JP6666662B2 - Carbon catalyst, electrode and battery using the same - Google Patents

Carbon catalyst, electrode and battery using the same Download PDF

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Description

本発明は、炭素触媒及びそれを用いた電極、電池に関する。より詳しくは、燃料電池等の電池の電極用触媒として好適に用いることができる炭素触媒及びそれを用いた電極、電池に関する。 The present invention relates to a carbon catalyst and an electrode and a battery using the same. More specifically, the present invention relates to a carbon catalyst which can be suitably used as a catalyst for an electrode of a battery such as a fuel cell, and an electrode and a battery using the same.

昨今、環境問題への関心の高まりを背景に、様々な産業分野で石油や石炭から電気へとエネルギー源の転換が進んでおり、携帯電話やノートパソコン等の電子機器だけでなく、自動車や航空機等の分野をはじめ、様々な分野で電池の使用が広がりをみせている。
電池は、大きく一次電池、二次電池、燃料電池に分けられ、このうち燃料電池は、正極、負極の活物質となる材料を補充することで放電を継続できる点を特徴としている。近年は、酸素と水素とを用いた燃料電池を動力源とする自動車が発売される等、燃料電池への注目が高まっている。
In recent years, energy sources have been changing from oil and coal to electricity in various industrial fields against the background of growing interest in environmental issues, and not only electronic devices such as mobile phones and notebook computers, but also automobiles and aircraft The use of batteries has been expanding in various fields, including the fields such as.
Batteries are broadly classified into primary batteries, secondary batteries, and fuel cells. Among them, fuel cells are characterized in that discharge can be continued by replenishing a material serving as a positive electrode and a negative electrode active material. 2. Description of the Related Art In recent years, attention has been paid to fuel cells, such as the release of an automobile using a fuel cell using oxygen and hydrogen as a power source.

燃料電池の電極触媒(特に正極)では、現在、Pt/C触媒が使用されているが、貴金属であるPtが高価であるため、より安価な電極触媒の開発が求められている。貴金属を使用しない電極触媒として、炭素、窒素と、更にFeやCoを成分とするカーボンアロイ触媒が研究されている。例えば、炭素を主成分とし、その表面に窒素原子及び他のヘテロ原子を少なくとも含んでなる触媒担体において、炭素原子と窒素原子及びヘテロ原子との含有比率、及び、窒素原子と他のヘテロ原子との存在比率が特定された触媒担体(特許文献1参照)、特定の構造の繰り返し単位からなる全芳香族ポリイミドと特定の構造の金属フタロシアニンとからなる全芳香族ポリイミド組成物を不活性ガス雰囲気下、所定の温度で焼成して得られる炭素材料(特許文献2参照)や、特定の分子量の含窒素結晶性有機化合物を含む有機材料を焼成して得られた含窒素カーボンアロイ(特許文献3参照)が開示されている。 Currently, a Pt / C catalyst is used as an electrode catalyst for a fuel cell (particularly, a positive electrode). However, since Pt, which is a noble metal, is expensive, development of a cheaper electrode catalyst is required. As an electrode catalyst not using a noble metal, a carbon alloy catalyst containing carbon, nitrogen, and Fe and Co as components has been studied. For example, in a catalyst carrier containing carbon as a main component and having at least a nitrogen atom and other hetero atoms on its surface, the content ratio of carbon atoms to nitrogen atoms and hetero atoms, and the ratio of nitrogen atoms to other hetero atoms A catalyst carrier having a specified abundance ratio (see Patent Document 1), a wholly aromatic polyimide composition comprising a wholly aromatic polyimide composed of a repeating unit having a specific structure and a metal phthalocyanine having a specific structure are subjected to an inert gas atmosphere. A carbon material obtained by firing at a predetermined temperature (see Patent Document 2) and a nitrogen-containing carbon alloy obtained by firing an organic material containing a nitrogen-containing crystalline organic compound having a specific molecular weight (see Patent Document 3). ) Is disclosed.

特開2009−277360号公報JP 2009-277360 A 特開2010−275116号公報JP 2010-275116 A 特開2011−225431号公報JP 2011-225431 A

今後、社会の様々な分野での利用の広がりが期待されている燃料電池の普及のためには、燃料電池をより安価にすることが重要な要素の1つである。より安価な燃料電池の実現のため、貴金属を使用しない安価な電極触媒へのニーズは高く、そのようなニーズに応える電極触媒が求められている。 In order to spread fuel cells, which are expected to spread in various fields of society in the future, one of the important factors is to make fuel cells cheaper. In order to realize a cheaper fuel cell, there is a great need for an inexpensive electrocatalyst that does not use a noble metal, and an electrocatalyst that meets such needs is demanded.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、燃料電池の電極触媒として良好な触媒活性を有し、かつ、安価な触媒を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and has as its object to provide an inexpensive catalyst having good catalytic activity as an electrode catalyst for a fuel cell.

本発明者は、燃料電池の電極触媒として利用できる安価な触媒について種々検討したところ、炭素を主成分とし、触媒全体に対して窒素とハロゲン原子とをそれぞれ特定の割合で含む炭素触媒が、燃料電池等の電極触媒として良好な触媒活性を有することを見出した。この触媒は、高価な材料を使用することなく製造可能であることから、これにより上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。 The present inventors have conducted various studies on inexpensive catalysts that can be used as electrode catalysts for fuel cells, and found that a carbon catalyst containing carbon as a main component and containing nitrogen and halogen atoms in a specific ratio to the entire catalyst, respectively, is a fuel. It has been found that it has good catalytic activity as an electrode catalyst for batteries and the like. Since this catalyst can be produced without using expensive materials, the present inventors have conceived that this can solve the above-mentioned problem brilliantly, and have reached the present invention.

すなわち本発明は、炭素を主成分とし、触媒全体に対して窒素を0.1〜20質量%含む炭素触媒であって、上記炭素触媒は、更に触媒全体に対してハロゲン原子を0.1〜20質量%含むことを特徴とする炭素触媒である。
以下に本発明を詳述する。
なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい形態を2つ以上組み合わせたものもまた、本発明の好ましい形態である。
That is, the present invention relates to a carbon catalyst containing carbon as a main component and containing 0.1 to 20% by mass of nitrogen with respect to the whole catalyst. It is a carbon catalyst characterized by containing 20% by mass.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
A combination of two or more of the individual preferred embodiments of the present invention described below is also a preferred embodiment of the present invention.

本発明の炭素触媒は、炭素を主成分とする。炭素を主成分とするとは、炭素触媒全体に対して、炭素原子の質量割合が50質量%以上であることを意味する。炭素触媒全体に対する炭素原子の割合は、より好ましくは、60〜99質量%であり、更に好ましくは、70〜98質量%であり、特に好ましくは、80〜97質量%である。
また、本発明の炭素触媒は、触媒全体に対して窒素を0.1〜20質量%含むが、触媒全体に対する窒素原子の質量割合は、0.2〜15質量%であることが好ましい。より好ましくは、0.3〜10質量%であり、更に好ましくは、0.5〜8質量%であり、特に好ましくは、1〜6質量%である。
また、本発明の炭素触媒は、触媒全体に対してハロゲン原子を0.1〜20質量%含むが、触媒全体に対するハロゲン原子の質量割合は、0.2〜15質量%であることが好ましい。より好ましくは、0.3〜10質量%であり、更に好ましくは、0.5〜8質量%であり、特に好ましくは、1〜6質量%である。
The carbon catalyst of the present invention contains carbon as a main component. Mainly containing carbon means that the mass ratio of carbon atoms to the entire carbon catalyst is 50% by mass or more. The ratio of carbon atoms to the entire carbon catalyst is more preferably 60 to 99% by mass, still more preferably 70 to 98% by mass, and particularly preferably 80 to 97% by mass.
The carbon catalyst of the present invention contains 0.1 to 20% by mass of nitrogen based on the whole catalyst, and the mass ratio of nitrogen atoms to the whole catalyst is preferably 0.2 to 15% by mass. It is more preferably from 0.3 to 10% by mass, further preferably from 0.5 to 8% by mass, and particularly preferably from 1 to 6% by mass.
Further, the carbon catalyst of the present invention contains 0.1 to 20% by mass of a halogen atom with respect to the whole catalyst, and the mass ratio of the halogen atom to the whole catalyst is preferably 0.2 to 15% by mass. It is more preferably from 0.3 to 10% by mass, further preferably from 0.5 to 8% by mass, and particularly preferably from 1 to 6% by mass.

