JP6672935B2 - 炭素触媒及び、その製造方法、触媒インキ並びに燃料電池 - Google Patents
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Description
比表面積の大きい電子導電体を担持体とした炭素触媒としては、大環状化合物をカーボンブラックなどの電子伝導性炭素担体表面に担持し、炭化させた炭素触媒(特許文献9、10、11)も報告されている。しかし、いずれの方法においても、充分な触媒活性を有する触媒の提案には至っていない。
炭素材料と、塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体および酸性官能基を有する窒素含有顔料誘導体からなる群から選ばれる一種以上の、金属元素を含有しない窒素含有顔料誘導体と、金属源とを、含む混合物の熱変性物で構成される。
炭素材料と、塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体および酸性官能基を有する窒素含有顔料誘導体からなる群から選ばれる一種以上の、金属元素を含有する窒素含有顔料誘導体とを、含む混合物および、
炭素材料と、塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体および酸性官能基を有する窒素含有顔料誘導体からなる群から選ばれる一種以上の、金属元素を含有しない窒素含有顔料誘導体と、金属源とを含む混合物を、溶剤中で分散・混合することで、炭素材料表面に前記窒素含有顔料誘導体や金属源を効率的に処理でき、本発明の炭素触媒活性における触媒活性サイトの要因と考えられる窒素元素及び金属元素、炭素触媒表面に効果的に導入可能となる。
本発明における塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体としては、塩基性官能基を有する有機色素誘導体、塩基性官能基を有するアントラキノン誘導体、塩基性官能基を有するアクリドン誘導体、及び塩基性官能基を有するトリアジン誘導体からなる群から選ばれる1種以上の誘導体が挙げられる。上記のうち有機色素誘導体又は、アントラキノン誘導体を使用する上では、炭素化後の窒素の残りやすさから、官能基や末端以外の骨格内に窒素を含有する窒素含有有機色素誘導体又は、窒素含有アントラキノン誘導体が好ましい場合がある。
X1は、−NH−、−O−、−CONH−、−SO2NH−、−CH2NH−、−CH2NHCOCH2NH−、又は−X2−Y1−X3−であり、
X2は、−NH−、−O−、−CONH−、−SO2NH−、−CH2NH−、−NHCO−、又は−NHSO2−であり、
X3は、−NH−、又は−O−であり、
Y1は、炭素数1〜20で構成された、置換若しくは未置換のアルキレン基、置換若しくは未置換のアルケニレン基、又は、置換若しくは未置換のアリーレン基であり、
Pは、下記一般式(2)で示される置換基、下記一般式(3)で示される置換基、又は下記一般式(4)で示される置換基であり、
Qは、−O−R2、−NH−R2、ハロゲン基、−X1−R1、下記一般式(2)で示される置換基、下記一般式(3)で示される置換基、又は下記一般式(4)で示される置換基であり、
R2は、水素原子、置換若しくは未置換のアルキル基、置換若しくは未置換のアルケニル基、又は置換若しくは未置換のアリール基であり、
R1は、有機色素残基、置換若しくは未置換の複素環残基、置換若しくは未置換の芳香族環残基、又は下記一般式(5)で示される基であり、
n1は、1〜4の整数である。
X4は、直接結合、−SO2−、−CO−、−CH2NHCOCH2−、−CH2NHCONHCH2−、−CH2−、又は−X5−Y2−X6−であり、
X5は、−NH−、又は−O−であり、
X6は、直接結合、−SO2−、−CO−、−CH2NHCOCH2−、−CH2NHCONHCH2−、又は−CH2−であり、
Y2は、炭素数1〜20で構成された、置換若しくは未置換のアルキレン基、置換若しくは未置換のアルケニレン基、又は置換若しくは未置換のアリーレン基であり、
vは、1〜10の整数であり、
R3 及びR4は、それぞれ独立に、水素原子、置換若しくは未置換のアルキル基、置換若しくは未置換のアルケニル基、又は置換若しくは未置換のアリール基である。ここで、R3 とR4とで一体となって、更なる窒素、酸素、又は硫黄原子を含む、置換若しくは未置換の複素環残基であり、
R5 、R6 、R7 、及びR8は、それぞれ独立に、水素原子、置換若しくは未置換のアルキル基、置換若しくは未置換のアルケニル基、又は、置換若しくは未置換のアリール基であり、
R9は、置換若しくは未置換のアルキル基、置換若しくは未置換のアルケニル基、又は、置換若しくは未置換のアリール基である。
Tは、−X8−R10、又はW1であり、
Uは、−X9−R11、又はW2であり、
W1、及びW2は、それぞれ独立に、−O−R20、−NH−R20、ハロゲン基、一般式(2)で示される置換基、一般式(3)で示される置換基、又は一般式(4)で示される置換基であり、
R20は、水素原子、置換若しくは未置換のアルキル基、置換若しくは未置換のアルケニル基、又は、置換若しくは未置換のアリール基であり、
X7は、−NH−、又は−O−であり、
X8、及びX9は、それぞれ独立に、−NH−、−O−、−CONH−、−SO2NH−、−CH2NH−、又は−CH2NHCOCH2NH−であり、
Y3は、炭素数1〜20で構成された、置換若しくは未置換のアルキレン基、置換若しくは未置換のアルケニレン基、又は、置換若しくは未置換のアリーレン基であり、
R10、及びR11は、それぞれ独立に、有機色素残基、置換若しくは未置換の複素環残基、又は、置換若しくは未置換の芳香族環残基である。
Zは、下記一般式(7)で示される置換基、下記一般式(8)で示される置換基、又は下記一般式(9)で示される置換基であり、
n2は、1〜4の整数であり、
R12は、有機色素残基、置換若しくは未置換の複素環残基、又は、置換若しくは未置換の芳香族残基である。
X10は、直接結合、−SO2−、−CO−、−CH2NHCOCH2−、−CH2NHCONHCH2−、−CH2−、又は−X11−Y4−X12−であり、
X11は、−NH−、又は−O−であり、
X12は、直接結合、−SO2−、−CO−、−CH2NHCOCH2−、−CH2NHCONHCH2−、又は−CH2−であり、
Y4は、炭素数1〜20で構成された、置換若しくは未置換のアルキレン基、置換若しくは未置換のアルケニレン基、又は、置換若しくは未置換のアリーレン基であり、
v1は、1〜10の整数であり、
R13 、及びR14は、それぞれ独立に、水素原子、置換若しくは未置換のアルキル基、置換若しくは未置換のアルケニル基、置換若しくは未置換のフェニル基である。ここで、R3とR4とで一体となって更なる窒素、酸素、若しくは硫黄原子を含む置換若しくは未置換の複素環残基を形成してもよい。
