JP6879686B2 - 多孔質炭素材料の製造方法 - Google Patents
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Description
上記のような知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。
前記除去工程において、1.0Pa以上、300Pa以下の減圧雰囲気下で処理が行われる、多孔質炭素材料の製造方法。
(2) 前記除去工程において、外部雰囲気との気体の流通が制限された内部空間を有する容器中に前記複合材料が配置された状態で、処理が行われる、(1)に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
(3) 前記容器は、当該容器の内部空間と当該容器の外部雰囲気との間のガス透過率が、10mL/kPa・min以上5000mL/kPa・min以下である、(2)に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
(4) 前記容器の少なくとも一部は、多孔質材料で形成されている、(2)または(3)に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
(5) 前記容器の前記多孔質材料で形成された部分の面積は、該容器を構成する壁部の面積に対し、1.0%以上100%以下である、(4)に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
(6) 前記多孔質材料は、炭素材料である、(4)または(5)に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
(7) 前記除去工程において、除去された気体状態の前記銀が、冷却されて液体状態または固体状態で回収される、(1)〜(6)のいずれか一項に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
(8) 前記除去工程の前に、前記銀アセチリドを加熱することにより分解させ、前記複合材料を得る分解工程を有する、(1)〜(7)のいずれか一項に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
(9) さらに、前記銀が除去された状態の前記複合材料を、熱処理し、前記多孔質炭素材料を得る熱処理工程を有する、(1)〜(8)のいずれか一項に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
まず、本発明の一実施形態に係る多孔質炭素材料の製造方法について説明する。本実施形態に係る多孔質材料の製造方法は、金属アセチリドを得る金属アセチリド形成工程と、金属アセチリドを加熱することにより分解させ、複合材料を得る分解工程と、複合材料を、減圧雰囲気下にて、1200℃以上2300℃以下の温度で処理し、複合材料から金属の少なくとも一部を気化させ、除去する除去工程と、金属が除去された状態の複合材料を、熱処理し、多孔質炭素材料を得る熱処理工程と、を有する。以下、各工程について詳細に説明する。
本工程においては、まず、イオン化した金属の水溶液(「金属水溶液」という)に対しアセチレン系ガスを接触させることにより、金属アセチリドを生成させる。
式(1) M-C≡C-M
式(2) M-C≡C-R
上記式(1)および式(2)中、Rは、H、フェニル基またはアルキル基であり、Mは、金属原子である。
次に、得られた金属アセチリドを加熱することにより分解させ、複合材料を得る。金属アセチリドを加熱することにより、金属アセチリドがナノスケールにて爆発し、金属相と炭素相とに相分離し、その際、金属はナノサイズの粒子を形成し、または反応熱によりガス化して表面部分に噴出する。炭素相は、アセチレン分子等のアセチレン系化合物が3個集まってベンゼン環を形成しやすいために、芳香族性の高い構造を有する。また、銀がナノ粒子を形成するため、銀を除去した炭素相は、多孔質の構造体となる。
次に、得られた複合材料を、減圧雰囲気下にて、1200℃以上2300℃以下の温度で処理し、複合材料から金属の少なくとも一部を気化させ、除去する。
次に、金属が除去された状態の複合材料を、必要に応じて熱処理し、結晶性を高めた多孔質炭素材料を得てもよい。本工程で行われる熱処理により多孔質炭素材料の結晶を発達させることができ、この結果、多孔質炭素材料の結晶性を調節、制御することができる。多孔質炭素材料が、例えば固体高分子形燃料電池の電極の触媒担体として使用される場合には、当該多孔質炭素材料は、比較的高温例えば80℃程度の、pH1以下の強酸性かつ、1.3V vs SHEの高電位の環境下に暴露される。このような環境下では、多孔質炭素材料中の炭素が酸化消耗しやすい。したがって、多孔質炭素材料を触媒担体として使用する場合には、本工程において結晶性を高めておくことが重要である。