本発明の炭素触媒が含むハロゲン原子としては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素等のいずれのハロゲン原子であってもよいが、フッ素であることが好ましい。フッ素原子を含むことで、炭素触媒が燃料電池等の電極触媒としてより高い活性を有するものとなる。 The halogen atom contained in the carbon catalyst of the present invention may be any halogen atom such as fluorine, chlorine, bromine and iodine, but is preferably fluorine. By including a fluorine atom, the carbon catalyst has higher activity as an electrode catalyst for a fuel cell or the like.

本発明の炭素触媒は、更に触媒全体に対して周期表第5〜11族の遷移金属原子から選択される少なくとも1種の遷移金属原子を含むことが好ましい。遷移金属原子を含むことで、炭素触媒が燃料電池の電極触媒としてより高い活性を有するものとなる。
遷移金属原子は、周期表第5〜11族の遷移金属原子であれば特に制限されないが、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種の遷移金属原子であることが好ましい。周期表第5〜11族の遷移金属原子の中でも、これらのいずれかの原子を含むことで、炭素触媒が燃料電池等の電極触媒として更に高い活性を有するものとなる。遷移金属原子は、より好ましくは、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、更に好ましくは、鉄、コバルト及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種である。
The carbon catalyst of the present invention preferably further contains at least one transition metal atom selected from transition metal atoms of Groups 5 to 11 of the periodic table with respect to the entire catalyst. By including a transition metal atom, the carbon catalyst has higher activity as an electrode catalyst of a fuel cell.
The transition metal atom is not particularly limited as long as it is a transition metal atom belonging to Groups 5 to 11 of the periodic table. At least one transition metal atom selected from the group consisting of vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel and copper It is preferred that By including any of these atoms among the transition metal atoms of Groups 5 to 11 of the periodic table, the carbon catalyst has higher activity as an electrode catalyst for a fuel cell or the like. The transition metal atom is more preferably at least one selected from the group consisting of manganese, iron, cobalt, nickel and copper, and still more preferably at least one selected from the group consisting of iron, cobalt and copper. .

本発明の炭素触媒が周期表第5〜11族の遷移金属原子から選択される少なくとも1種の遷移金属原子を含む場合、その含有量は、炭素触媒全体に対して、0.05〜20質量%であることが好ましい。より好ましくは、0.1〜10質量%であり、更に好ましくは、0.1〜6質量%である。 When the carbon catalyst of the present invention contains at least one transition metal atom selected from transition metal atoms belonging to Groups 5 to 11 of the periodic table, the content is 0.05 to 20 mass% based on the entire carbon catalyst. %. More preferably, it is 0.1 to 10% by mass, still more preferably 0.1 to 6% by mass.

本発明の炭素触媒は、炭素、窒素、ハロゲン原子、及び、周期表第5〜11族の遷移金属原子から選択される少なくとも1種の遷移金属原子以外のその他の原子を含んでいてもよいが、その他の原子の含有量は、炭素触媒全体に対して、20質量%以下であることが好ましい。より好ましくは、10質量%以下であり、更に好ましくは、5質量%以下である。 The carbon catalyst of the present invention may contain carbon, nitrogen, a halogen atom, and other atoms other than at least one transition metal atom selected from transition metal atoms of Groups 5 to 11 of the periodic table. The content of other atoms is preferably 20% by mass or less based on the entire carbon catalyst. More preferably, it is 10% by mass or less, and still more preferably 5% by mass or less.

本発明の炭素触媒は、炭素を主成分とし、窒素、ハロゲン原子を上記所定の割合で含むものであれば製造方法は特に制限されないが、有機化合物を含む原料を焼成して炭素化処理をすることで得られるものであることが好ましい。
本発明の炭素触媒は、炭素、窒素、及びハロゲン原子を必須の構成原子として含むことから、原料となる有機化合物が、炭素に加え、窒素及びハロゲン原子を含むことが必要となる。原料となる有機化合物としては、炭素、窒素及びハロゲン原子を全て含む有機化合物を用いてもよく、炭素及び窒素を含む有機化合物と、炭素及びハロゲン原子を含む有機化合物とを用いてもよい。
すなわち、本発明の炭素触媒が、有機化合物を含む原料を焼成して得られ、該有機化合物は、窒素含有有機化合物とハロゲン原子含有有機化合物、又は、窒素とハロゲン原子とを含有する有機化合物を含むことは、本発明の好適な実施形態の1つである。
この場合、炭素触媒の原料は、窒素含有有機化合物とハロゲン原子含有有機化合物、又は、窒素とハロゲン原子とを含有する有機化合物を含む限り、その他の有機化合物を含んでいてもよい。原料が2種類以上の有機化合物を含む場合、焼成して得られる炭素触媒における炭素、窒素、ハロゲン原子の割合が本発明の炭素触媒の割合を満たすものとなるよう、それらの有機化合物の配合割合を適宜調整して用いることができる。
なお、ここでいう、窒素含有有機化合物は、窒素を含有し、ハロゲン原子を含有しない化合物を意味し、ハロゲン原子含有有機化合物は、ハロゲン原子を含有し、窒素を含有しない化合物を意味する。
The production method of the carbon catalyst of the present invention is not particularly limited as long as it contains carbon as a main component and contains nitrogen and a halogen atom in the above-described predetermined ratio. It is preferably obtained by the above.
Since the carbon catalyst of the present invention contains carbon, nitrogen and halogen atoms as essential constituent atoms, it is necessary that the organic compound as a raw material contains nitrogen and halogen atoms in addition to carbon. As an organic compound serving as a raw material, an organic compound containing all of carbon, nitrogen, and a halogen atom may be used, or an organic compound containing carbon and nitrogen and an organic compound containing carbon and a halogen atom may be used.
That is, the carbon catalyst of the present invention is obtained by calcining a raw material containing an organic compound, and the organic compound is a nitrogen-containing organic compound and a halogen atom-containing organic compound, or an organic compound containing nitrogen and a halogen atom. Including is one of the preferred embodiments of the present invention.
In this case, the raw material of the carbon catalyst may contain another organic compound as long as it contains a nitrogen-containing organic compound and a halogen atom-containing organic compound, or an organic compound containing nitrogen and a halogen atom. When the raw material contains two or more kinds of organic compounds, the compounding ratio of these organic compounds is adjusted so that the ratio of carbon, nitrogen and halogen atoms in the carbon catalyst obtained by calcining satisfies the ratio of the carbon catalyst of the present invention. Can be appropriately adjusted and used.
Here, the nitrogen-containing organic compound means a compound containing nitrogen and no halogen atom, and the halogen-containing organic compound means a compound containing a halogen atom and not containing nitrogen.

上記窒素含有有機化合物としては、化合物を構成する原子として窒素原子を含む化合物であれば特に制限されないが、イミド化合物、アミド化合物やアミノ基含有化合物、イミン化合物、ニトリル化合物、イソシアネート化合物、ジアゾ化合物、アゾ化合物、アゾキシ化合物、ニトロ化合物、ニトロソ化合物等が好ましい。より好ましくは、ポリイミドやポリアミド酸、ポリアミドイミド、アミノ基含有ポリマー、ポリニトリル等である。ポリイミドやポリアミド酸としては後述するフッ素化ポリイミド及び/又はフッ素化ポリアミド酸のフッ素化されていないもの等が挙げられる。ポリイミドの具体例としては、後述する式(6−1)、(6−2)で表されるフッ素化ポリイミドのフッ素原子が水素に置換された構造のものや、(6−3)で表されるポリイミド等が挙げられる。 The nitrogen-containing organic compound is not particularly limited as long as it is a compound containing a nitrogen atom as an atom constituting the compound. Preferred are azo compounds, azoxy compounds, nitro compounds, nitroso compounds and the like. More preferred are polyimide, polyamic acid, polyamideimide, amino group-containing polymer, polynitrile and the like. Examples of the polyimide or polyamic acid include non-fluorinated fluorinated polyimide and / or fluorinated polyamic acid described below. Specific examples of the polyimide include those having a structure in which a fluorine atom of a fluorinated polyimide represented by the following formulas (6-1) and (6-2) is replaced with hydrogen, and a polyimide represented by (6-3). Polyimide.

