JP7254544B2 - Highly structurally controlled organic-inorganic composites - Google Patents
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Description
本発明は、有機無機複合体に関する。 The present invention relates to an organic-inorganic composite.
近年の省資源化や省エネルギー化のトレンドを踏まえ、軽量な炭素材料が開発され、各種分野で用いられている。このような軽量な炭素材料を備えた各種分野で有用な化合物として、例えば、カーボンコート無機粒子、中空炭素微粒子などの炭素材料含有材料が報告されている(例えば、特許文献1~4、非特許文献1~4)。また、工業的に製造されている炭素材料含有材料として、活性炭やカーボンブラックなどが知られている。
In light of recent trends toward resource saving and energy saving, lightweight carbon materials have been developed and used in various fields. Carbon-material-containing materials such as carbon-coated inorganic particles and hollow carbon fine particles have been reported as compounds having such lightweight carbon materials in various fields (for example,
工業的に製造されている活性炭やカーボンブラックなども含めて上記のような炭素材料含有材料は、様々な官能基を有している。このため、炭素材料含有材料の構造を精密に制御することが難しく、物性にばらつきが生じてしまうという問題がある。近年、狙った物性を確実に発現できる炭素材料含有材料が求められており、このため、構造が精密に制御された炭素材料含有材料の開発が求められている。 The above carbon material-containing materials, including industrially produced activated carbon and carbon black, have various functional groups. For this reason, it is difficult to precisely control the structure of the carbon material-containing material, and there is a problem that variations in physical properties occur. In recent years, there has been a demand for carbon material-containing materials that can reliably exhibit targeted physical properties, and for this reason, the development of carbon material-containing materials with precisely controlled structures is desired.
本発明の課題は、カーボンコート無機粒子や中空炭素微粒子などの炭素材料含有材料を工業的に製造するため等に有用な、構造が精密に制御された有機無機複合体を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an organic-inorganic composite with a precisely controlled structure, which is useful for industrial production of carbon material-containing materials such as carbon-coated inorganic particles and hollow carbon fine particles.
本発明の有機無機複合体は、
炭素材料と無機酸化物を含む有機無機複合体であって、
C1sXPS分析による、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合の合計量に対する、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合とC=O結合の合計量の割合が、10%以上であって、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合とC=O結合の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合が、50%以上である。
The organic-inorganic composite of the present invention is
An organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide,
By C1sXPS analysis, total carbon oxygen bonds, i.e., C-O bonds and The ratio of the total amount of C=O bonds is 10% or more, and the total amount of carbon oxygen bonds, that is, the total amount of C—O bonds and C=O bonds, is derived from ethers and alcohols. The ratio of the total amount of CO bonds is 50% or more.
本発明の有機無機複合体は、
炭素材料と無機酸化物を含む有機無機複合体であって、
C1sXPS分析による、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合の合計量に対する、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合とC=O結合の合計量の割合が、10%以上であって、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合が、15%以上である。
The organic-inorganic composite of the present invention is
An organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide,
By C1sXPS analysis, total carbon oxygen bonds, i.e., C-O bonds and The ratio of the total amount of C=O bonds is 10% or more, and all bonds, that is, the total amount of C—C bonds, C=C bonds, C—H bonds, C—O bonds, and C=O bonds of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds is 15% or more.
一つの実施形態においては、本発明の有機無機複合体は、IR分析において1700cm-1~1800cm-1の間にC=O伸縮振動に起因するピークが見られない。 In one embodiment, the organic-inorganic composite of the present invention shows no peak attributed to C═O stretching vibration between 1700 cm −1 and 1800 cm −1 in IR analysis.
一つの実施形態においては、本発明の有機無機複合体は、空気雰囲気下、10℃/分の昇温条件によってTG-DTA分析を行ったときの、DTAの立ち上がり温度で示される酸化開始温度が200℃以上である。 In one embodiment, the organic-inorganic composite of the present invention is subjected to TG-DTA analysis under an air atmosphere at a temperature increase of 10 ° C./min, and the oxidation start temperature indicated by the rising temperature of DTA is 200° C. or higher.
一つの実施形態においては、上記無機酸化物が、表面に官能基を有する無機酸化物粒子である。 In one embodiment, the inorganic oxide is an inorganic oxide particle having a functional group on its surface.
一つの実施形態においては、上記無機酸化物粒子が、シリカ粒子、アルミナ粒子、チタニア粒子、ポリ酸粒子、その表面の少なくとも一部が酸化された金属粒子からなる群から選ばれる少なくとも1種である。 In one embodiment, the inorganic oxide particles are at least one selected from the group consisting of silica particles, alumina particles, titania particles, polyacid particles, and metal particles having at least a portion of the surface oxidized. .
一つの実施形態においては、上記無機酸化物粒子がポリ酸粒子である。 In one embodiment, the inorganic oxide particles are polyacid particles.
一つの実施形態においては、上記ポリ酸粒子を構成する金属が、モリブデン、バナジウム、タングステン、ニオブ、チタン、タンタルからなる群から選ばれる少なくとも1種である。 In one embodiment, the metal constituting the polyacid particles is at least one selected from the group consisting of molybdenum, vanadium, tungsten, niobium, titanium and tantalum.
