5 L eggplant-shaped flask, 2.0 g of diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), 4.0 g of phenol resin (manufactured by Gunei Chemical Industry Co., Ltd., Registop PSK-2320), 0.041 g of iron (II) chloride and methanol 200 g was added and stirred at room temperature for 12 hours. Then, the solvent was removed using a rotary evaporator in a 50 ° C. water bath, and dried at 80 ° C. for 2 hours using a vacuum dryer. The sample was pulverized in an agate mortar to obtain a powdery precursor.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、平均粒子径を約2μmに調整した。更に、この粉砕処理後の前駆体を全量石英ボートに載置し、内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス流通下で20分間かけて室温から900℃まで昇温し、900℃のまま1時間保持した後、室温まで冷却した。最終的に窒素含有炭素材料を0.48g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Of the prepared precursor, 2.0 g was placed on a quartz boat, which was placed in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm, and the inside of the furnace was heated from room temperature to 800 ° C. over 60 minutes under nitrogen flow at atmospheric pressure and 1 NL / min. The temperature was raised to 0 ° C. and kept at 800 ° C. for 1 hour. After cooling to room temperature, this was pulverized and classified with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, trade name “Pulverisete-7”) to adjust the average particle size to about 2 μm. Further, the entire amount of the precursor after the pulverization treatment was placed on a quartz boat, accommodated in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm, and the inside of the furnace was heated from room temperature to 900 ° C. over 20 minutes under a flow of ammonia gas at atmospheric pressure and 1 NL / min. The temperature was raised to 0 ° C., kept at 900 ° C. for 1 hour, and then cooled to room temperature. Finally, 0.48 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.92Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.92V.

[実施例2]
<前駆体の調製>
ジアミノマレオニトリル2.0gを4.0gに、塩化鉄(II)0.041gを塩化鉄(II)0.054gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 2]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1, except that 2.0 g of diaminomaleonitrile was changed to 4.0 g and 0.041 g of iron (II) chloride was changed to 0.054 g of iron (II) chloride.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.50g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.50 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.91Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.91V.

[実施例3]
<前駆体の調製>
ジアミノマレオニトリル2.0gを1.0gに、塩化鉄(II)0.041gを塩化鉄(II)0.034gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 3]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of diaminomaleonitrile was changed to 1.0 g and 0.041 g of iron (II) chloride was changed to 0.034 g of iron (II) chloride.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.38g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.38 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.90Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.90V.

[実施例4]
<前駆体の調製>
ジアミノマレオニトリル2.0gを8.0gに、塩化鉄(II)0.041gを塩化鉄(II)0.082gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 4]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of diaminomaleonitrile was changed to 8.0 g and 0.041 g of iron (II) chloride was changed to 0.082 g of iron (II) chloride.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.30g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.30 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.90Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.90V.

[実施例5]
<前駆体の調製>
塩化鉄(II)0.041gを塩化鉄(II)0.014gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 5]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.041 g of iron (II) chloride was changed to 0.014 g of iron (II) chloride.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.26g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.26 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.91Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.91V.

[実施例6]
<前駆体の調製>
メタノール200gをアセトニトリル200gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 6]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 200 g of methanol was changed to 200 g of acetonitrile.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.46g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.46 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.92Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.92V.

[実施例7]
<前駆体の調製>
実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 7]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、アンモニアガス流通下での温度を1000℃に変更した以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.37g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was used and the temperature under the circulation of ammonia gas was changed to 1000 ° C. Finally, 0.37 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.91Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.91V.

[実施例8]
<前駆体の調製>
実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 8]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、窒素流通下での温度を900℃に変更した以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.56g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was used and the temperature under nitrogen flow was changed to 900 ° C. Finally, 0.56 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.91Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.91V.

[実施例9]
<前駆体の調製>
塩化鉄(II)0.041gを塩化コバルト(II)0.042gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 9]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.041 g of iron (II) chloride was changed to 0.042 g of cobalt (II) chloride.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.28g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.28 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.86Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.86V.

[比較例1]
<前駆体の調製>
ジアミノマレオニトリル2.0gを混合せず、塩化鉄(II)0.041gを塩化鉄(II)0.027gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Comparative Example 1]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of diaminomaleonitrile was not mixed and 0.041 g of iron (II) chloride was changed to 0.027 g of iron (II) chloride.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.24g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.24 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.67Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction start potential E 0 was 0.67V.