上記ハロゲン原子含有有機化合物としては、化合物を構成する原子としてハロゲン原子を含む化合物であれば特に制限されないが、フッ素原子を含む化合物が好ましい。より好ましくは、フッ素化ポリエーテルケトン、フッ素化ポリアリールエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル等のフッ素含有ポリマーである。 The halogen atom-containing organic compound is not particularly limited as long as it is a compound containing a halogen atom as an atom constituting the compound, but a compound containing a fluorine atom is preferable. More preferred are fluorine-containing polymers such as fluorinated polyetherketone, fluorinated polyaryletherketone, polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and polyvinyl fluoride.

上記窒素とハロゲン原子とを含有する有機化合物としては、化合物を構成する原子として窒素原子とハロゲン原子とを含む化合物であれば特に制限されないが、窒素原子とフッ素原子とを含む化合物であることが好ましい。より好ましくは、窒素原子とフッ素原子とを含むポリマーであり、更に好ましくは、フッ素化ポリイミド又はフッ素化ポリアミド酸である。
すなわち、上記炭素触媒の原料が含む有機化合物は、フッ素化ポリイミド及び/又はフッ素化ポリアミド酸を含むことが好ましい。これらを含む原料を用いることで、得られる炭素触媒が、燃料電池等の電極触媒として更に高い活性を有するものとなる。
なお、フッ素化ポリアミド酸は、アミド酸構造の一部がイミド化されたものであってもよい。
The organic compound containing nitrogen and a halogen atom is not particularly limited as long as it is a compound containing a nitrogen atom and a halogen atom as atoms constituting the compound, and may be a compound containing a nitrogen atom and a fluorine atom. preferable. More preferably, it is a polymer containing a nitrogen atom and a fluorine atom, and even more preferably, it is a fluorinated polyimide or fluorinated polyamic acid.
That is, the organic compound contained in the raw material of the carbon catalyst preferably contains fluorinated polyimide and / or fluorinated polyamic acid. By using a raw material containing these, the obtained carbon catalyst has higher activity as an electrode catalyst for a fuel cell or the like.
In addition, the fluorinated polyamic acid may be one in which a part of the amide acid structure is imidized.

上記フッ素化ポリイミドは、重量平均分子量が5万〜200万であることが好ましく、6万〜150万であることがより好ましく、7万〜120万であることが更に好ましい。また、上記フッ素化ポリアミド酸は、重量平均分子量が、フッ素化ポリアミド酸をイミド化(好ましくは、イミド化率が100%となるようにイミド化)した場合に得られるフッ素化ポリイミドが上記重量平均分子量範囲となるような重量平均分子量であることが好ましい。
上記重量平均分子量は、後述する実施例に記載の条件でゲルパーミエーションクロマトグラフ(GPC)により、標準ポリスチレンの検量線を用いて測定することができる。
The weight average molecular weight of the fluorinated polyimide is preferably from 50,000 to 2,000,000, more preferably from 60,000 to 1,500,000, even more preferably from 70,000 to 1,200,000. The weight average molecular weight of the fluorinated polyamic acid is such that the fluorinated polyimide obtained when the fluorinated polyamic acid is imidized (preferably imidized so that the imidization ratio becomes 100%) is the weight average molecular weight. It is preferable that the weight average molecular weight is in the molecular weight range.
The weight average molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC) under the conditions described in Examples described later, using a calibration curve of standard polystyrene.

上記フッ素化ポリアミド酸は、フッ素化ポリイミドの前駆体になるものである。
上記フッ素化ポリアミド酸は、下記一般式(1);
The fluorinated polyamic acid is a precursor of a fluorinated polyimide.
The fluorinated polyamic acid has the following general formula (1);

Figure 0006666662
Figure 0006666662

(一般式(1)中、Xは、2価の有機基を表す。Yは、4価の有機基を表す。X、Yの少なくとも一方は、フッ素原子を含む有機基である。)で表される構成単位を有するものであることが好ましい。 (In the general formula (1), X represents a divalent organic group. Y represents a tetravalent organic group. At least one of X and Y is an organic group containing a fluorine atom.) It is preferable to have a structural unit represented by the formula:

上記一般式(1)中、Xで表される2価の有機基、Yで表される4価の有機基は、直鎖状、分岐鎖状、又は、環状のいずれの構造であってもよく、これらを組み合わせた構造であってもよい。
Xで表される2価の有機基としては、環状アルキル、鎖状アルキル、環状アルケン、鎖状アルケン、グリコール等に由来する2価の脂肪族有機基;ベンゼン、ビフェニル、ビフェニルエーテル、ビスフェニルベンゼン、ビスフェノキシベンゼン等に由来する2価の芳香族有機基;該2価の脂肪族有機基及び該2価の芳香族有機基がそれぞれ1つ以上結合した2価の有機基が挙げられる。また、これらの構造に、更にヘテロ原子や、ヘテロ原子を含有する官能基が置換したものであってもよい。ヘテロ原子としては、酸素原子、窒素原子、硫黄原子やハロゲン原子等が挙げられる。
In the above general formula (1), the divalent organic group represented by X and the tetravalent organic group represented by Y may have any of a linear, branched or cyclic structure. Alternatively, a structure combining these may be used.
Examples of the divalent organic group represented by X include divalent aliphatic organic groups derived from cyclic alkyl, chain alkyl, cyclic alkene, chain alkene, glycol, and the like; benzene, biphenyl, biphenyl ether, bisphenylbenzene , A divalent aromatic organic group derived from bisphenoxybenzene, and the like; a divalent organic group in which at least one divalent aliphatic organic group and at least one divalent aromatic organic group are bonded to each other. Further, these structures may be further substituted with a hetero atom or a functional group containing a hetero atom. Examples of the hetero atom include an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom and a halogen atom.

上記一般式(1)中、Xで表される2価の有機基としては、上述したものの中でも、構造中に芳香環を含むものが好ましく、下記一般式(2−1)〜(2−8); In the general formula (1), as the divalent organic group represented by X, those having an aromatic ring in the structure are preferable among the above-mentioned ones, and the following general formulas (2-1) to (2-8) );

Figure 0006666662
Figure 0006666662

(式中、Zは、同一又は異なって、水素原子、アルキル基、アリール基、又は、ハロゲン原子を表す。該アルキル基又はアリール基は、ハロゲン原子等の置換基で置換されていてもよい。なお、Zは、各有機基中・各ベンゼン環中で、同一でもよく、異なっていてもよい。Rは、同一又は異なって、ハロゲン原子又は水素原子を表す。X′は、同一又は異なって、酸素原子、窒素原子、炭素原子、−S−、又は、−S(=O)−を表す。*部分が、上記一般式(1)中のN原子と結合する。)で表される2価の有機基のいずれかがより好ましい。
上記一般式(2−1)〜(2−8)におけるZやRがハロゲン原子を有する場合、ハロゲン原子としては、フッ素原子が好ましい。なお、Zとの表記は、Zで表される原子がベンゼン環に4つ結合していることを表す。後述する一般式(3−1)のA、及び、一般式(5−1)〜(5−4)のA、Aも同様に、当該複数の原子がベンゼン環に結合していることを表す。
(In the formula, Z is the same or different and represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or a halogen atom. The alkyl group or the aryl group may be substituted with a substituent such as a halogen atom. Z may be the same or different in each organic group and each benzene ring, R may be the same or different and represent a halogen atom or a hydrogen atom, and X 'may be the same or different. , An oxygen atom, a nitrogen atom, a carbon atom, -S-, or -S (= O) 2- . The * portion is bonded to the N atom in the general formula (1).) Any of the divalent organic groups is more preferred.
When Z or R in the general formulas (2-1) to (2-8) has a halogen atom, the halogen atom is preferably a fluorine atom. Incidentally, notation and Z 4 represents the atoms represented by Z is attached four to a benzene ring. Similarly, A 3 in the general formula (3-1) described later, and A 4 and A 5 in the general formulas (5-1) to (5-4) also have the plurality of atoms bonded to the benzene ring. It represents that.