本発明によれば、カーボンコート無機粒子や中空炭素微粒子などの炭素材料含有材料を工業的に製造するため等に有用な、構造が精密に制御された有機無機複合体を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide an organic-inorganic composite having a precisely controlled structure, which is useful for industrial production of carbon material-containing materials such as carbon-coated inorganic particles and hollow carbon fine particles.
≪≪1.有機無機複合体≫≫
本発明の有機無機複合体は、炭素材料と無機酸化物を含む。炭素材料は、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。無機酸化物は、1種のみであってもよいし、2種以上であってもよい。
<<<1. Organic-Inorganic Composites≫≫
The organic-inorganic composite of the present invention contains a carbon material and an inorganic oxide. Only one kind of carbon material may be used, or two or more kinds thereof may be used. Only one kind of inorganic oxide may be used, or two or more kinds thereof may be used.
本発明の有機無機複合体中の炭素材料の含有割合は、質量割合として、好ましくは0.01質量%~99.99質量%であり、特に好ましくは0.1質量%~99.9質量%である。本発明の有機無機複合体中の炭素材料の含有割合が上記範囲内にあれば、本発明の有機無機複合体は温和な条件で工業的に製造可能であり、また、本発明の有機無機複合体を材料として中空炭素微粒子等を工業的に製造することができる。これらの炭素材料の含有割合は、目的とする物性に応じて、後述する各種除去工程等により容易に任意の割合にすることが可能である。 The content of the carbon material in the organic-inorganic composite of the present invention is preferably 0.01% by mass to 99.99% by mass, and particularly preferably 0.1% by mass to 99.9% by mass. is. If the content of the carbon material in the organic-inorganic composite of the present invention is within the above range, the organic-inorganic composite of the present invention can be industrially produced under mild conditions. Hollow carbon microparticles and the like can be industrially produced using the body as a material. The content ratio of these carbon materials can be easily adjusted to an arbitrary ratio by various removal processes described later, etc., depending on the desired physical properties.
本発明の有機無機複合体中の無機酸化物の含有割合は、質量割合として、好ましくは0.01質量%~99.99質量%であり、特に好ましくは0.1質量%~99.9質量%である。本発明の有機無機複合体中の無機酸化物の含有割合が上記範囲内にあれば、本発明の有機無機複合体は温和な条件で工業的に製造可能であり、また、本発明の有機無機複合体を材料として中空炭素微粒子等を工業的に製造することができる。これらの無機酸化物の含有割合は、目的とする物性に応じて、後述する各種除去工程等により容易に任意の割合にすることが可能である。 The content of the inorganic oxide in the organic-inorganic composite of the present invention is preferably 0.01% by mass to 99.99% by mass, particularly preferably 0.1% by mass to 99.9% by mass. %. If the content of the inorganic oxide in the organic-inorganic composite of the present invention is within the above range, the organic-inorganic composite of the present invention can be industrially produced under mild conditions. Hollow carbon microparticles and the like can be industrially produced using the composite as a material. The content ratio of these inorganic oxides can be easily adjusted to an arbitrary ratio according to the desired physical properties by various removal processes described later.
本発明の有機無機複合体は、C1sXPS分析による、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合(アルコール由来のC-O結合、エーテル由来のC-O結合、エポキシ由来のC-O結合等含む)とC=O結合(カルボニル由来のC=O結合、カルボキシル由来のC=O結合、エステル由来のC=O結合、ラクトン由来のC=O結合等含む)の合計量に対する、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合とC=O結合の合計量の割合が、好ましくは10%以上であり、より好ましくは20%以上であり、さらに好ましくは25%以上である。上記割合の上限は、好ましくは35%以下である。本発明の有機無機複合体において、C1sXPS分析による、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合の合計量に対する、C-O結合とC=O結合の合計量の割合が、上記範囲内にあれば、本発明の有機無機複合体は、従来知られている単純な炭素材料と異なり、溶解性等の様々な物性をもつ新規な炭素材料含有材料となり得る。 The organic-inorganic composite of the present invention has all bonds, that is, C-C bonds, C=C bonds, C-H bonds and C-O bonds (alcohol-derived C-O bonds, ether-derived C -O bond, epoxy-derived CO bond, etc.) and C=O bond (carbonyl-derived C=O bond, carboxyl-derived C=O bond, ester-derived C=O bond, lactone-derived C=O The ratio of the total amount of all carbon-oxygen bonds, that is, the total amount of CO bonds and C═O bonds, to the total amount of bonds, etc.) is preferably 10% or more, more preferably 20% or more, and further Preferably it is 25% or more. The upper limit of the above ratio is preferably 35% or less. In the organic-inorganic composite of the present invention, C-O bond and C=O for the total amount of C-C bond, C=C bond, C-H bond, C-O bond and C=O bond by C1sXPS analysis If the ratio of the total amount of bonds is within the above range, the organic-inorganic composite of the present invention contains a novel carbon material having various physical properties such as solubility, unlike conventionally known simple carbon materials. can be a material.