R15 、R16 、R17 、及びR18は、それぞれ独立に、水素原子、置換若しくは未置換のアルキル基、置換若しくは未置換のアルケニル基、又は、置換若しくは未置換のアリール基であり、
R19は、置換若しくは未置換のアルキル基、置換若しくは未置換のアルケニル基、又は、置換若しくは未置換のアリール基である。
ジメチルアミン、ジエチルアミン、メチルエチルアミン、N,N−エチルイソプロピルアミン、N,N−エチルプロピルアミン、N,N−メチルブチルアミン、N,N−メチルイソブチルアミン、N,N−ブチルエチルアミン、N,N−tert−ブチルエチルアミン、ジイソプロピルアミン、ジプロピルアミン、N,N−sec−ブチルプロピルアミン、ジブチルアミン、ジ−sec−ブチルアミン、ジイソブチルアミン、N,N−イソブチル−sec−ブチルアミン、ジアミルアミン、ジイソアミルアミン、ジヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミン、ジ(2−エチルへキシル)アミン、ジオクチルアミン、N,N−メチルオクタデシルアミン、ジデシルアミン、ジアリルアミン、N,N−エチル−1,2−ジメチルプロピルアミン、N,N−メチルヘキシルアミン、ジオレイルアミン、ジステアリルアミン、N,N−ジメチルアミノメチルアミン、N,N−ジメチルアミノエチルアミン、N,N−ジメチルアミノアミルアミン、N,N−ジメチルアミノブチルアミン、N,N−ジエチルアミノエチルアミン、N,N−ジエチルアミノプロピルアミン、N,N−ジエチルアミノヘキシルアミン、N,N−ジエチルアミノブチルアミン、N,N−ジエチルアミノペンチルアミン、N,N−ジプロピルアミノブチルアミン、N,N−ジブチルアミノプロピルアミン、N,N−ジブチルアミノエチルアミン、N,N−ジブチルアミノブチルアミン、N,N−ジイソブチルアミノペンチルアミン、N,N−メチルーラウリルアミノプロピルアミン、N,N−エチルーヘキシルアミノエチルアミン、N,N−ジステアリルアミノエチルアミン、N,N−ジオレイルアミノエチルアミン、N,N−ジステアリルアミノブチルアミン、ピペリジン、2−ピペコリン、3−ピペコリン、4−ピペコリン、2,4−ルペチジン、2,6−ルペチジン、3,5−ルペチジン、3−ピペリジンメタノール、ピペコリン酸、イソニペコチン酸、イソニコペチン酸メチル、イソニコペチン酸エチル、2−ピペリジンエタノール、ピロリジン、3−ヒドロキシピロリジン、N−アミノエチルピペリジン、N−アミノエチル−4−ピペコリン、N−アミノエチルモルホリン、N−アミノプロピルピペリジン、N−アミノプロピル−2−ピペコリン、N−アミノプロピル−4−ピペコリン、N−アミノプロピルモルホリン、N−メチルピペラジン、N−ブチルピペラジン、N−メチルホモピペラジン、1−シクロペンチルピペラジン、1−アミノ−4−メチルピペラジン、及び1−シクロペンチルピペラジン等。
−SO2Cl
−COCl
−CH2NHCOCH2Cl
−CH2Cl
X13は、−NH−、−O−、−CONH−、−SO2NH−、−CH2NH−、−CH2NHCOCH2NH−、又は−X14−Y5−X15−であり、
X14は、−NH−、−O−、−CONH−、−SO2NH−、−CH2NH−、−NHCO−、又は−NHSO2−であり、
X15は、それぞれ独立に、−NH−、又は−O−であり、
Y5は、炭素数1〜20で構成された、置換若しくは未置換のアルキレン基、置換若しくは未置換のアルケニレン基、又は、置換若しくは未置換のアリーレン基であり、
P1は、一般式(2)で示される置換基、一般式(3)で示される置換基、又は一般式(4)で示される置換基であり、
Q2は、−O−R24、−NH−R24、ハロゲン基、−X1−R25、一般式(2)で示される置換基、一般式(3)で示される置換基、又は一般式(4)で示される置換基であり、
R24は、水素原子、置換若しくは未置換のアルキル基又は、置換若しくは未置換のアルケニル基、又は置換若しくは未置換のアリール基であり、
R25は、有機色素残基、置換若しくは未置換の複素環残基、置換若しくは未置換の芳香族環残基、又は一般式(5)で示される基である。
本発明における酸性官能基を有する窒素含有顔料誘導体としては、酸性官能基を有する有機色素誘導体、及び酸性官能基を有するトリアジン誘導体からなる群から選ばれる1種以上の誘導体が挙げられる。
上記のうち有機色素誘導体又は、アントラキノン誘導体を使用する上では、炭素化後の窒素の残りやすさから、官能基や末端以外の骨格内に窒素を含有する窒素含有有機色素誘導体又は、窒素含有アントラキノン誘導体が好ましい場合がある。
酸性官能基としては、スルホ基(−SO3H)、カルボキシ基(−COOH)又はリン酸基(−P(=O)(OH)2)が、酸性度や汎用性の面から好ましい。
X101は、−NH−、−O−、−CONH−、−SO2NH−、−CH2NH−、−CH2NHCOCH2NH−、又は−X103−Y101−X104−であり、
X102、及びX104は、それぞれ独立に、−NH−、又は−O−であり、
X103は、−CONH−、−SO2NH−、−CH2NH−、−NHCO−、又は−NHSO2−であり、
Y101は、炭素数1〜20で構成された、置換若しくは未置換のアルキレン基、置換若しくは未置換のアルケニレン基、又は、置換若しくは未置換のアリーレン基であり、 Z101は、−SO3M101(スルホ基)、−COOM101(カルボキシ基)、又は−P(O)(−OM101)2(リン酸基)であり、
M101は、1〜3価のカチオンの一当量であり、
Q101は、−O−R102、−NH−R102、ハロゲン基、−X101−R101、又は−X102−Y101−Z101であり、
R102は、水素原子、置換若しくは未置換のアルキル基、又は、置換若しくは未置換のアルケニル基であり、
n101は、1〜4の整数であり、
R101は、有機色素残基、置換若しくは未置換の複素環残基、置換若しくは未置換の芳香族環残基、又は下記一般式(16)で表される基である。
X201は、−NH−、又は−O−であり、
X202、及びX203は、それぞれ独立に、−NH−、−O−、−CONH−、−SO2NH−、−CH2NH−、又は−CH2NHCOCH2NH−であり、
R201、及びR202は、それぞれ独立に、有機色素残基、置換若しくは未置換の複素環残基、置換若しくは未置換の芳香族環残基、又は−Y201−Z201であり、
Y201は、炭素数1〜20で構成された、置換若しくは未置換のアルキレン基、置換若しくは未置換のアルケニレン基、又は、置換若しくは未置換のアリーレン基であり、
Z201は、−SO3M201、−COOM201、又は−P(O)(−OM201)2であり、
M201は、1〜3価のカチオンの一当量である。
X401、直接結合、−NH−、−O−、−CONH−、−SO2NH−、−CH2NH−、−CH2NHCOCH2NH−、−X402−Y−、又は−X402−Y−X403−であり、
X402は、−CONH−、−SO2NH−、−CH2NH−、−NHCO−、又は−NHSO2−であり、
X403は、−NH−、又は−O−であり、