上記一般式(1)で表される構成単位を有するフッ素化ポリアミド酸は、構造中にエーテル結合を有することが好ましい。より好ましくは、上記一般式(1)で表される構成単位1つにつき、2つ以上のエーテル結合を有することである。
また、上記一般式(1)中、Yで表される4価の有機基は、芳香環を有することが好ましい。中でも、上記一般式(1)中のYが下記一般式(3−1)又は(3−2);
The fluorinated polyamic acid having the structural unit represented by the general formula (1) preferably has an ether bond in the structure. More preferably, each structural unit represented by the general formula (1) has two or more ether bonds.
Further, in the general formula (1), the tetravalent organic group represented by Y preferably has an aromatic ring. Among them, Y in the general formula (1) is the following general formula (3-1) or (3-2);

Figure 0006666662
Figure 0006666662

(一般式(3−1)、(3−2)中、Aは、同一又は異なって、水素原子又はフッ素原子を表す。Rは、下記一般式(4−1)又は(4−2)の2価の有機基のいずれかを表す。*部分が、それぞれ、上記一般式(1)中の炭素原子と結合する。)で表される4価の有機基であることがより好ましい。 (In the general formulas (3-1) and (3-2), A represents the same or different and represents a hydrogen atom or a fluorine atom. R 1 represents the following general formula (4-1) or (4-2) Wherein each * part is bonded to a carbon atom in the above general formula (1).) It is more preferable that the organic group is a tetravalent organic group represented by the above general formula (1).

Figure 0006666662
Figure 0006666662

上記一般式(4−1)中、Qで表される2価の有機基は、直鎖状、分岐鎖状、又は、環状のいずれの構造であってもよく、これらを組み合わせた構造であってもよい。
該2価の有機基としては、例えば、環状アルキル、鎖状アルキル、環状アルケン、鎖状アルケン、グリコール等に由来する2価の脂肪族有機基;ベンゼン、ビフェニル、ビフェニルエーテル、ビスフェニルベンゼン、ビスフェノキシベンゼン等に由来する2価の芳香族有機基;脂肪族有機基及び芳香族有機基がそれぞれ1つ以上結合してなる有機基等が挙げられる。また、これらの構造に、更にヘテロ原子や、ヘテロ原子を含有する官能基が置換したものであってもよい。ヘテロ原子としては、酸素原子、窒素原子、硫黄原子やハロゲン原子等が挙げられる。
上記のものの中でも、Qで表される2価の有機基としては、芳香族有機基をもつものが好ましく、下記一般式(5−1)〜(5−4);
In the above general formula (4-1), the divalent organic group represented by Q may have any of a straight-chain, branched-chain, or cyclic structure, and a combination thereof. You may.
Examples of the divalent organic group include divalent aliphatic organic groups derived from cyclic alkyl, chain alkyl, cyclic alkene, chain alkene, glycol and the like; benzene, biphenyl, biphenyl ether, bisphenylbenzene, bis A divalent aromatic organic group derived from phenoxybenzene or the like; an organic group formed by bonding one or more aliphatic organic groups and one or more aromatic organic groups. Further, these structures may be further substituted with a hetero atom or a functional group containing a hetero atom. Examples of the hetero atom include an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom and a halogen atom.
Among the above, as the divalent organic group represented by Q, those having an aromatic organic group are preferable, and the following general formulas (5-1) to (5-4);

Figure 0006666662
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(式中、*部分が、それぞれ、上記一般式(4−1)中のエーテル結合の酸素原子と結合する。式中、Aは、同一又は異なって、水素原子又はフッ素原子を表す。)で表される2価の有機基がより好ましい。 (In the formula, each * portion is bonded to an oxygen atom of an ether bond in the general formula (4-1). In the formula, A is the same or different and represents a hydrogen atom or a fluorine atom.) The divalent organic groups represented are more preferred.

上記フッ素化ポリアミド酸のイミド化反応によりフッ素化ポリイミドが得られることになる。本発明において好適なフッ素化ポリイミドとしては、下記式(6−1)で表される10FEDA/4FMPDや、式(6−2)で表される6FDA/TPEQ、及び、式(6−3)で表されるPMDA/ODAの芳香環の水素原子の一部又は全部がフッ素原子で置換された構造のもの等が挙げられる。 By the imidization reaction of the fluorinated polyamic acid, a fluorinated polyimide is obtained. Preferred fluorinated polyimides in the present invention include 10FEDA / 4FMPD represented by the following formula (6-1), 6FDA / TPEQ represented by the formula (6-2), and formula (6-3) Examples include those having a structure in which part or all of the hydrogen atoms of the aromatic ring of PMDA / ODA represented by the above are partially or entirely substituted with fluorine atoms.

Figure 0006666662
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本発明の炭素触媒の原料がフッ素化ポリアミド酸を含む場合、フッ素化ポリアミド酸を1種含むものであってもよく、2種以上含むものであってもよい。
該フッ素化ポリアミド酸は、後述する酸二無水物とジアミンとの混合物を通常の手法により反応させて得ることができる。なお、炭素触媒の原料は、更に、ポリアミド酸の原料である酸二無水物、ジアミンや、その他の成分を含んでいてもよい。
When the raw material of the carbon catalyst of the present invention contains fluorinated polyamic acid, it may contain one kind of fluorinated polyamic acid or may contain two or more kinds of fluorinated polyamic acid.
The fluorinated polyamic acid can be obtained by reacting a mixture of an acid dianhydride described below and a diamine by a usual method. In addition, the raw material of the carbon catalyst may further contain an acid dianhydride, a diamine which is a raw material of the polyamic acid, and other components.

上記酸二無水物としては、下記一般式(7)で表される化合物が好ましい。なお、式中のYは、上記一般式(1)中のYと同様である。 As the acid dianhydride, a compound represented by the following general formula (7) is preferable. Note that Y in the formula is the same as Y in the general formula (1).

Figure 0006666662
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また、上記ジアミンとしては、下記一般式(8); Further, as the diamine, the following general formula (8);

Figure 0006666662
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で表される化合物が好ましい。なお、式中のXは、上記一般式(1)中のXと同様である。
上記酸二無水物とジアミンとの反応は、国際公開第2010/150908等を参考に行うことができる。
The compound represented by is preferred. Note that X in the formula is the same as X in the general formula (1).
The reaction between the acid dianhydride and the diamine can be performed with reference to WO 2010/150908 and the like.

本発明の炭素触媒の原料は、下記のように遷移金属原子を含む化合物等の他の成分を含んでいてもよい。原料中における上記窒素原子やハロゲン原子を含む有機化合物の含有量(窒素原子やハロゲン原子を含む有機化合物を2種以上含む場合は、その合計量)は、焼成して得られる炭素触媒中における窒素及びハロゲン原子の含有量が上記範囲となるように調整すればよいが、炭素触媒の原料の固形分全体に対する上記窒素原子やハロゲン原子を含む有機化合物の含有量は、5〜90質量%であることが好ましい。より好ましくは、10〜80質量%である。
なお、下記の遷移金属原子を含む化合物が窒素原子やハロゲン原子を含む場合があるが、ここでいう窒素原子やハロゲン原子を含む有機化合物は、遷移金属原子を含む化合物を含まない。
The raw material of the carbon catalyst of the present invention may contain other components such as a compound containing a transition metal atom as described below. The content of the organic compound containing a nitrogen atom or a halogen atom in the raw material (when two or more organic compounds containing a nitrogen atom or a halogen atom are contained, the total amount thereof) is determined by the nitrogen content in the carbon catalyst obtained by firing. The content of the organic compound containing a nitrogen atom or a halogen atom with respect to the entire solid content of the raw material of the carbon catalyst is 5 to 90% by mass. Is preferred. More preferably, the content is 10 to 80% by mass.
Note that the following compounds containing a transition metal atom may contain a nitrogen atom or a halogen atom, but the organic compound containing a nitrogen atom or a halogen atom here does not include a compound containing a transition metal atom.