本発明の有機無機複合体は、C1sXPS分析による、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合(アルコール由来のC-O結合、エーテル由来のC-O結合、エポキシ由来のC-O結合等含む)とC=O結合(カルボニル由来のC=O結合、カルボキシル由来のC=O結合、エステル由来のC=O結合、ラクトン由来のC=O結合等含む)の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合(すなわち、C-O-C結合)とアルコール由来のC-O結合(すなわち、C-OH結合)の合計量の割合が、好ましくは50%以上であり、より好ましくは60%以上であり、さらに好ましくは65%以上であり、特に好ましくは70%以上であり、最も好ましくは75%以上である。上記割合の上限は、好ましくは90%以下である。本発明の有機無機複合体において、C1sXPS分析による、C-O結合とC=O結合の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合が、上記範囲内にあれば、本発明の有機無機複合体は、炭素材料部分の構造制御率を高め得るとともに、構造がより精密に制御され得る。なお、構造制御率とは、全結合数に対して、所望とする反応に由来する結合の割合を示す。本発明においては、全結合数がC-O結合とC=O結合の合計量に対応し、所望とする反応に由来する結合が、エーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量に対応する。構造制御率が高いということは、言い換えると、所望とする反応に由来する結合が多く、所望としない反応に由来する結合が少ないということである。本発明では、所望としない反応に由来する結合が分解反応に由来するC=O結合であり、構造制御率が少ないほど分解反応が抑制されており、このような有機無機複合体は、構造がより精密に制御されていると言える。 The organic-inorganic composite of the present invention includes all carbon-oxygen bonds, that is, CO bonds (alcohol-derived CO bonds, ether-derived CO bonds, epoxy-derived CO bonds, etc., by C1sXPS analysis. ) and C = O bond (including C = O bond derived from carbonyl, C = O bond derived from carboxyl, C = O bond derived from ester, C = O bond derived from lactone, etc.), C derived from ether -O bond (i.e., C-O-C bond) and alcohol-derived C-O bond (i.e., C-OH bond) is preferably 50% or more, more preferably 60% or more , more preferably 65% or more, particularly preferably 70% or more, and most preferably 75% or more. The upper limit of the above ratio is preferably 90% or less. In the organic-inorganic composite of the present invention, the ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of CO bonds and C=O bonds by C1sXPS analysis is the above Within the range, the organic-inorganic composite of the present invention can increase the structural control rate of the carbon material portion and more precisely control the structure. In addition, the structural control ratio indicates the proportion of bonds derived from a desired reaction with respect to the total number of bonds. In the present invention, the total number of bonds corresponds to the total amount of CO bonds and C=O bonds, and the bonds derived from the desired reaction are the CO bonds derived from ethers and the CO bonds derived from alcohols. corresponds to the total amount of A high structural control rate, in other words, means that there are many bonds derived from desired reactions and few bonds derived from undesired reactions. In the present invention, the bond derived from an undesired reaction is a C=O bond derived from a decomposition reaction, and the decomposition reaction is suppressed as the structure control rate is lower. It can be said that it is controlled more precisely.
本発明の有機無機複合体は、C1sXPS分析による、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合(アルコール由来のC-O結合、エーテル由来のC-O結合、エポキシ由来のC-O結合等含む)とC=O結合(カルボニル由来のC=O結合、カルボキシル由来のC=O結合、エステル由来のC=O結合、ラクトン由来のC=O結合等含む)の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合(すなわち、C-O-C結合)とアルコール由来のC-O結合(すなわち、C-OH結合)の合計量の割合が、好ましくは15%以上であり、より好ましくは17%以上であり、さらに好ましくは20%以上である。上記割合の上限は、好ましくは30%以下である。本発明の有機無機複合体において、C1sXPS分析による、全結合の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合(すなわち、C-O-C結合)とアルコール由来のC-O結合(すなわち、C-OH結合)の合計量の割合が、上記範囲内にあれば、本発明の有機無機複合体は、構造がより精密に制御された有機無機複合体であると言える。 The organic-inorganic composite of the present invention has all bonds, that is, C-C bonds, C=C bonds, C-H bonds and C-O bonds (alcohol-derived C-O bonds, ether-derived C -O bond, epoxy-derived CO bond, etc.) and C=O bond (carbonyl-derived C=O bond, carboxyl-derived C=O bond, ester-derived C=O bond, lactone-derived C=O The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds (i.e., C-O-C bonds) and alcohol-derived CO bonds (i.e., C-OH bonds) to the total amount of C-OH bonds) is preferably is 15% or more, more preferably 17% or more, and still more preferably 20% or more. The upper limit of the above ratio is preferably 30% or less. In the organic-inorganic composite of the present invention, the CO bond derived from ether (ie, CO bond) and the CO bond derived from alcohol (ie, C- OH bonds) is within the above range, the organic-inorganic composite of the present invention can be said to be an organic-inorganic composite whose structure is more precisely controlled.