Y401は、炭素数1〜20で構成された、置換若しくは未置換のアルキレン基、置換若しくは未置換のアルケニレン基、又は、置換若しくは未置換のアリーレン基であり、
Z401は、−SO3M401、−COOM401、又は−P(O)(−OM401)2であり、
M401は、1〜3価のカチオンの一当量であり、
R401は、有機色素残基であり、
n401は、1〜4の整数である。
本発明における炭素触媒の製造方法において用いられる有機顔料としては、印刷インキ、インクジェット用インキ、カラーフィルター用レジストインキ等に使用される種々の顔料が挙げられる。このような顔料としては溶性アゾ顔料、不溶性アゾ顔料、フタロシアニン顔料、キナクリドン顔料、イソインドリノン顔料、イソインドリン顔料、ペリレン顔料、ペリノン顔料、ジオキサジン顔料、アントラキノン顔料、ジアンスラキノニル顔料、アンスラピリミジン顔料、アンサンスロン顔料、インダンスロン顔料、フラバンスロン顔料、ピランスロン顔料、ジケトピロロピロール顔料等があり、上記貴金属元素を含有しない大環状化合物としてはフタロシアニン顔料が該当する。更に具体的な例をカラーインデックスのジェネリックネームで示すと、ピグメントブラック1,31,32、ピグメントブラウン5,23,25,41、ピグメントブルー1,6,15,15:1,15:2,15:3,15:4,15:5,15:6,16,17:1,24,24:1,25,26,56,60,61,62,63,75,79,80、ピグメントグリーン1,4,7,8,10,36、ピグメントバイオレット1,2,3,3:1,3:3,5:1,13,19,23,25,27,29,31,32,36,37,38,42,50、ピグメントレッド1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,14,15,16,17,18,21,22,23,31,32,38,41,48,49,52,53,54,57:1,58,60:1,63,64:1,68,81:1,83,88,89,95,112,114,119,122,123,144,146,147,149,150,166,168,169,170,171,172,175,176,177,178,179,181,184,185,187,188,190,193,194,200,202,206, 207,208,209,210,211,213,214,216,220,221,224,226,238,242,245,247,248,251,253,254,255,256,257,258,260,264,266,268,269,272,279、ピグメントオレンジ1,2,3,4,5,13,15,16,17,19,31,34,36,37、38,40,43,46,48,49,51,60,61,62,64,65,66,67,68,69,71,72,73,74,81、ピグメントイエロー1,2,3,4,5,6,7,9,10,12,13,14,15,16,17,24,49,55,60,61,62,63,65,73,74,75,77,81,83,87,93,94,95,97,98,99,100,101,104,105,106,108,109,110,111,113,114,116,117,120,123,124,126,127,128,129,130,133,138,139,150,151,152,153,154,155,167,168,169,170,172,173,175,176,179,180,181,182,183,185,191,193,194,199,213,214,219等が挙げられる。
しかし、有機顔料は、上記例示には限定されるものでない。中でも、窒素元素を含んだ複素環を1分子中に多数持つフタロシアニン顔料、ペリレン顔料、ジオキサジン顔料等は、炭素材料表面に効率的に触媒活性要因となる金属元素や窒素元素を導入しやすくなるためより好ましい。
本発明における炭素触媒の製造方法において用いられる貴金属元素を含有しない大環状化合物としては、中心金属がコバルト、鉄、ニッケル、マンガン、銅、チタン、バナジウム、クロム、亜鉛、スズ、アルミニウム、マグネシウムから選ばれる一種であり、それらに有機系配位子が結合したフタロシアニン系化合物、ナフタロシアニン系化合物、ポルフィリン系化合物、テトラアザアヌレン系化合物が挙げられる。また、貴金属元素を含有しない大環状化合物は、電子吸引性官能基や電子供与性官能基を導入されていても問題ない。中でも、コバルトフタロシアニン系化合物、ニッケルフタロシアニン系化合物、鉄フタロシアニン系化合物、銅フタロシアニン系化合物は、安価で、高い酸素還元活性も有することで知られていることから、それらより合成した炭素触媒は、安価で高い酸素還元活性を有する炭素触媒となるため原料としてより好ましい。
本発明における炭素材料は炭素触媒の製造方法において用いられる窒素源及び金属源を高分散担持させ、過度の熱分解や活性要因となる窒素元素の脱離を抑制するための、担体としての役割を果たす。そのため、担持面積が大きく、熱的に安定な炭素材料が好ましい。炭素材料のBET比表面積が10〜2000m2/gであると窒素源及び金属源を担持するための面積を確保でき好ましく、200〜1500m2/gがより好ましい。また、窒素源や金属源をより安定化させる目的で、炭素材料の表面に官能基など導入し、窒素源及び金属源と炭素材料表面で物理・化学結合を形成させても良い。
炭素材料としては、カーボンブラック(ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ミディアムサーマルカーボンブラック)、活性炭、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、グラフェンナノプレートレット、ナノポーラスカーボン等が挙げられる。炭素材料は、種類やメーカーによって、粒子径、形状、BET比表面積、細孔容積、細孔径、嵩密度、DBP吸油量、表面酸塩基度、表面親水度、導電性など様々な物性やコストが異なるため、使用する用途や要求性能に合わせて最適な材料を選択する。
市販の炭素材料としては、例えば、
ケッチェンブラックEC−300J、及びEC−600JD等のアクゾ社製ケッチェンブラック:
トーカブラック#4300、#4400、#4500、及び#5500等の東海カーボン社製ファーネスブラック:
プリンテックスL等のデグサ社製ファーネスブラック:
Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULT
RA、Conductex SC ULTRA、975 ULTRA、PUER BLACK100、115、及び205等のコロンビヤン社製ファーネスブラック:
#2350、#2400B、#2600B、#30050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、及び#5400B等の三菱化学社製ファーネスブラック:
MONARCH1400、1300、900、VulcanXC−72R、及びBlackPearls2000等のキャボット社製ファーネスブラック:
Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、及びSuperP−Li等のTIMCAL社製ファーネスブラック:
デンカブラック、デンカブラックHS−100、FX−35等の電気化学工業社製アセチレンブラック:
VGCF、VGCF−H、VGCF−X等の昭和電工社製カーボンナノチューブ:
名城ナノカーボン社製カーボンナノチューブ:
xGnP−C−750、xGnP−M−5等のXGSciences社製グラフェンナノプレートレット:
Easy−N社製ナノポーラスカーボン:
クノーベルMHグレード、クノーベルP(2)010グレード、クノーベルP(3)010グレード、クノーベルP(4)050グレード等の東洋カーボン社製の多孔質炭素
等が挙げられ、これらに限定されるものではないが、中でもカーボンブラック、グラフェン系材料、カーボンナノチューブは、比表面積が高く、窒素源や金属源などの担持体としての役割を果たしやすくなることに加え、導電性などの特性も優れており好ましい。
本発明における炭素触媒の製造方法において用いられる窒素源および金属源に含まれる金属元素は、それ自身が窒素源と配位し活性点の一つとして報告されている「金属N−4構造」を形成したり、活性点形成を補助したり、炭素触媒の細孔構造を発達させるといった役割を果たす。そのため、窒素源となる窒素含有顔料誘導体に金属元素を含まない場合には、金属源を別に添加することが好ましい。金属源としては、卑金属元素を含有している材料であれば良く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において特に限定されない。例えば、色素、ポリマー等の有機化合物、金属単体、金属酸化物、金属塩等の無機化合物が挙げられる。卑金属元素とは、遷移金属元素のうち貴金属元素(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金)を除く金属元素であり、卑金属元素としては、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、銅、チタン、バナジウム、クロム、亜鉛、スズ、アルミニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、及びマグネシウムから選ばれる一種以上を含有することが好ましく、コバルト、鉄、ニッケル、銅がより好ましい。
本発明における炭素触媒の製造方法において用いられる樹脂成分としては、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、カルボキシルメチルセルロース等のセルロース樹脂、スチレン−ブタジエンゴムやフッ素ゴム等の合成ゴム、ポリアニリンやポリアセチレン等の導電性樹脂等が挙げられる。又、これらの樹脂の変性体、混合物、又は共重合体であっても良い。
本発明における炭素触媒の製造方法において用いられる天然材料としては、未変性又は変性の、多糖類、天然ワックス、天然樹脂、および植物油からなる群から選ばれる天然材料等が挙げられる。
本発明における炭素触媒は、比表面積が大きく、電子伝導性が高いほど好ましい。酸素の還元反応は炭素触媒の表面で起こるため、比表面積が大きいほど、酸素とプロトンの反応場が多くなり、触媒活性の向上に繋がるため好ましい。また、電子伝導性が高いほど、電極中における酸素還元反応に必要な電子を前記反応場に供給できるため、電流の増加に繋がりやすく、好ましい。また、触媒表面の窒素量が多いほど表面の活性点の数が多くなりやすいため好ましく、更に窒素がピリジン型窒素を主とした末端窒素であるとより好ましい。
本発明における炭素触媒の製造方法としては、炭素材料と、塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体および酸性官能基を有する窒素含有顔料誘導体からなる群から選ばれる一種以上の、金属元素を含有する窒素含有顔料誘導体が混合された前駆体および、
炭素材料と、塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体および酸性官能基を有する窒素含有顔料誘導体からなる群から選ばれる一種以上の、金属元素を含有しない窒素含有顔料誘導体と、金属源とを含む前駆体を作製する工程と、前記前駆体を熱処理する工程とを含む方法が挙げられる。
ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類:
エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはPRIMIX社製「フィルミックス」等のホモジナイザー類:
ペイントシェーカー(レッドデビル社製、ミツワテック社製「スキャンデックス」等)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、若しくはコボールミル等のメディア型分散機:
湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS−5」、若しくは奈良機械製作所社製「マイクロス」等のメディアレス分散機:
又は、その他ロールミル、ニーダー等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又、湿式処理機としては、装置からの金属混入防止処理を施したものを用いることが好ましい。
分散剤としては、顔料誘導体、界面活性剤、分散樹脂など特に限定されないが、分散樹脂は各原料の分散性を向上させるだけでなく、材料の効果的な選定で、焼成後の炭素触媒の表面構造を制御する役割も果たすことが出来るため好ましい。
加熱時間は特に限定されないが、通常は1時間から5時間であることが好ましい。
次に、本発明における炭素触媒を用いた触媒インキについて説明する。
本発明の触媒インキは、炭素触媒、バインダー、溶剤を含むものである。バインダー成分は、プロトン伝導性があり、耐酸化性のある材料が好ましい。炭素触媒、バインダー、溶剤の割合は、特に限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択される。
分散剤の含有量は、触媒インキ中の炭素触媒に対し、0.01〜5質量%、好ましくは0.02〜3質量%である。この範囲の含有量とすることにより、炭素触媒の分散安定性を十分に達成できると同時に、炭素触媒の凝集を効果的に防止でき、かつ触媒層表面への分散剤の析出を防止できる。
導電性炭素材料の含有量は、触媒インキ中の炭素触媒に対し、1〜300質量%、好ましくは50〜150質量%である。
本発明におけるバインダーとは、炭素触媒などの粒子を結着させるために使用されるものであり、それら粒子を溶媒中へ分散させる効果は小さいものである。