上述した遷移金属原子を含む炭素触媒を製造する場合、上記有機化合物に加え、遷移金属原子を含む化合物を原料に添加し、焼成して製造することが好ましい。
この場合、遷移金属原子を含む化合物としては、遷移金属錯体や遷移金属塩を用いることができる。
遷移金属錯体としては、遷移金属のフタロシアニン錯体、トリス(ペンタンジシオナート)錯体、ポルフィリン錯体、サレン錯体、シクロペンタジエニル錯体等が挙げられる。
遷移金属の塩としては、塩化物、硫化物、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩、リン酸塩、クエン酸塩等が挙げられる。
When producing the above-mentioned carbon catalyst containing a transition metal atom, it is preferable to add the compound containing a transition metal atom to a raw material in addition to the above-mentioned organic compound, and calcinate.
In this case, as the compound containing a transition metal atom, a transition metal complex or a transition metal salt can be used.
Examples of the transition metal complex include a transition metal phthalocyanine complex, a tris (pentanedisionate) complex, a porphyrin complex, a salen complex, and a cyclopentadienyl complex.
Examples of the transition metal salt include chloride, sulfide, oxide, hydroxide, carbonate, sulfate, nitrate, acetate, phosphate, citrate and the like.

本発明の炭素触媒の原料が遷移金属錯体や遷移金属塩を含む場合、その含有量は、焼成後の炭素触媒中における遷移金属原子の量が上述した好ましい範囲となるように調整すればよいが、炭素触媒の原料の固形分全体に対して0.5〜50質量%であることが好ましい。より好ましくは、1〜40質量%であり、更に好ましくは、2〜30質量%である。 When the raw material of the carbon catalyst of the present invention contains a transition metal complex or a transition metal salt, the content thereof may be adjusted so that the amount of transition metal atoms in the fired carbon catalyst is in the above-described preferred range. It is preferably 0.5 to 50% by mass based on the entire solid content of the raw material of the carbon catalyst. More preferably, it is 1 to 40% by mass, still more preferably 2 to 30% by mass.

本発明の炭素触媒の原料は、溶媒を含んでいてもよい。溶媒としては、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン、酢酸エチル、ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、テトラヒドロフラン、ヘキサン、トルエン等の1種又は2種以上を用いることができる。
溶媒の含有量は特に制限されないが、炭素触媒の原料全体の30〜95質量%とすることが好ましい。
The raw material of the carbon catalyst of the present invention may contain a solvent. As the solvent, one or more of water, methanol, ethanol, isopropanol, acetone, ethyl acetate, dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, hexane, toluene and the like can be used. .
The content of the solvent is not particularly limited, but is preferably 30 to 95% by mass of the entire raw material of the carbon catalyst.

本発明の炭素触媒の原料を焼成する温度は、500〜1500℃であることが好ましい。このような温度で焼成することで、得られる炭素触媒が、電池の電極触媒としてより高い活性を有するものとなる。焼成温度はより好ましくは、700〜1300℃であり、更に好ましくは、800〜1100℃である。特に好ましくは、800〜1000℃である。
焼成工程は、一定の温度で行ってもよく、温度を変化させながら行ってもよく、これらを組み合わせて行ってもよい。好ましくは、昇温させながらの焼成を含むことである。昇温させながら焼成を行う場合、初期の温度は、0〜100℃が好ましい。より好ましくは、10〜50℃である。また、昇温が終了した後の最終温度は、700〜1300℃が好ましい。より好ましくは、800〜1100℃である。また昇温速度は、0.5〜20℃/minが好ましい。より好ましくは、1〜10℃/minである。
焼成工程全体の時間は、30〜1200分であることが好ましい。より好ましくは、60〜600分であり、更に好ましくは、100〜500分である。
The temperature at which the raw material of the carbon catalyst of the present invention is calcined is preferably 500 to 1500 ° C. By firing at such a temperature, the resulting carbon catalyst has higher activity as an electrode catalyst for a battery. The firing temperature is more preferably from 700 to 1300 ° C, and still more preferably from 800 to 1100 ° C. Especially preferably, it is 800-1000 degreeC.
The firing step may be performed at a fixed temperature, may be performed while changing the temperature, or may be performed in combination. Preferably, it includes firing while raising the temperature. When baking is performed while raising the temperature, the initial temperature is preferably 0 to 100 ° C. More preferably, it is 10 to 50 ° C. The final temperature after the completion of the temperature rise is preferably from 700 to 1300 ° C. More preferably, it is 800 to 1100 ° C. Further, the heating rate is preferably 0.5 to 20 ° C./min. More preferably, it is 1 to 10 ° C / min.
The time for the entire firing step is preferably 30 to 1200 minutes. More preferably, it is 60 to 600 minutes, and still more preferably, it is 100 to 500 minutes.

本発明の炭素触媒の原料がフッ素化ポリアミド酸を含む場合、上記焼成の前にポリアミド酸を熱イミド化する工程を含むことが好ましい。熱イミド化工程は、200〜400℃で行うことが好ましい。より好ましくは、250〜380℃であり、更に好ましくは、270〜340℃である。
熱イミド化工程は、一定の温度で行ってもよく、温度を変化させながら行ってもよく、これらを組み合わせて行ってもよい。好ましくは、昇温させながらの熱イミド化を含むことである。昇温させながら熱イミド化を行う場合、初期の温度は、0〜100℃が好ましい。より好ましくは、10〜50℃である。また、昇温が終了した後の最終温度は、250〜350℃が好ましい。より好ましくは、270〜330℃である。また昇温速度は、1〜50℃/minが好ましい。より好ましくは、2〜30℃/minである。
熱イミド化工程全体の時間は、10〜600分であることが好ましい。より好ましくは、20〜400分であり、更に好ましくは、30〜300分である。
When the raw material of the carbon catalyst of the present invention contains a fluorinated polyamic acid, it is preferable to include a step of thermally imidizing the polyamic acid before the above-mentioned calcination. The thermal imidization step is preferably performed at 200 to 400 ° C. More preferably, it is 250-380 degreeC, Still more preferably, it is 270-340 degreeC.
The thermal imidization step may be performed at a fixed temperature, may be performed while changing the temperature, or may be performed in combination. It is preferable to include thermal imidization while raising the temperature. When performing thermal imidization while raising the temperature, the initial temperature is preferably 0 to 100 ° C. More preferably, it is 10 to 50 ° C. The final temperature after the completion of the temperature rise is preferably from 250 to 350 ° C. More preferably, it is 270-330 ° C. Further, the heating rate is preferably 1 to 50 ° C./min. More preferably, it is 2 to 30 ° C./min.
The total time of the thermal imidization step is preferably 10 to 600 minutes. More preferably, it is 20 to 400 minutes, and still more preferably, it is 30 to 300 minutes.

上記焼成工程、及び、熱イミド化工程は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、ヘリウム、窒素、アルゴン等のいずれの不活性ガスであってもよい。 The baking step and the thermal imidization step are preferably performed in an inert gas atmosphere. As the inert gas, any inert gas such as helium, nitrogen, and argon may be used.

本発明の炭素触媒は、燃料電池等の電池の電極用触媒として好適に用いることができる。このような本発明の炭素触媒を含む電極もまた、本発明の1つである。
本発明の炭素触媒は、酸素還元触媒として高い活性を有することから、本発明の電極は、燃料電池の空気極として用いられることが好ましい。
The carbon catalyst of the present invention can be suitably used as a catalyst for an electrode of a battery such as a fuel cell. Such an electrode including the carbon catalyst of the present invention is also one of the present invention.
Since the carbon catalyst of the present invention has high activity as an oxygen reduction catalyst, the electrode of the present invention is preferably used as an air electrode of a fuel cell.