本発明の有機無機複合体は、特に好ましくは、C1sXPS分析による、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合(アルコール由来のC-O結合、エーテル由来のC-O結合、エポキシ由来のC-O結合等含む)とC=O結合(カルボニル由来のC=O結合、カルボキシル由来のC=O結合、エステル由来のC=O結合、ラクトン由来のC=O結合等含む)の合計量に対する、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合とC=O結合の合計量の割合が、上記範囲内にあって、且つ、C1sXPS分析による、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合(アルコール由来のC-O結合、エーテル由来のC-O結合、エポキシ由来のC-O結合等含む)とC=O結合(カルボニル由来のC=O結合、カルボキシル由来のC=O結合、エステル由来のC=O結合、ラクトン由来のC=O結合等含む)の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合(すなわち、C-O-C結合)とアルコール由来のC-O結合(すなわち、C-OH結合)の合計量の割合が、上記範囲内にある態様である。このような態様であれば、本発明の有機無機複合体は、炭素材料部分の構造制御率をより高め得るとともに、構造がより一層精密に制御され得る。 The organic-inorganic composite of the present invention is particularly preferably all bonds by C1sXPS analysis, that is, C-C bonds, C=C bonds, C-H bonds and C-O bonds (C-O bonds derived from alcohol, ether-derived CO bond, epoxy-derived CO bond, etc.) and C=O bond (carbonyl-derived C=O bond, carboxyl-derived C=O bond, ester-derived C=O bond, lactone-derived The ratio of the total amount of all carbon oxygen bonds, that is, the total amount of C—O bonds and C=O bonds to the total amount of C=O bonds, etc.) is within the above range, and by C1sXPS analysis, all Carbon oxygen bond, that is, CO bond (including alcohol-derived CO bond, ether-derived CO bond, epoxy-derived CO bond, etc.) and C=O bond (carbonyl-derived C=O bond , carboxyl-derived C=O bond, ester-derived C=O bond, lactone-derived C=O bond, etc.) with respect to the total amount of ether-derived C-O bond (that is, C-O-C bond) and In this embodiment, the ratio of the total amount of alcohol-derived C—O bonds (ie, C—OH bonds) is within the above range. With such an aspect, the organic-inorganic composite of the present invention can further increase the structural control rate of the carbon material portion, and the structure can be controlled more precisely.
本発明の有機無機複合体は、特に好ましくは、C1sXPS分析による、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合(アルコール由来のC-O結合、エーテル由来のC-O結合、エポキシ由来のC-O結合等含む)とC=O結合(カルボニル由来のC=O結合、カルボキシル由来のC=O結合、エステル由来のC=O結合、ラクトン由来のC=O結合等含む)の合計量に対する、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合とC=O結合の合計量の割合が、上記範囲内にあって、且つ、C1sXPS分析による、全結合、すなわちC-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合(アルコール由来のC-O結合、エーテル由来のC-O結合、エポキシ由来のC-O結合等含む)とC=O結合(カルボニル由来のC=O結合、カルボキシル由来のC=O結合、エステル由来のC=O結合、ラクトン由来のC=O結合等含む)の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合(すなわち、C-O-C結合)とアルコール由来のC-O結合(すなわち、C-OH結合)の合計量の割合が、上記範囲内にある態様である。このような態様であれば、本発明の有機無機複合体は、炭素材料部分の溶解性をより高め得るとともに、炭素材料部分の構造制御率をより高め得る。また、このような態様であれば、本発明の有機無機複合体は、構造がより一層精密に制御され得る。 The organic-inorganic composite of the present invention is particularly preferably all bonds by C1sXPS analysis, that is, C-C bonds, C=C bonds, C-H bonds and C-O bonds (C-O bonds derived from alcohol, ether-derived CO bond, epoxy-derived CO bond, etc.) and C=O bond (carbonyl-derived C=O bond, carboxyl-derived C=O bond, ester-derived C=O bond, lactone-derived The ratio of the total amount of all carbon oxygen bonds, that is, the total amount of C—O bonds and C=O bonds to the total amount of C=O bonds, etc.) is within the above range, and by C1sXPS analysis, all bonds, namely CC bonds, C=C bonds, CH bonds and CO bonds (including alcohol-derived CO bonds, ether-derived CO bonds, epoxy-derived CO bonds, etc.) and C=O bond (including carbonyl-derived C=O bond, carboxyl-derived C=O bond, ester-derived C=O bond, lactone-derived C=O bond, etc.) relative to ether-derived C-O In this embodiment, the ratio of the total amount of bonds (ie, C—O—C bonds) and alcohol-derived CO bonds (ie, C—OH bonds) is within the above range. With such an aspect, the organic-inorganic composite of the present invention can further increase the solubility of the carbon material portion and further increase the structural control rate of the carbon material portion. Moreover, in such an embodiment, the structure of the organic-inorganic composite of the present invention can be controlled more precisely.