次に、上述した本実施形態に係る多孔質炭素材料の製造方法により得られる多孔質炭素材料(以下、単に「多孔質炭素材料」ともいう)について説明する。
上記方法により製造された多孔質炭素材料は、金属アセチリドの嵩高い沈殿物を原料とし、金属を噴出させることにより、形成されている。したがって、多孔質炭素材料は、噴出孔(メソポア)を多孔質材料内部まで均質に多数有する多孔質体である。多孔質炭素材料は、このようなメソポアの存在により、比較的大きな比表面積を有し、その細孔表面上に例えば触媒等を担持することができる。
(i)銀アセチリド形成工程
硝酸銀を15〜20質量%の濃度で含む1.0〜5.0質量%アンモニア水溶液をフラスコに用意し、アルゴンや乾燥窒素などの不活性ガスで残留酸素を除去した後に、溶液を攪拌すると共に超音波振動子を液体に浸して振動を与えながら、アセチレンガスを150mLの溶液に対し25mL/minの流速で約4分間吹き付けた。これによって、溶液中に銀アセチリドの固形物が生じ沈殿を始めた。次いで、沈殿物をメンブレンフィルターで濾過し、ろ過の際に、沈殿物をメタノールで洗浄して若干のメタノールを加え、沈殿物中にメタノールを含浸させた。
メタノールを含浸させた状態の沈殿物を径6mm程度の試験管にそれぞれ50mgずつ入れ、これを真空加熱容器に入れて60℃〜80℃の温度で12時間加熱しメタノールを除去した後に連続して160℃〜200℃の温度まで急速に加熱し、20分加熱を実施した。ここで、試験管の中ではナノスケールの爆発反応が起こり、内包された銀が噴出し、表面及び内部に多数の噴出孔を形成する。これにより、銀内包ナノ構造物としての銀と炭素とを含む複合材料を得た。
次に、以下に従い、得られた複合材料について、銀を除去した。
上記(ii)銀アセチリドの分解工程により得られた銀と炭素を含む複合材料25gを計量して黒鉛製のるつぼに入れ、アルゴン雰囲気で3000℃まで昇温可能なタンマン炉内で、アルゴンガスに置換後に圧力を表1、表2に示す所定の圧力まで減圧し、表1、表2に示す所定の温度まで15℃/分で昇温した。そして、所定の温度に達した後、表1、表2に示す時間当該温度を維持して、銀の除去を行った。これにより、多孔質炭素材料を得た。
また、例17、18の多孔質炭素材料については、さらに、複合材料をアルゴン流通下、表1に示す温度で2時間処理した。
容器のガス透過率の測定には、いわゆるガーレー試験機(東洋精機社製、製品名「ガーレ式デンソメーター」)を用い、100mLの空気が被検体を透過するのに要する時間を測定し、その時間から、単位時間、単位差圧、単位面積当たりのガス透過率(ISO透気度に相当)を算出した。
なお、ガス透過性の低い場合、すなわち、ガーレ式試験機における測定時間が1000秒を超える場合には、試験における印加圧力を高めて、ガス透過速度を高めて測定した。
(i)銅メチルアセチリド形成工程
塩化第一銅を0.01質量%の濃度で含む5.5質量%アンモニア水溶液をフラスコに用意し、これを激しく攪拌しながら窒素ガスで10%に希釈したメチルアセチレンガスを1Lの溶液に対し200mL/minの流速で約120分間、吹き付けた。これによって、溶液中に銅メチルアセチリドの固形物が生じ沈殿を始めた。次いで、生じた沈殿物をメンブレンフィルターで濾過した。メンブレンフィルター上の沈殿物はさらに洗浄する目的で、数回メタノールを用いて濾過した。
沈殿物をビーカーに入れ、これを更に容量の大きなビーカーに入れてこれにテフロン(登録商標)の板4枚を重ねて置いて蓋とした。なお、テフロンの板の厚みは、それぞれ10mmであった。また、テフロンの板には、ガス抜けのための小さな穴があけられており、テフロンの板を配置する際には、隣接するテフロンの板同士で穴が重ならないようにした。テフロンの板で蓋をしたビーカーをステンレス製真空容器に入れ、100Pa以下に減圧し。メタノールを除去した。次いで、ステンレス真空容器内に水素ガスを導入し、0.3気圧の圧力に保持した状態で、反応容器内を250℃まで30分程度かけて昇温させた。加熱開始後2〜3時間経過し圧力が急激に1気圧強まで上昇するのを確認した後に加熱を停止し冷却した。この加熱工程により銅メチルアセチリドが急速な分解反応を起こし、銅と炭素の相分離し、表面及び内部に多数の銅のナノ粒子を形成する。このようにして、ビーカー内部に銅内包ナノ構造物としての銅と炭素とを含む複合材料を得た。
次に、上記1と同様にして、得られた複合材料について、銅を除去した。なお、本工程の諸条件は例に応じて表3に示すように変更した。これにより、多孔質炭素材料を得た。
まず、上記1の(i)、(ii)と同様にして銀アセチリドを形成し、その後分解し、銀と炭素材料の複合材料を得た。