本発明の電極は、本発明の炭素触媒と、該炭素触媒を支持する集電体とを含むものであることが好ましい。
集電体としては、カーボンペーパー、金属箔、金属メッシュ等を用いることができる。
また、本発明の炭素触媒をシート状に成形し、集電体としての働きを兼ね備えさせることも、本発明の電極の好ましい態様の1つである。
The electrode of the present invention preferably includes the carbon catalyst of the present invention and a current collector supporting the carbon catalyst.
As the current collector, carbon paper, metal foil, metal mesh, or the like can be used.
Further, forming the carbon catalyst of the present invention into a sheet shape and having a function as a current collector is also one of the preferable embodiments of the electrode of the present invention.

本発明の電極は、本発明の炭素触媒と該炭素触媒を支持する集電体以外のその他の成分を含んでいてもよい。その他の成分としては、結着剤、導電助剤、アイオノマー等が挙げられる。
その他の成分を含む場合、下記の炭素触媒の分散液を調製する際に、炭素触媒とともにその他の成分をバインダーと混合し、得られた分散液を集電体上に塗布し、乾燥させて電極を作成することが好ましい。
The electrode of the present invention may contain other components other than the carbon catalyst of the present invention and a current collector supporting the carbon catalyst. Other components include a binder, a conductive auxiliary, an ionomer, and the like.
When other components are included, when preparing a dispersion of the following carbon catalyst, other components are mixed with a binder together with the carbon catalyst, and the obtained dispersion is applied on a current collector, dried, and dried. It is preferable to create

本発明の電極が本発明の炭素触媒と該炭素触媒を支持する集電体以外のその他の成分を含む場合、その他の成分の含有量は、炭素触媒100質量%に対して、5〜1000質量%であることが好ましい。より好ましくは、10〜500質量%であり、更に好ましくは、20〜300質量%である。 When the electrode of the present invention contains the carbon catalyst of the present invention and other components other than the current collector supporting the carbon catalyst, the content of the other components is 5 to 1000 mass% with respect to 100 mass% of the carbon catalyst. %. More preferably, it is 10 to 500% by mass, still more preferably 20 to 300% by mass.

本発明の電極の製造方法は特に制限されないが、本発明の炭素触媒の分散液を集電体上に塗布し、乾燥させることで得ることができる。
炭素触媒の分散液を調製するのに用いるバインダーとしては、ポリ(メタ)アクリル酸含有ポリマー、ポリ(メタ)アクリル酸塩含有ポリマー、ポリアクリロニトリル含有ポリマー、ポリアクリルアミド含有ポリマー、ポリビニルアルコール含有ポリマー、ポリエチレンオキシド含有ポリマー、ポリプロピレンオキシド含有ポリマー、ポリブテンオキシド含有ポリマー、ポリエチレン含有ポリマー、ポリプロピレン含有ポリマー、ポリブテン含有ポリマー、ポリヘキセン含有ポリマー、ポリオクテン含有ポリマー、ポリブタジエン含有ポリマー、ポリイソプレン含有ポリマー、ハロゲン含有ポリマー、アナルゲン、ベンゼン、トリヒドロキシベンゼン、トルエン、ピペロンアルデヒド、カーボワックス、カルバゾール、セルロース、酢酸セルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、カルボキシメチルセルロース、デキストリン、ポリアセチレン含有ポリマー、ポリエチレンイミン含有ポリマー、ポリアミド含有ポリマー、ポリスチレン含有ポリマー、ポリ(無水)マレイン酸含有ポリマー、ポリマレイン酸塩含有ポリマー、ポリ(無水)イタコン酸含有ポリマー、ポリイタコン酸塩含有ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、陽イオン・陰イオン交換膜等に使用されるイオン交換性重合体、環化重合体、スルホン酸塩、スルホン酸塩含有ポリマー、スルホン酸基含有ポリマー、第四級アンモニウム塩、第四級アンモニウム塩含有ポリマー、第四級ホスホニウム塩、第四級ホスホニウム塩アンモニウムポリマー等が挙げられ、これらを1種又は2種以上を用いることができる。
Although the method for producing the electrode of the present invention is not particularly limited, it can be obtained by applying a dispersion of the carbon catalyst of the present invention on a current collector and drying.
The binder used to prepare the dispersion of the carbon catalyst includes poly (meth) acrylic acid-containing polymer, poly (meth) acrylate-containing polymer, polyacrylonitrile-containing polymer, polyacrylamide-containing polymer, polyvinyl alcohol-containing polymer, Ethylene oxide containing polymer, polypropylene oxide containing polymer, polybutene oxide containing polymer, polyethylene containing polymer, polypropylene containing polymer, polybutene containing polymer, polyhexene containing polymer, polyoctene containing polymer, polybutadiene containing polymer, polyisoprene containing polymer, halogen containing polymer, analgen, benzene , Trihydroxybenzene, toluene, piperonaldehyde, carbowax, carbazole, cellulose, acetate cell , Hydroxyalkylcellulose, carboxymethylcellulose, dextrin, polyacetylene-containing polymer, polyethyleneimine-containing polymer, polyamide-containing polymer, polystyrene-containing polymer, poly (anhydride) -maleic acid-containing polymer, polymaleate-containing polymer, poly (anhydride) itaconic acid -Containing polymer, polyitaconate-containing polymer, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, ion-exchange polymer used for cation / anion exchange membrane, etc., cyclized polymer, sulfonate, sulfonate-containing polymer Sulfonic acid group-containing polymers, quaternary ammonium salts, quaternary ammonium salt-containing polymers, quaternary phosphonium salts, quaternary phosphonium salt ammonium polymers, and the like. It is possible to have.

また、炭素触媒の分散液を作成するために溶媒を用いてもよく、水、エタノール、アセトン、イソプロピルアルコール、ブタノール、酢酸ブチル、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、トルエン、キシレン等が挙げられ、これらの1種又は2種以上を用いることができる。 Further, a solvent may be used to prepare a dispersion of the carbon catalyst, and water, ethanol, acetone, isopropyl alcohol, butanol, butyl acetate, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide , Toluene, xylene and the like, and one or more of these can be used.

本発明はまた、本発明の電極と電解質とを含む電池でもある。
本発明の電池が含む電解質は特に制限されず、有機溶剤系電解液としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジメトキシメタン、ジエトキシメタン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、スルホラン、フッ素基含有カーボネート、フッ素基含有エーテル、イオン性液体、ゲル化合物含有電解液、ポリマー含有電解液等が好ましく、水系電解液としては、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液等が挙げられる。電解質は、上記1種又は2種以上使用してもよい。また、上記電解質としてスルホン酸基含有ポリマー等の高分子固体電解質や無機固体電解質を使用してもよい。
The present invention is also a battery including the electrode of the present invention and an electrolyte.
The electrolyte included in the battery of the present invention is not particularly limited, and examples of the organic solvent-based electrolyte include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, and 1,2-dimethoxyethane. 2-diethoxyethane, dimethoxymethane, diethoxymethane, acetonitrile, dimethylsulfoxide, sulfolane, fluorine-containing carbonate, fluorine-containing ether, ionic liquid, gel compound-containing electrolyte, polymer-containing electrolyte, and the like are preferable. Examples of the liquid include an aqueous solution of potassium hydroxide, an aqueous solution of sodium hydroxide, and an aqueous solution of lithium hydroxide. The electrolyte may be used alone or in combination of two or more. Further, a solid polymer electrolyte such as a sulfonic acid group-containing polymer or an inorganic solid electrolyte may be used as the electrolyte.