本発明の有機無機複合体は、最も好ましくは、C1sXPS分析による、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合(アルコール由来のC-O結合、エーテル由来のC-O結合、エポキシ由来のC-O結合等含む)とC=O結合(カルボニル由来のC=O結合、カルボキシル由来のC=O結合、エステル由来のC=O結合、ラクトン由来のC=O結合等含む)の合計量に対する、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合とC=O結合の合計量の割合が、上記範囲内にあって、且つ、C1sXPS分析による、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合(アルコール由来のC-O結合、エーテル由来のC-O結合、エポキシ由来のC-O結合等含む)とC=O結合(カルボニル由来のC=O結合、カルボキシル由来のC=O結合、エステル由来のC=O結合、ラクトン由来のC=O結合等含む)の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合(すなわち、C-O-C結合)とアルコール由来のC-O結合(すなわち、C-OH結合)の合計量の割合が、上記範囲内にあって、且つ、C1sXPS分析による、全結合、すなわちC-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合(アルコール由来のC-O結合、エーテル由来のC-O結合、エポキシ由来のC-O結合等含む)とC=O結合(カルボニル由来のC=O結合、カルボキシル由来のC=O結合、エステル由来のC=O結合、ラクトン由来のC=O結合等含む)の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合(すなわち、C-O-C結合)とアルコール由来のC-O結合(すなわち、C-OH結合)の合計量の割合が、上記範囲内にある態様である。このような態様であれば、本発明の有機無機複合体は、炭素材料部分の溶解性をより高め得るとともに、炭素材料部分の構造制御率をさらにより高め得る。また、このような態様であれば、本発明の有機無機複合体は、構造がさらにより一層精密に制御され得る。 The organic-inorganic composite of the present invention is most preferably all bonds by C1sXPS analysis, that is, C-C bonds, C=C bonds, C-H bonds and C-O bonds (C-O bonds derived from alcohol, ether-derived CO bond, epoxy-derived CO bond, etc.) and C=O bond (carbonyl-derived C=O bond, carboxyl-derived C=O bond, ester-derived C=O bond, lactone-derived The ratio of the total amount of all carbon oxygen bonds, that is, the total amount of C—O bonds and C=O bonds to the total amount of C=O bonds, etc.) is within the above range, and by C1sXPS analysis, all Carbon oxygen bond, that is, CO bond (including alcohol-derived CO bond, ether-derived CO bond, epoxy-derived CO bond, etc.) and C=O bond (carbonyl-derived C=O bond , carboxyl-derived C=O bond, ester-derived C=O bond, lactone-derived C=O bond, etc.) with respect to the total amount of ether-derived C-O bond (that is, C-O-C bond) and The ratio of the total amount of alcohol-derived C-O bonds (that is, C-OH bonds) is within the above range, and by C1sXPS analysis, all bonds, that is, C-C bonds and C=C bonds and C -H bond and C-O bond (including alcohol-derived C-O bond, ether-derived C-O bond, epoxy-derived C-O bond, etc.) and C=O bond (carbonyl-derived C=O bond, carboxyl Ether-derived C-O bonds (that is, C-O-C bonds) and alcohol-derived is within the above range. With such an aspect, the organic-inorganic composite of the present invention can further increase the solubility of the carbon material portion and further increase the structural control rate of the carbon material portion. Moreover, in such an embodiment, the structure of the organic-inorganic composite of the present invention can be controlled even more precisely.
本発明の有機無機複合体は、好ましくは、IR分析において1660cm-1~1800cm-1の間にC=O伸縮振動に起因するピークが見られない。本発明の有機無機複合体のIR分析において1660cm-1~1800cm-1の間にC=O伸縮振動に起因するピークが見られない場合、本発明の有機無機複合体は、構造がより精密に制御され得る。 The organic-inorganic composite of the present invention preferably shows no peak due to C═O stretching vibration between 1660 cm −1 and 1800 cm −1 in IR analysis. In the IR analysis of the organic-inorganic composite of the present invention, if no peak due to C=O stretching vibration is observed between 1660 cm -1 and 1800 cm -1 , the organic-inorganic composite of the present invention has a more precise structure. can be controlled.
有機無機複合体のIR分析において1660cm-1~1800cm-1の間にC=O伸縮振動に起因するピークが見られない場合に該有機無機複合体の構造がより精密に制御され得るという理由は次のように考えられる。すなわち、後述するような化合物および製法を用いて有機無機複合体を形成した場合、縮合反応により、反応後の生成物には骨格である芳香族と酸素官能基が残ることになる。このとき、芳香族の構造を保ったまま(言い換えれば、構造が制御された場合)では、エーテル架橋のC-O結合もしくはアルコール由来のC-O結合、さらに酸素官能基も脱離縮合し、骨格の芳香族同士が結合したC-C結合が生成すると考えられる。一方で、望まない分解反応が起こり、骨格の芳香族構造が開裂した場合は、分解反応に由来するC=O結合が生じてしまう。したがって、IR分析において1660cm-1~1800cm-1の間にC=O伸縮振動に起因するピークが見られないことは、分解反応が抑制されていることを意味し、このような有機無機複合体は、構造がより精密に制御された有機無機複合体であると言える。上記範囲は、特に好ましくは1700cm-1~1800cm-1の範囲である。 The reason why the structure of the organic-inorganic composite can be more precisely controlled when no peak due to C=O stretching vibration is observed between 1660 cm -1 and 1800 cm -1 in the IR analysis of the organic-inorganic composite is It can be considered as follows. That is, when an organic-inorganic composite is formed using a compound and a manufacturing method as described later, the product after the condensation reaction will have the aromatic skeleton and the oxygen functional group remaining in the product after the reaction. At this time, while the aromatic structure is maintained (in other words, when the structure is controlled), the CO bond of the ether bridge or the CO bond derived from the alcohol, and also the oxygen functional group are eliminated and condensed, It is considered that a C—C bond is formed in which the aromatics of the skeleton are bonded to each other. On the other hand, when an undesired decomposition reaction occurs and the aromatic structure of the skeleton is cleaved, a C=O bond resulting from the decomposition reaction is generated. Therefore, the absence of a peak due to C=O stretching vibration between 1660 cm -1 and 1800 cm -1 in IR analysis means that the decomposition reaction is suppressed, and such an organic-inorganic composite can be said to be an organic-inorganic composite whose structure is more precisely controlled. The above range is particularly preferably between 1700 cm −1 and 1800 cm −1 .