バインダーとしては、従来公知のものを使用することができ、例えば、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、カルボキシメチルセルロース等のセルロース樹脂、スチレン−ブタジエンゴムやフッ素ゴム等の合成ゴム、ポリアニリンやポリアセチレン等の導電性樹脂等、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、及びテトラフルオロエチレン等のフッ素原子を含む高分子化合物が挙げられる。又、これらの樹脂の変性物、混合物、又は共重合体でも良く、水溶性の樹脂であっても、水分散型の樹脂であっても良い。これらバインダーは、1種または複数を組み合わせて使用することも出来る。
通常の燃料電池用触媒層のバインダーとしては、膜中にプロトンを伝導する観点からプロトン伝導性を有するポリマーがより好ましいが、微生物燃料電池の中でも液体電解質が使用される場合にはこの限りではない。
また正極側の触媒層において酸素と水素イオンが反応して生じる水、この余剰水の排水という観点から、撥水性材料がより好ましい場合がある。
プロトン伝導性ポリマーとしては、親水性官能基を有するバインダーを指し、プロトン伝導度として100%RH、25℃で10−3Scm−1以上を示すものが好ましい。
ここで、親水性官能基としては、スルホ基、カルボキシ基、リン酸基等の酸性官能基、水酸基、アミノ基等の塩基性官能基が挙げられるが、プロトン解離性の観点から、スルホ基、カルボキシ基、リン酸基、及び水酸基がより好ましい。
プロトン伝導性を示すポリマーとしては、スルホ基を導入した、オレフィン系樹脂(ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸等)、ポリイミド系樹脂、フェノール樹脂、ポリエーテルケトン系樹脂、ポリベンズイミダゾール系樹脂、及びポリスチレン系樹脂、スチレン・エチレン・ブチレン・スチレン共重合体のスルホン酸ドープ品、パーフルオロスルホン酸系樹脂等のスルホン酸を有する樹脂:
ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース等のカルボン酸を有する樹脂:
ポリビニルアルコール等の水酸基を有する樹脂:
ポリアリルアミン、ポリジアリルアミン、ポリジアリルジメチルアンモニウム塩、イミダゾール部分で酸と塩形成したポリベンズイミダゾール系樹脂等のアミノ基を有する樹脂:
ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルイミダゾール等の、その他の親水性官能基を有する樹脂が挙げられる。特に、パーフルオロスルホン酸系樹脂は、電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホ基の解離度が高く、高いプロトン伝導性が実現できる。このようなプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、デュポン社製の「Nafion」(登録商標)等が挙げられる。通常、プロトン伝導性ポリマーは、ポリマーを5〜30質量%程度含むアルコール水溶液として使用される。アルコールとしては、例えば、メタノール、プロパノール、エタノールジエチルエーテル等が使用される。
撥水性材料としては、親水性官能基を有さないバインダーを指し、表面張力が水の表面張力(約72dyn/cm)より低いものが好ましい。例えば、フッ素系樹脂や、ポリプロピレン、ポリエチレン等のオレフィン系樹脂、ポリジメチルシロキサン等のシリコン樹脂が使用できるが、中でもフッ素系樹脂が好ましい。フッ素系樹脂としてはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などが挙げられる。
溶剤としては、特に限定されるものではない。主溶剤としては、水または水と親和性が高い溶剤が好ましく、特にアルコールが好適に使用できる。このようなアルコールとしては、例えば、沸点80〜200℃程度の1価のアルコールないし多価アルコールが利用でき、好ましくは炭素数が4以下のアルコール系溶剤が挙げられる。具体的には、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノールなどが挙げられる。アルコールは、1種単独で又は2種以上混合して使用される。これらの1価のアルコールの中でも、2−プロパノール、1−ブタノール及びt−ブタノールが好ましい。多価アルコールとしては具体的には、プロトン伝導性を有する樹脂との相溶性、及び触媒インキとした場合の乾燥効率の問題から、例えば、プロピレングリコール、エチレングリコールなどが好ましく、中でもプロピレングリコールが特に好ましい。
導電性炭素材料としては、導電性を有する炭素材料であれば特に限定されるものではないが、カーボンブラック、グラファイト、導電性炭素繊維(カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー、カーボンナノホーン)、グラフェン、グラフェンナノプレートレット、フラーレン等を単独で、もしくは2種類以上併せて使用することができる。導電性、入手の容易さ、およびコスト面から、カーボンブラックの使用が好ましい。
燃料電池は使用する電解質により、いくつかのタイプに分類することができ、本発明の炭素触媒は、各種燃料電池に適用可能である。以下、2つのタイプの燃料電池を例として挙げる。
図1に固体高分子形燃料電池の概略構成図を示す。固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質4を挟むように、対向配置されたセパレータ1、ガス拡散層2、アノード電極触媒(燃料極)3、カソード電極触媒(空気極)5、ガス拡散層6、及びセパレータ7とから構成される。
固体高分子電解質4としては、パーフルオロスルホン酸樹脂膜を代表とするフッ素系陽イオン交換樹脂膜が用いられる。
カソード側:O2+4H++4e−→2H2O
アノード側:H2→2H++2e−
の反応が起こり、アノード側で生成されたH+イオンは固体高分子電解質4中をカソード側に向かって移動し、e−(電子)は外部の負荷を通ってカソード側に移動する。
微生物燃料電池は、微生物が有機物を嫌気分解する代謝活動から生成される電子を回収しつつ有機物の分解を促進させる電池である。負極には、電子供与微生物が保持されており、有機排水中などに含まれる有機物を利用して代謝を行い、e−(電子)およびH+イオン(プロトン)を発生させる。正極側では発生したe−(電子)およびH+イオン(プロトン)を利用した酸素還元反応により発電することができる。
微生物燃料電池の構成としては、電子供与微生物が保持された負極となる導電性支持体と、燃料電池用触媒材料を塗布した正極となる導電性支持体を、有機排水等を含む液槽に差し込んだ一槽型構成や、固体高分子形燃料電池のように、固体高分子膜を利用して、負極槽と正極槽を隔てた二槽型構成でもよい。
正極としては、本発明における微生物燃料電池用触媒インキを導電性支持体に塗布した微生物燃料電池用触媒電極、燃料電池用電極膜接合体も好適に使用することができる。