[比較例2]
<前駆体の調製>
フェノール樹脂4.0gを混合せず、塩化鉄(II)0.041gを塩化鉄(II)0.014gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Comparative Example 2]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 4.0 g of phenol resin was not mixed and 0.041 g of iron (II) chloride was changed to 0.014 g of iron (II) chloride.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.06g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.06 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.89Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction start potential E 0 was 0.89V.

[比較例3]
<前駆体の調製>
フェノール樹脂4.0gを混合せず、塩化鉄(II)0.041gを塩化鉄(II)0.005gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Comparative Example 3]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 4.0 g of phenol resin was not mixed and 0.041 g of iron (II) chloride was changed to 0.005 g of iron (II) chloride.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.05g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.05 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.90Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.90V.

[比較例4]
<前駆体の調製>
フェノール樹脂4.0gを混合せず、塩化鉄(II)0.041gを塩化コバルト(II)0.014gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Comparative Example 4]
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 4.0 g of phenol resin was not mixed and 0.041 g of iron (II) chloride was changed to 0.014 g of cobalt (II) chloride.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.04g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.04 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位E0は0.84Vであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.84V.

実施例1〜9、ならびに比較例1〜4における実験条件と焼成収率、電気化学評価結果で得られた酸素還元開始電位E0を、表1に示す。 Table 1 shows the oxygen reduction starting potential E 0 obtained from the experimental conditions, firing yield, and electrochemical evaluation results in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 4.

※DAMN:ジアミノマレオニトリル、PhRs:フェノール樹脂、FeCl2:塩化鉄(II)、CoCl2:塩化コバルト(II)、MeOH:メタノール、MeCN:アセトニトリル
比率(x)=ジアミノマレオニトリル/(ジアミノマレオニトリル+易炭素化高分子材料)
比率(y)=遷移金属塩中の遷移金属量/(ジアミノマレオニトリル+易炭素化高分子材料)
* DAMN: diaminomaleonitrile, PhRs: phenol resin, FeCl 2 : iron chloride (II), CoCl 2 : cobalt chloride (II), MeOH: methanol, MeCN: acetonitrile ratio (x) = diaminomaleonitrile / (diaminomaleonitrile + Easily carbonized polymer material)
Ratio (y) = transition metal amount in transition metal salt / (diaminomaleonitrile + easily carbonized polymer material)

本発明の製造方法により得られる窒素含有炭素材料は、燃料電池等の電極材料用途として産業上の利用可能性を有する。   The nitrogen-containing carbon material obtained by the production method of the present invention has industrial applicability as an electrode material application for fuel cells and the like.

Claims (2)

ジアミノマレオニトリルと、易炭素化高分子材料と、遷移金属塩と、溶媒と、を混合して前駆体を得る第1の工程と、
得られた前記前駆体を熱処理して、窒素含有炭素材料を得る第2の工程と、を有し、
前記易炭素化高分子材料が、ポリアニリン、ポリビニルピリジン、ポリイミド、メラミン樹脂、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、芳香族ポリアミド、又はポリビニルピロリドンである、窒素含有炭素材料の製造方法。
A first step of obtaining a precursor by mixing diaminomaleonitrile, an easily carbonized polymer material, a transition metal salt, and a solvent ;
Obtained by heat-treating the precursor, possess a second step of obtaining a nitrogen-containing carbon material, a
The method for producing a nitrogen-containing carbon material, wherein the easily carbonized polymer material is polyaniline, polyvinyl pyridine, polyimide, melamine resin, phenol resin, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylic acid, aromatic polyamide, or polyvinyl pyrrolidone .
窒素含有炭素材料を含む燃料電池用電極の製造方法であって、A method for producing a fuel cell electrode comprising a nitrogen-containing carbon material,
前記窒素含有炭素材料を製造する工程を含み、前記工程が請求項1記載の窒素含有炭素材料の製造方法により行われる、燃料電池用電極の製造方法。The manufacturing method of the electrode for fuel cells including the process of manufacturing the said nitrogen-containing carbon material, and the said process is performed by the manufacturing method of the nitrogen-containing carbon material of Claim 1.
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