本発明の有機無機複合体は、空気雰囲気下、40℃から、10℃/分の昇温条件によってTG-DTA分析を行ったときの、DTAの立ち上がり温度で示される酸化開始温度が、好ましくは200℃以上であり、より好ましくは250℃以上であり、最も好ましくは300℃以上である。本発明の有機無機複合体において、空気雰囲気下、40℃から、10℃/分の昇温条件によってTG-DTA分析を行ったときの、DTAの立ち上がり温度で示される酸化開始温度が、上記範囲内にあれば、本発明の有機無機複合体は、酸化安定性が高く、すなわち構造が制御され、骨格構造が保たれているために耐酸化性(耐分解性)が高くなる。仮に、C=O結合が生成するような骨格の開裂が生じていると、骨格の安定性が下がり、耐酸化性(耐分解性)が低くなってしまうというおそれがある。 The organic-inorganic composite of the present invention is subjected to TG-DTA analysis under an air atmosphere from 40 ° C. under the temperature rising condition of 10 ° C./min, and the oxidation start temperature indicated by the rising temperature of DTA is preferably It is 200° C. or higher, more preferably 250° C. or higher, and most preferably 300° C. or higher. In the organic-inorganic composite of the present invention, when TG-DTA analysis is performed under an air atmosphere from 40 ° C. under the temperature rising condition of 10 ° C./min, the oxidation start temperature indicated by the rising temperature of DTA is within the above range. If it is inside, the organic-inorganic composite of the present invention has high oxidation stability, that is, the structure is controlled and the skeleton structure is maintained, so that oxidation resistance (decomposition resistance) is high. If the skeleton is cleaved to form a C═O bond, the stability of the skeleton may be lowered, and the oxidation resistance (decomposition resistance) may be lowered.
本発明の有機無機複合体は、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な方法によって製造し得る。このような製造方法は、代表的には、加熱によって同一分子間および/または異種分子間で縮合反応が起きる化合物(A)と無機酸化物を含む組成物を加熱する加熱工程(I)を含む。この加熱工程(I)によって、化合物(A)と無機酸化物を含む組成物中の該化合物(A)が加熱されて炭素材料となり得る。 The organic-inorganic composite of the present invention can be produced by any appropriate method as long as the effects of the present invention are not impaired. Such a production method typically includes a heating step (I) of heating a composition containing a compound (A) and an inorganic oxide in which a condensation reaction occurs between the same molecules and/or between different molecules upon heating. . Through this heating step (I), the compound (A) in the composition containing the compound (A) and an inorganic oxide can be heated to become a carbon material.
加熱工程(I)における加熱温度は、化合物(A)の縮合反応温度がT℃であるときに、好ましくは、(T-150)℃以上である。ただし、本明細書における縮合反応温度Tは、無触媒(担体)下における縮合反応温度を意味する。 The heating temperature in the heating step (I) is preferably (T-150)°C or higher when the condensation reaction temperature of compound (A) is T°C. However, the condensation reaction temperature T in this specification means the condensation reaction temperature without a catalyst (support).
加熱工程(I)においては、加熱によって同一分子間および/または異種分子間で縮合反応が起きる化合物(A)と無機酸化物を含む組成物を加熱する。化合物(A)と無機酸化物との配合割合は、無機酸化物100質量%に対して、化合物(A)が、好ましくは0.01質量%~1000000質量%であり、より好ましくは0.1質量%~100000質量%であり、特に好ましくは1質量%~1000質量%である。化合物(A)と無機酸化物との配合割合が上記範囲内にあれば、構造がより精密に制御された有機無機複合体をより温和な条件でより簡便に製造し得る。これらの無機酸化物と化合物(A)の配合割合は、目的とする複合体の物性に応じて、任意に調整することができる。例えば、無機酸化物と化合物(A)の配合割合を調整することにより、得られる有機無機複合体の物性、形態(例えば、溶媒への溶解性や、炭素成分または無機成分の形状(粒子状や非粒子状)、炭素成分または無機成分のサイズなど)を制御することができる。 In the heating step (I), the composition containing the compound (A) and the inorganic oxide is heated so that a condensation reaction occurs between the same molecules and/or between different molecules by heating. The mixing ratio of the compound (A) and the inorganic oxide is preferably 0.01% by mass to 1,000,000% by mass, more preferably 0.1%, relative to 100% by mass of the inorganic oxide. % to 100,000% by mass, particularly preferably 1% to 1,000% by mass. If the compounding ratio of the compound (A) and the inorganic oxide is within the above range, an organic-inorganic composite having a more precisely controlled structure can be produced more easily under milder conditions. The mixing ratio of these inorganic oxides and the compound (A) can be arbitrarily adjusted according to the physical properties of the desired composite. For example, by adjusting the mixing ratio of the inorganic oxide and the compound (A), the physical properties and morphology of the resulting organic-inorganic composite (e.g., solubility in a solvent, the shape of the carbon component or inorganic component (particulate or non-particulate), size of carbon or inorganic components, etc.) can be controlled.