本発明の電池は、セパレーターを含んで構成されていてもよい。
セパレーターとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、セルロース、酢酸セルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、セロファン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ビニロン、ポリ(メタ)アクリル酸等のマイクロポアを有する高分子量体やそれら共重合体、ゲル化合物、イオン交換膜性重合体やそれら共重合体、環化重合体やそれら共重合体、ポリ(メタ)アクリル酸塩含有ポリマーやそれら共重合体、スルホン酸塩含有ポリマーやそれら共重合体、第四級アンモニウム塩含有ポリマーやそれら共重合体、第四級ホスホニウム塩含有ポリマーやそれら共重合体等を用いることができる。
The battery of the present invention may be configured to include a separator.
As the separator, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, cellulose, cellulose acetate, hydroxyalkyl cellulose, carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol, cellophane, polystyrene, polyacrylonitrile, polyacrylamide, polyvinyl chloride, polyamide, vinylon, High molecular weight polymers having micropores such as poly (meth) acrylic acid, their copolymers, gel compounds, ion exchange membrane polymers and their copolymers, cyclized polymers and their copolymers, poly (meth) Use acrylate-containing polymers and their copolymers, sulfonate-containing polymers and their copolymers, quaternary ammonium salt-containing polymers and their copolymers, quaternary phosphonium salt-containing polymers and their copolymers, etc. Rukoto can.

上述したとおり、本発明の炭素触媒は、燃料電池の電極触媒として好適であることから、本発明の電池は、燃料電池であることが好ましい。本発明の電池が燃料電池である場合、燃料極に供給される燃料は特に制限されず、水素、一酸化炭素、メタノール、エタノール、液化石油ガス、メタン、エタン、プロパン、天然ガス等の各種燃料を用いることができる。 As described above, since the carbon catalyst of the present invention is suitable as an electrode catalyst of a fuel cell, the cell of the present invention is preferably a fuel cell. When the battery of the present invention is a fuel cell, the fuel supplied to the fuel electrode is not particularly limited, and various fuels such as hydrogen, carbon monoxide, methanol, ethanol, liquefied petroleum gas, methane, ethane, propane, and natural gas can be used. Can be used.

本発明の炭素触媒は、上述の構成よりなり、安価でありならが電池の電極触媒として良好な触媒活性を有するものであり、特に燃料電池の電極触媒として好適に用いることができる。 The carbon catalyst of the present invention has the above-described structure and has good catalytic activity as an electrode catalyst of a battery if it is inexpensive, and can be suitably used particularly as an electrode catalyst of a fuel cell.

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「重量部」を、「%」は「質量%」を意味するものとする。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. Unless otherwise specified, “parts” means “parts by weight” and “%” means “% by mass”.

合成例1で合成したフッ素化ポリアミド酸の重量平均分子量は、以下の条件で測定した。
<重量平均分子量測定(GPC測定)>
装置:東ソー株式会社製 HCL−8220GPC
カラム:TSKgel Super AWM−H
溶離液(LiBr・HO、リン酸入りNMP):0.01mol/L
The weight average molecular weight of the fluorinated polyamic acid synthesized in Synthesis Example 1 was measured under the following conditions.
<Weight average molecular weight measurement (GPC measurement)>
Equipment: Tosoh Corporation HCL-8220GPC
Column: TSKgel Super AWM-H
Eluent (LiBr · H 2 O, NMP containing phosphoric acid): 0.01 mol / L

合成例1(フッ素化ポリアミド酸の合成)
100ml容量の三口フラスコに、1,4−ビス(3,4−ジカルボキシトリフルオロフェノキシ)テトラフルオロベンゼン酸二無水物(10FEDAN)(別名:4,4′−[(2,3,5,6−テトラフルオロ−1,4−フェニレン)ビス(オキシ)]ビス(3,5,6−トリフルオロフタル酸無水物)14.51g、1,3−ジアミノ−2,4,5,6−テトラフルオロベンゼン(4FMPD)4.489g、及び、N,N−ジメチルアセトアミド31.0gを仕込んだ。窒素雰囲気下、室温で、5日間攪拌することで、含フッ素ポリアミド酸(10FEDA/4FMPD)樹脂組成物30g(ポリアミド酸の固形分濃度:38%)を得た。また、GPCによる測定でポリアミド酸の重量平均分子量を測定した結果、分子量は8万だった。
Synthesis Example 1 (Synthesis of fluorinated polyamic acid)
In a 100 ml three-necked flask, 1,4-bis (3,4-dicarboxytrifluorophenoxy) tetrafluorobenzene dianhydride (10FEDAN) (also known as: 4,4 '-[(2,3,5,6) -Tetrafluoro-1,4-phenylene) bis (oxy)] bis (3,5,6-trifluorophthalic anhydride) 14.51 g, 1,3-diamino-2,4,5,6-tetrafluoro 4.489 g of benzene (4FMPD) and 31.0 g of N, N-dimethylacetamide were charged and stirred for 5 days at room temperature under a nitrogen atmosphere to obtain 30 g of a fluoropolyamic acid (10FEDA / 4FMPD) resin composition. (Solid content of polyamic acid: 38%), and the weight average molecular weight of the polyamic acid was measured by GPC to be 80,000. .

調製例1〜7(炭素触媒の原料の調製)
合成例1で得られた10FEDA/4FMPDのN,N−ジメチルアセトアミド溶液10gにN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)10gを添加し、更に、調製例2〜7では下記表1に記載の金属錯体を添加して炭素触媒の原料1〜7を調製した。
Preparation Examples 1 to 7 (Preparation of raw materials for carbon catalyst)
10 g of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added to 10 g of an N, N-dimethylacetamide solution of 10FEDA / 4FMPD obtained in Synthesis Example 1, and further, in Preparation Examples 2 to 7, metal complexes described in Table 1 below were added. Was added to prepare raw materials 1 to 7 of the carbon catalyst.

Figure 0006666662
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表1に記載の金属錯体は、それぞれ以下のものである。これらは、いずれも東京化成社で試薬として販売されているものを用いた。
FePc:鉄(II)フタロシアニン錯体(Mw:568.38)
FeAA:トリス(ペンタンジオナート)鉄(III)錯体(Mw:353.17)
CoPc:コバルト(II)フタロシアニン錯体(Mw:571.47)
CoAA:トリス(ペンタンジオナート)コバルト(III)錯体(Mw:356.26)
The metal complexes described in Table 1 are as follows. These were all used as reagents sold by Tokyo Chemical Industry.
FePc: iron (II) phthalocyanine complex (Mw: 568.38)
FeAA: tris (pentanedionate) iron (III) complex (Mw: 353.17)
CoPc: cobalt (II) phthalocyanine complex (Mw: 571.47)
CoAA: tris (pentanedionate) cobalt (III) complex (Mw: 356.26)