微生物燃料電池用の電子供与微生物としては、Shewanella属、Pseudomonas属、Rhodoferax属、Geobacter属等を用いることができる。
発電に必要な燃料として使える栄養基質(有機物)としては、触媒となる電子供与微生物が分解できれば特に限定はされず、有機排水や汚泥などに含まれる、メタノールやエタノールなどのアルコール類、酢酸などのカルボン酸類、グルコースなど単糖類、デンプンやセルロースなどの多糖類、などを好適に利用できる。
電解質溶液としては、電子伝導性がなくプロトン輸送が可能であれば限定されず、特にリン酸塩緩衝液など、中性の緩衝溶液などを好適に利用できる。
なお、本明細書において実施例15、16以外の実施例は参考例である。
・BET比表面積の測定:窒素吸着量測定(日本ベル社製 BELSORP−mini)
・窒素に対する金属元素の元素比の測定(Fe、Co、Ni/Nモル比)
-金属量の測定:ICP発光分光分析装置(スペクトロ社製 SPECTRO AROCOS)
-窒素量の測定:全自動元素分析装置(パーキンエルマー社製 2400II)
・グラフェンナノプレートレットxGnP−C−750(XGscience社製:比表面積670m2/g)(GNP)
・ケッチェンブラックEC−600JD(ライオン社製:比表面積1200m2/g)(KB)
・カーボンナノチューブVGCF−H(昭和電工社製:比表面積13m2/g)(CNT)
・塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体(F、G)
・酸性官能基を有する窒素含有顔料誘導体(Db、Df、Dh、Dj、Dt、Dw)
:鉄フタロシアニン誘導体FePc−(SO3NH4)4(日鉄鉱業社製:固形分10%水溶液)(Du)
:銅フタロシアニン誘導体SOLSPERSE12000(日本ルーブリゾール社製)(Dv)
・塩化鉄(II)四水和物(キシダ化学社製)(FeCl2)
・塩化ニッケル(II)六水和物(キシダ化学社製)(NiCl2)
・鉄(III)アセチルアセトナート(関東化学社製)(Fe(acac)3)
・樹脂型分散剤ジョンクリルJDX−6500(BASFジャパン社製:固形分30%水溶液)(JDX−6500)
・樹脂型分散剤PVP K-90(ISPジャパン社製)(PVP)
・鉄フタロシアニンP-26(山陽色素社製)(FePc)
・HS−100(電気化学工業社製:比表面積39m2/g)
[調製例1:塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体((塩基性顔料誘導体(I))]
メタノール300部中にp−アミノアセトアニライド20部と塩化シアヌル25部を仕込み、20℃以下で2時間反応させ、次いでN,N−ジブチルアミノエチルアミン46部を仕込み、2時間加熱還流した。次いで、塩酸100部を加え加水分解させた後、メタノールを留去し、水酸化ナトリウム40部、水1000部を加え、濾過、水洗、乾燥し、塩基性顔料誘導体(I)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水60部と、鉄フタロシアニン誘導体(Du)(固形分10%水溶液)33.7部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.7部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(1)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(2)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水86.4部と、塩化鉄(II)四水和物0.17部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)2.7部、樹脂型分散剤ジョンクリル(固形分:30%水溶液)5.4部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット5.5部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(3)を得た。
ガラス瓶にメタノール90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体((塩基性顔料誘導体(I))3.2部を秤量し均一な溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(4)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水86.4部と、塩化鉄(II)四水和物0.17部、塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体((塩基性顔料誘導体(I))2.7部、樹脂型分散剤PVP1.6部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット5.5部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(5)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、1000℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(6)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水60部と、鉄フタロシアニン誘導体(Du)(固形分10%水溶液)33.7部を秤量し均一な水溶液を作製後、ケッチェンブラック6.7部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(7)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、ケッチェンブラック6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(8)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水60部と、鉄フタロシアニン誘導体(Du)(固形分10%水溶液)33.7部を秤量し均一な水溶液を作製後、カーボンナノチューブ6.7部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(9)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、カーボンナノチューブ6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(10)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、酸性官能基を有する窒素含有顔料誘導体(Dt)3.3部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