(i)金属残存量
得られた各例の多孔質炭素材料について、金属アセチリド由来の金属の含有量を、誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES)により求めた。0.1mass%以下を「A」、0.1〜0.2mass%を「B」、0.2mass%〜0.5mass%を「C」、0.5mass%以上を「D」として、表記した。なお、A〜Cであれば、触媒担体やキャパシターとして、十分に使用可能である。
複合材料中の金属成分の除去工程における加熱時間と、該加熱時間とその温度までの昇温に要する時間を含めて製造時間とし、表1〜表3に記載した。
なお、従来の濃硝酸中で加熱して当該金属-炭素複合材料に含まれる金属を除去するのに要するプロセス時間は、少なくとも2回の硝酸処理を行った例45の除去工程に要した時間に対し、実施例、比較例の工程に費やした時間を比較した。1/8以下の除去時間であれば合格、1/10を超える除去時間であれば不合格とした。
各例の多孔質炭素材料について、各多孔質炭素材料を約30mg測り採り、150℃で真空乾燥した後、自動比表面積測定装置(カンタクローム・インスツルメンツ・ジャパン社製、Autosorb I−MP)を用いて、窒素ガスを用いたガス吸着法にて測定し、BET解析式に基づき比表面積を決定した。
各例の各多孔質炭素材料を約3mgを測り採り、これをレーザラマン分光光度計(日本分光(株)製、NRS−3100型)を用い、励起レーザー532nm、レーザーパワー10mW(試料照射パワー:1.1mW)、顕微配置:Backscattering、対物レンズ:×100、スポット径:1μm、露光時間:30sec、観測波数:2000−300cm−1、積算回数:6回の測定条件で測定した。測定で得られたラマンスペク卜ルから、G−バンド(1550−1600cm−1の範囲)の半値幅(ΔG)を算出した。
また、例1においては、除去工程時の除去温度が低い結果、銀の除去が十分にできなかった。さらに、得られた多孔質炭素材料は、固体高分子型燃料電池等における触媒担体や、キャパシターの電極材料として適した結晶性を有さなかった。これは、除去工程時において十分に銀による結晶化についての触媒効果が享受できなかったためと考えられる。
Claims (9)
- 銀アセチリドの分解によって得られる銀と炭素とを含む複合材料を、減圧雰囲気下にて、1200℃以上2300℃以下の温度で処理し、前記複合材料から前記銀の少なくとも一部を気化させ、除去する除去工程を有し、
前記除去工程において、1.0Pa以上、300Pa以下の減圧雰囲気下で処理が行われる、多孔質炭素材料の製造方法。 - 前記除去工程において、外部雰囲気との気体の流通が制限された内部空間を有する容器中に前記複合材料が配置された状態で、処理が行われる、請求項1に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
- 前記容器は、当該容器の内部空間と当該容器の外部雰囲気との間のガス透過率が、10mL/kPa・min以上5000mL/kPa・min以下である、請求項2に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
- 前記容器の少なくとも一部は、多孔質材料で形成されている、請求項2または3に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
- 前記容器の前記多孔質材料で形成された部分の面積は、該容器を構成する壁部の面積に対し、1.0%以上100%以下である、請求項4に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
- 前記多孔質材料は、炭素材料である、請求項4または5に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
- 前記除去工程において、除去された気体状態の前記銀が、冷却されて液体状態または固体状態で回収される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
- 前記除去工程の前に、前記銀アセチリドを加熱することにより分解させ、前記複合材料を得る分解工程を有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
- さらに、前記銀が除去された状態の前記複合材料を、熱処理し、前記多孔質炭素材料を得る熱処理工程を有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
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