加熱によって同一分子間および/または異種分子間で縮合反応が起きる化合物(A)と無機酸化物を含む組成物中には、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な他の成分が含まれていてもよい。このような他の成分としては、例えば、溶媒、触媒、母材、担体などが挙げられる。 In the composition containing the compound (A) and an inorganic oxide in which a condensation reaction occurs between the same molecules and/or between different molecules when heated, any appropriate other component may be added to the extent that the effects of the present invention are not impaired. may be included. Such other components include, for example, solvents, catalysts, base materials, carriers, and the like.
加熱工程(I)で加熱する組成物は、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な方法で調製すればよい。このような方法としては、例えば、化合物(A)と無機酸化物とを、任意の適切な方法(例えば、破砕、粉砕など)で固体状態のまま混合する方法が挙げられる。また、化合物(A)と無機酸化物と溶剤と、必要に応じて溶剤以外の他の成分とを、任意の適切な方法(例えば、超音波処理など)で混合し、任意の適切な方法(例えば、真空乾燥)によって溶剤を除去する方法などが挙げられる。また、必要に応じて、解砕を行ってもよい。 The composition to be heated in the heating step (I) may be prepared by any suitable method as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such a method include a method of mixing the compound (A) and an inorganic oxide in a solid state by any appropriate method (eg, crushing, pulverizing, etc.). Further, the compound (A), the inorganic oxide, the solvent, and, if necessary, other components other than the solvent are mixed by any appropriate method (e.g., ultrasonic treatment, etc.), and any appropriate method ( For example, there is a method of removing the solvent by vacuum drying). Moreover, crushing may be performed as needed.
加熱工程(I)における加熱温度は、化合物(A)の縮合反応温度がT℃であるときに、好ましくは(T-150)℃以上であり、より好ましくは(T-150~T+50)℃であり、さらに好ましくは(T-130~T+45)℃であり、さらに好ましくは(T-100~T+40)℃であり、特に好ましくは(T-80~T+35)℃であり、最も好ましくは(T-50~T+30)℃である。本発明の有機無機複合体を製造する際においては、無機酸化物の触媒能や、無機酸化物上の官能基と炭素材料の反応性が高いことから、上記のように化合物(A)の縮合反応温度と比べて比較的低温から反応が進行して炭素化が進み得る。加熱温度を上記範囲に調整することにより、溶媒への可溶性を有する有機無機複合体や、構造がより精密に制御された有機無機複合体をより温和な条件でより簡便に製造し得る。 The heating temperature in the heating step (I) is preferably (T-150)°C or higher, more preferably (T-150 to T+50)°C when the condensation reaction temperature of compound (A) is T°C. There, more preferably (T-130 to T + 45) ° C., more preferably (T-100 to T + 40) ° C., particularly preferably (T-80 to T + 35) ° C., most preferably (T- 50 to T+30)°C. When producing the organic-inorganic composite of the present invention, the catalytic ability of the inorganic oxide and the high reactivity between the functional group on the inorganic oxide and the carbon material are such that the condensation of the compound (A) is performed as described above. The reaction can proceed at a relatively low temperature compared to the reaction temperature, and carbonization can proceed. By adjusting the heating temperature within the above range, an organic-inorganic composite having solubility in a solvent or an organic-inorganic composite having a more precisely controlled structure can be produced more easily under milder conditions.
化合物(A)の縮合反応温度は、TG-DTA分析によって決定できる。具体的には、下記の通りである。
(1)化合物(A)として1種の化合物を用いる場合には、化合物(A)のTG-DTA分析を、窒素ガス雰囲気下、40℃から、昇温速度10℃/分で昇温し、DTAの最も低温側のピークトップ温度を化合物(A)の縮合反応温度(T℃)と決定する。
(2)化合物(A)として2種以上の化合物の混合物を用いる場合には、該混合物のTG-DTA分析を、窒素ガス雰囲気下、40℃から、昇温速度10℃/分で昇温し、DTAの最も低温側のピークトップ温度を化合物(A)(2種以上の化合物の混合物)の縮合反応温度(T℃)と決定する。
The condensation reaction temperature of compound (A) can be determined by TG-DTA analysis. Specifically, it is as follows.
(1) When one type of compound is used as compound (A), TG-DTA analysis of compound (A) is performed by heating from 40° C. at a temperature increase rate of 10° C./min in a nitrogen gas atmosphere, The peak top temperature on the lowest temperature side of DTA is determined as the condensation reaction temperature (T° C.) of compound (A).
(2) When a mixture of two or more compounds is used as compound (A), TG-DTA analysis of the mixture is performed by heating from 40° C. at a heating rate of 10° C./min in a nitrogen gas atmosphere. , the peak top temperature on the lowest temperature side of DTA is determined as the condensation reaction temperature (T° C.) of compound (A) (mixture of two or more compounds).
加熱工程(I)における加熱温度は、具体的な加熱温度として、好ましくは200℃~500℃であり、より好ましくは220℃~400℃であり、さらに好ましくは230℃~350℃であり、最も好ましくは250℃~300℃である。加熱温度を上記範囲に調整することにより、溶媒への可溶性を有する有機無機複合体や、構造がより精密に制御された有機無機複合体をより温和な条件でより簡便に製造し得る。特に、加熱工程(I)における加熱温度がこのように低いため、有機無機複合体をより温和な条件で工業的に製造可能である。 The heating temperature in the heating step (I) is preferably 200 ° C. to 500 ° C., more preferably 220 ° C. to 400 ° C., still more preferably 230 ° C. to 350 ° C., as a specific heating temperature. It is preferably 250°C to 300°C. By adjusting the heating temperature within the above range, an organic-inorganic composite having solubility in a solvent or an organic-inorganic composite having a more precisely controlled structure can be produced more easily under milder conditions. In particular, since the heating temperature in the heating step (I) is thus low, the organic-inorganic composite can be industrially produced under milder conditions.