.7部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(14)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化ニッケル(II)六水和物0.2部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(15)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、鉄(III)アセチルアセトナート0.2部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(16)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90.17部と、塩化鉄(II)四水和物0.03部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(17)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水87.6部と、塩化鉄(II)四水和物2.6部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(18)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水79.64部と、塩化鉄(II)四水和物10.56部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(19)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水58.52部と、塩化鉄(II)四水和物31.68部、銅フタロシアニン誘導体(Dv)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(20)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体(F)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(21)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体(G)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(22)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、酸性官能基有する窒素含有顔料誘導体(Db)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(23)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、酸性官能基有する窒素含有顔料誘導体(Dh)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(24)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、酸性官能基有する窒素含有顔料誘導体(Dw)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(25)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、酸性官能基有する窒素含有顔料誘導体(Df)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(26)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物0.2部、酸性官能基有する窒素含有顔料誘導体(Dj)3.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.6部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(27)を得た。
鉄フタロシアニン誘導体(Du)(固形分10%水溶液)をロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(11)を得た。
ガラス瓶にメタノール90部と、塩基性官能基を有する窒素含有顔料誘導体((塩基性顔料誘導体(I))3.3部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレット6.7部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(12)を得た。
鉄フタロシアニンとケッチェンブラックを、質量比1:1で秤量し、乳鉢にて乾式混合し、前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間炭化処理を行い、炭素触媒(13)を得た。
実施例1〜24及び、比較例1〜3で得た炭素触媒(1)〜(27)をそれぞれグラッシーカーボン上に分散させた電極を用いて、酸素還元活性評価を行なった。評価方法は以下の通りである。
(1)インキ化方法
炭素触媒0.01部と、導電性炭素材料0.01部を秤量し、バインダーとしてナフィオン(デュポン社製)ならびに溶剤として、水、1−プロパノールおよびエタノールからなる混合溶液0.98部(水/1−プロパノール/エタノール/ナフィオン=45%/48%/2%/5%)に添加したあと、超音波(45kHz)で60分間分散処理を行ない炭素触媒インキとした。
回転電極(グラッシーカーボン電極の半径0.2cm)表面を鏡面に研磨したあと、電極表面に上記炭素触媒インキ1.5μLを滴下し、25℃飽和水蒸気圧下で15時間乾燥させることにより作用電極を作製した。
上記で作製した作用電極と、対極(白金)、参照電極(可逆水素電極 RHE)が取り付けられた電解槽に電解液(0.1M過塩素酸水溶液)を入れ、酸素還元活性試験を行なった。
<アルカリ系電解液における評価>
(1)インキ化方法
触媒0.01部と、導電性炭素材料0.01部を秤量し、溶剤として、水、プロパノールおよびエタノールからなる混合溶液(水/1−プロパノール/エタノール=50%/48%/2%)0.98部に添加したあと、超音波(45kHz)で60分間分散処理を行ない炭素触媒インキとした。
回転電極(グラッシーカーボン電極の半径0.2cm)表面を鏡面に研磨したあと、電極表面に上記炭素触媒インキ1.5μLを滴下し、25℃飽和水蒸気圧下で15時間乾燥させることにより作用電極を作製した。
上記で作製した作用電極と、対極(白金)、参照電極(Ag/AgCl)が取り付けられた電解槽に電解液(0.1M水酸化カリウム水溶液)を入れ、酸素還元活性試験を行なった。