実施例1〜11、比較例1〜7
炭素触媒の原料1〜7を泡とリ練太郎(株式会社 シンキー製)で5分攪拌した。その後、超純水中に入れて固形分を沈澱させた。得られた固形分を70℃で2時間、その後、5℃/分で昇温し、300℃になったところで昇温を止めて300℃で1時間加熱し、その後、1時間かけて室温まで戻すことで熱イミド化を行った。熱イミド化は窒素雰囲気下で行った。
その後、それぞれ表2に示す条件で、窒素雰囲気下で焼成を行った。なお、焼成は、室温から5℃/minの昇温速度で表2の焼成(炭化)温度まで昇温した後、焼成(炭化)温度にて1時間保持する方法にて行った。得られた炭素材料(炭素触媒)中の窒素量(N量)は、CHN元素分析により求めた。フッ素量(F量)については、試料燃焼装置(三菱化学社製、QF−02)を用いて、加湿(水蒸気導入)したヘリウムガス中および酸素ガス中で950℃まで試料を加熱し発生させたガスを超純水に吸収させ、この吸収液をイオンクロマトグラフィーで分析して求めた。また、得られた炭素材料(炭素触媒)中の遷移金属量は、空気中で1000℃まで試料を加熱し燃焼させた際の残留物重量から算出して求めた。各炭素材料(炭素触媒)の窒素量(N量)、フッ素量(F量)および遷移金属量の測定結果を表2に示した。
得られた炭素材料(炭素触媒)5mg、導電助剤としてのVulcan XC72(Cabot社製)15mg、5%Nafion(登録商標)溶液0.2mlを、2−プロパノール5ml中に超音波分散にて分散させ、分散液(スラリー)を調製した。この分散液を回転電極装置(HR−201、北斗電工製)に付属の回転ディスクに10μL塗布して乾燥することで炭素触媒付き電極(作用極)を作製した。これを用いて、酸素をバブリングした0.1M硫酸水溶液中で回転電極でリニアスイープボルタンメトリー測定を行った(対極Pt線、参照電極Ag/AgCl、掃引速度10mV/s、回転数500rpm、走査電位範囲1V〜−0.1V〔LSV、negative scan〕)。リニアスイープボルタンメトリー測定における電圧0.3Vのときの電流値を酸素還元能(ORR性能)とした。結果を表2に示した。
比較のため、表2に記載の比較1〜7の各種材料についても、表2に示す条件で、窒素雰囲気下で焼成を行い、得られた材料について、実施例と同様の方法により、リニアスイープボルタンメトリー測定における電圧0.3Vのときの電流値を酸素還元能(ORR性能)とした。結果を表2に示した。
測定の結果、炭素触媒原料1〜5を焼成して得られた材料は、酸素還元反応に対する優れた触媒活性を有することが確認された。
Examples 1 to 11, Comparative Examples 1 to 7
Raw materials 1 to 7 of the carbon catalyst were stirred for 5 minutes with foam and Rintaro (manufactured by Shinky Corporation). Thereafter, the solid was precipitated in ultrapure water. The obtained solid content was heated at 70 ° C. for 2 hours, and then at 5 ° C./min. When the temperature reached 300 ° C., the temperature was stopped and heating was performed at 300 ° C. for 1 hour. By returning, thermal imidization was performed. The thermal imidization was performed under a nitrogen atmosphere.
Thereafter, firing was performed under a nitrogen atmosphere under the conditions shown in Table 2, respectively. The firing was performed by raising the temperature from room temperature to the firing (carbonization) temperature shown in Table 2 at a rate of 5 ° C./min, and then maintaining the temperature at the firing (carbonization) temperature for one hour. The nitrogen content (N content) in the obtained carbon material (carbon catalyst) was determined by CHN elemental analysis. Regarding the fluorine amount (F amount), the sample was heated to 950 ° C. in humidified (steam-introduced) helium gas and oxygen gas using a sample combustion apparatus (QF-02, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) to generate. The gas was absorbed in ultrapure water, and the absorption liquid was analyzed and determined by ion chromatography. Further, the amount of transition metal in the obtained carbon material (carbon catalyst) was determined by calculating from the residue weight when the sample was heated to 1000 ° C. in air and burned. Table 2 shows the measurement results of the nitrogen amount (N amount), fluorine amount (F amount), and transition metal amount of each carbon material (carbon catalyst).
5 mg of the obtained carbon material (carbon catalyst), 15 mg of Vulcan XC72 (manufactured by Cabot) as a conductive assistant, and 0.2 ml of a 5% Nafion (registered trademark) solution were dispersed by ultrasonic dispersion in 5 ml of 2-propanol. Then, a dispersion (slurry) was prepared. This dispersion was applied to a rotating disk attached to a rotating electrode device (HR-201, manufactured by Hokuto Denko) in an amount of 10 μL and dried to prepare an electrode with carbon catalyst (working electrode). Using this, linear sweep voltammetry measurement was performed with a rotating electrode in a 0.1 M sulfuric acid aqueous solution in which oxygen was bubbled (counter electrode Pt line, reference electrode Ag / AgCl, sweep speed 10 mV / s, rotation speed 500 rpm, scanning potential range). 1 V to -0.1 V [LSV, negative scan]). The current value at a voltage of 0.3 V in the linear sweep voltammetry measurement was defined as oxygen reduction ability (ORR performance). The results are shown in Table 2.
For comparison, various materials of Comparative Examples 1 to 7 shown in Table 2 were also fired under a nitrogen atmosphere under the conditions shown in Table 2, and the obtained materials were subjected to linear sweep in the same manner as in the examples. The current value at a voltage of 0.3 V in the voltammetry measurement was defined as the oxygen reducing ability (ORR performance). The results are shown in Table 2.
As a result of the measurement, it was confirmed that the material obtained by calcining the carbon catalyst raw materials 1 to 5 had excellent catalytic activity for the oxygen reduction reaction.

Figure 0006666662
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なお、表2における添加金属錯体の量は、炭素触媒原料の固形分全体に対する添加金属錯体の質量割合である。
表2中、6FDA/4FMPDとは、下記式(9)の構造単位を有するポリマーである。
In addition, the amount of the added metal complex in Table 2 is a mass ratio of the added metal complex to the entire solid content of the carbon catalyst raw material.
In Table 2, 6FDA / 4FMPD is a polymer having a structural unit represented by the following formula (9).

Figure 0006666662
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Claims (4)

炭素を主成分とし、触媒全体に対して窒素を0.1〜20質量%含む酸素還元反応用炭素触媒の製造方法であって、
該酸素還元反応用炭素触媒は、更に触媒全体に対して、フッ素原子を0.1〜20質量%と、周期表第5〜11族の遷移金属原子から選択される少なくとも1種の遷移金属原子を0.05〜10質量%含み、
該製造方法は、下記一般式(1);
Figure 0006666662
(一般式(1)中、Xは、2価の有機基を表す。Yは、4価の有機基を表す。X、Yの少なくとも一方は、フッ素原子を含む有機基である。X、Yの少なくとも一方は構造中に芳香環を含む。)で表される構成単位を有するフッ素化ポリアミド酸及び/又は該フッ素化ポリアミド酸を前駆体とするフッ素化ポリイミドを含む有機化合物、及び、周期表第5〜11族の遷移金属原子から選択される少なくとも1種の遷移金属原子を含む化合物を、得られる炭素触媒中における窒素原子、フッ素原子及び遷移金属原子の量が所望の割合となるように調整して含む触媒の原料を焼成する工程を含む
ことを特徴とする酸素還元反応用炭素触媒の製造方法
A method for producing a carbon catalyst for an oxygen reduction reaction containing carbon as a main component and containing 0.1 to 20% by mass of nitrogen based on the entire catalyst,
The carbon catalyst for oxygen reduction reaction further contains 0.1 to 20% by mass of a fluorine atom with respect to the whole catalyst, and at least one transition metal atom selected from transition metal atoms of Groups 5 to 11 of the periodic table. the unrealized 0.05 to 10% by weight,
The production method includes the following general formula (1);
Figure 0006666662
(In the general formula (1), X represents a divalent organic group. Y represents a tetravalent organic group. At least one of X and Y is an organic group containing a fluorine atom. X, Y At least one of which contains an aromatic ring in its structure), and / or an organic compound containing a fluorinated polyimide having a structural unit represented by the following formula: A compound containing at least one transition metal atom selected from the group 5 to 11 transition metal atoms is selected so that the amounts of nitrogen atoms, fluorine atoms and transition metal atoms in the obtained carbon catalyst are in the desired proportions. A method for producing a carbon catalyst for an oxygen reduction reaction , comprising a step of calcining a raw material of a catalyst that is adjusted and contained .
前記遷移金属原子は、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル及び銅からなる群より選ばれる少なくとも1種の遷移金属原子であることを特徴とする請求項1に記載の酸素還元反応用炭素触媒の製造方法The carbon for oxygen reduction reaction according to claim 1, wherein the transition metal atom is at least one transition metal atom selected from the group consisting of vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, and copper. Method for producing catalyst. 請求項1又は2に記載の酸素還元反応用炭素触媒の製造方法により酸素還元反応用炭素触媒を製造する工程と、
得られた酸素還元反応用炭素触媒の分散液を集電体上に塗布し、乾燥させる工程とを含むことを特徴とする電極の製造方法
A step of producing a carbon catalyst for oxygen reduction reaction by the method for producing a carbon catalyst for oxygen reduction reaction according to claim 1 or 2 ,
The resulting oxygen reduction dispersion of reaction carbon catalyst was coated onto a current collector, the production method of an electrode which comprises a step of drying.
請求項に記載の電極の製造方法により電極を製造する工程と、
得られた電極と電解質とを組み合わせる工程とを含むことを特徴とする電池の製造方法
A step of producing an electrode by the method for producing an electrode according to claim 3 ;
Method for producing a battery, which comprises the step of combining the resulting electrode and an electrolyte.
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