実施例1〜24の炭素触媒(1)〜(10)、(14)〜(27)及び、比較例1〜3の炭素触媒(11)〜(13)12部をそれぞれ秤量し、1−ブタノール48部とナフィオン(Nafion)溶液(デュポン社製:固形分20%水−アルコール混合溶液)40質量部の混合溶液中に添加後、ディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて撹拌混合することで固体高分子形燃料電池用触媒インキ(1)〜(27)(固形分濃度20質量%、触媒インキ100質量%としたときの炭素触媒とバインダーを合計した割合)を調製した。
実施例1〜24の固体高分子形燃料電池用触媒インキ(1)〜(10)、(14)〜(27)及び、比較例1〜3の固体高分子形燃料電池用触媒インキ(11)〜(13)を、ドクターブレードにより、乾燥後の炭素触媒の目付け量が2mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム上にそれぞれ塗布し、大気雰囲気下、95℃で15分間乾燥することにより、ムラのない均一な固体高分子形燃料電池カソード用触媒層(1)〜(27)を作製した。
ここでは、燃料電池用電極膜接合体の作製に使用する固体高分子形燃料電池アノード用触媒層の作製方法について以下に述べる。
炭素触媒の代わりに、白金触媒担持カーボン4部(田中貴金属社製、白金量46%)、溶剤として1―プロパノール56部、および水20部をディスパー(プライミクス、TKホモディスパー)にて撹拌混合することで触媒ペースト組成物(固形分濃度4%)を調製した。次いで、ナフィオン(Nafion)溶液(デュポン社製:固形分20%水−アルコール混合溶液)20部を添加し、ディスパー(プライミクス製、T.Kホモディスパー)にて撹拌混合することで触媒インキ(固形分濃度8%)を作製した。得られた触媒インキを白金触媒担持カーボンの目付け量が0.46mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム上に塗布し、大気雰囲気中70℃の条件で15分間乾燥することにより、固体高分子形燃料電池アノード用触媒層を作製した。
実施例1〜24、及び比較例1〜3で作製した固体高分子形燃料電池カソード用触媒層(1)〜(27)と、固体高分子形燃料電池アノード用触媒層とを、それぞれ固体高分子電解質膜(Nafion211、デュポン社製、膜厚25.4μm)の両面に密着して、150℃、5MPaの条件で狭持した後、テフロン(登録商標)フィルムを剥離した。次いで、更に両側から電極基材(ガス拡散層GDL、炭素繊維からなるカーボンペーパー、TGP−H−090、東レ(株)製)を密着させ、本発明の固体高分子形燃料電池用電極膜接合体(GDL/触媒層/固体高分子電解質膜/触媒層/GDL)(1)〜(27)を作製した。
実施例1〜24と比較例1〜3で得られた燃料電池用電極膜接合体(1)〜(27)を2cm角の試料とし、その両側からガスケット2枚、次いでグラファイトプレートであるセパレータ2枚ではさみ、更に両側から集電板を2枚装着して固体高分子形燃料電池(単セル)として作製した。測定はAutoPEMシリーズ「PEFC評価システム」東陽テクニカ社製で実施した。固体高分子形燃料電池運転条件として、温度80℃、相対湿度100%の条件下で、アノード側に水素を300ml/minで流し、カソード側に酸素を300ml/minで流して発電試験を実施した。
実施例1〜24と比較例1〜3で作製した単セルの電流−電圧特性を測定することにより、電池性能を評価した。
その結果、表3より実施例1〜10で作製した単セルでは、開放電圧は0.80V〜0.88V、短絡電流密度1820〜2320mA/cm2であり、実施例11〜24で作製した単セルでは、開放電圧は、0.73〜0.90V、短絡電流密度1710〜2510mA/cm2であるのに対し、比較例1〜3で作製した単セルは、開放電圧0.32〜0.70V、短絡電流密度520〜1500mA/cm2と実施例に比べて低い結果であった。
実施例1〜24の炭素触媒(1)〜(10)、(14)〜(27)及び、比較例1〜3の炭素触媒(11)〜(13)12部をそれぞれ秤量し、1−ブタノール48部とナフィオン(Nafion)溶液(デュポン社製:固形分20%水−アルコール混合溶液(水/1−プロパノール/エタノール=34%/44%/2%)40部の混合溶液中に添加後、ディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて撹拌混合することで微生物燃料電池用炭素触媒インキ(1)〜(27)(固形分濃度20質量%、炭素触媒インキ100質量%としたときの炭素触媒とバインダーを合計した割合)を調製した。
実施例1〜24の炭素触媒インキ(1)〜(10)、(14)〜(27)及び、比較例1〜3の微生物燃料電池用炭素触媒インキ(11)〜(13)を、ドクターブレードにより、乾燥後の炭素触媒の目付け量が4mg/cm2になるように導電性支持体として炭素繊維からなるカーボンペーパー基材(TGP−H−090、東レ社製)上に塗布し、大気雰囲気中95℃、60分間乾燥して、微生物燃料電池用触媒電極(1)〜(27)を作製した。
以下では、本発明の炭素触媒インキより作製した微生物燃料電池用触媒電極を用いて、微生物燃料電池を作製する方法ついて例示する。
ポテンショ・ガルバノスタット(VersaSTAT3、Princeton Applied Research社製)を用いて電流−電圧測定を行い、評価したところ、実施例1〜10で作製した微生物燃料電池用触媒電極では、0.13〜0.16W/m2であり、実施例11〜24で作製した微生物燃料電池用触媒電極では、0.12〜0.18W/m2であるのに対し、比較例1〜3で作製した微生物燃料電池用触媒電極では、0.06〜0.09W/m2と実施例に比べて低い結果であった。
2 ガス拡散層
3 アノード電極触媒(燃料極)
4 固体高分子電解質
5 カソード電極触媒(空気極)
6 ガス拡散層
7 セパレータ
Claims (5)
- グラフェン系炭素材料と、酸性官能基および金属元素を含有する窒素含有顔料誘導体と、鉄を含む金属源とを、含む混合物を溶剤中で混合する工程と、その後溶剤を乾燥させた混合物を、700〜1100℃で熱処理する工程とを含むことを特徴とする、窒素に対する金属の元素比が0.7〜2.1の範囲内である炭素触媒の製造方法。
- 酸性官能基が、スルホ基、カルボキシ基又はリン酸基のいずれかである請求項1記載の炭素触媒の製造方法。
- 前記窒素含有顔料誘導体が、金属フタロシアニン顔料誘導体である請求項1または2いずれか記載の炭素触媒の製造方法。
- 前記窒素含有顔料誘導体に含まれる金属元素が、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、銅、バナジウムおよびスズから選ばれる一種以上である請求項1〜3いずれか記載の炭素触媒の製造方法。
- 溶剤中で混合する工程の際に、分散樹脂を含むことを特徴とする請求項1〜4いずれか記載の炭素触媒の製造方法。
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