加熱工程(I)における加熱時間は、具体的な加熱時間として、好ましくは0.1時間~120時間であり、より好ましくは0.5時間~100時間であり、さらに好ましくは1時間~50時間であり、最も好ましくは2時間~24時間である。加熱時間を上記範囲に調整することにより、溶媒への可溶性を有する有機無機複合体や、構造がより精密に制御された有機無機複合体をより温和な条件でより簡便に製造し得る。 The specific heating time in the heating step (I) is preferably 0.1 to 120 hours, more preferably 0.5 to 100 hours, still more preferably 1 to 50 hours. and most preferably from 2 hours to 24 hours. By adjusting the heating time within the above range, an organic-inorganic composite having solubility in a solvent or an organic-inorganic composite having a more precisely controlled structure can be produced more easily under milder conditions.
≪1-1.炭素材料≫
本明細書で記載する「炭素材料」は、有機無機複合体に含まれる炭素材料部分を意味する。
<<1-1. Carbon material≫
The "carbon material" described herein means the carbon material portion contained in the organic-inorganic composite.
炭素材料は、C1sXPS分析により容易に炭素成分の存在が確認できる。また、炭素材料は、好ましくは、その構造内にベンゼン環由来のハニカム構造(グラフェン構造)を有する。グラフェン構造は、ラマン分光分析によってその有無の確認ができる(非特許文献4)。 The presence of carbon components in the carbon material can be easily confirmed by C1sXPS analysis. Also, the carbon material preferably has a honeycomb structure (graphene structure) derived from benzene rings in its structure. The presence or absence of a graphene structure can be confirmed by Raman spectroscopic analysis (Non-Patent Document 4).
炭素材料は、不純物となる金属成分の含有量が合計で、通常、炭素原子100原子%に対し、好ましくは0.1原子%以下であり、より好ましくは0.01原子%以下であり、特に好ましくは実質的にゼロである。これらは、炭素材料を蛍光X線元素分析法(XRF)により分析することによって確認することができる。また、有機無機複合体を蛍光X線元素分析法(XRF)により分析した場合、有機無機複合体を構成する無機酸化物に含まれる金属成分以外の金属成分の含有量が、炭素原子100原子%に対し、好ましくは0.1原子%以下であり、より好ましくは0.01原子%以下であり、特に好ましくは実質的にゼロである。例えば、無機酸化物にアルミナを使用した有機無機複合体を蛍光X線元素分析法(XRF)にて分析した場合、アルミナに含まれる金属成分がアルミニウムのみの場合、アルミニウム以外の金属成分の含有量が、炭素原子100原子%に対し、好ましくは0.1原子%以下であり、より好ましくは0.01原子%以下であり、特に好ましくは実質的にゼロである。 In the carbon material, the total content of metal components that become impurities is usually preferably 0.1 atomic % or less, more preferably 0.01 atomic % or less, based on 100 atomic % of carbon atoms. Preferably it is substantially zero. These can be confirmed by analyzing the carbon material by fluorescent X-ray elemental analysis (XRF). Further, when the organic-inorganic composite is analyzed by X-ray fluorescence elemental analysis (XRF), the content of metal components other than the metal components contained in the inorganic oxides constituting the organic-inorganic composite is 100 atomic% of carbon atoms. is preferably 0.1 atomic % or less, more preferably 0.01 atomic % or less, and particularly preferably substantially zero. For example, when an organic-inorganic composite using alumina as an inorganic oxide is analyzed by X-ray fluorescence elemental analysis (XRF), if the only metal component contained in alumina is aluminum, the content of metal components other than aluminum is preferably 0.1 atomic % or less, more preferably 0.01 atomic % or less, and particularly preferably substantially zero, based on 100 atomic % of carbon atoms.
炭素材料は、その構成する元素として、炭素を必須とし、炭素以外の元素を含んでいてもよい。このような炭素以外の元素としては、好ましくは、酸素、水素、窒素、硫黄、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素から選ばれる少なくとも1種の元素であり、より好ましくは、酸素、水素、窒素、硫黄から選ばれる少なくとも1種の元素であり、さらに好ましくは、酸素、水素、窒素から選ばれる少なくとも1種の元素であり、特に好ましくは、酸素、水素から選ばれる少なくとも1種の元素である。炭素材料を構成する元素のうち水素以外の元素の総量を100原子%としたとき、炭素は、好ましくは60原子%以上であり、より好ましくは70原子%以上であり、さらに好ましくは75原子%以上である。また、炭素以外の元素は、好ましくは10原子%以上である。各元素の割合がこの範囲に入ることで、炭素材料でありながら良好な溶解性を発現することが可能となる。これらは、炭素材料をX線光電子分光法(C1sXPS)により定量することによって確認することができる。また、有機無機複合体をX線光電子分光法(C1sXPS)により定量した場合、有機無機複合体を構成する無機酸化物に含まれる元素以外の元素の総量を100原子%としたとき、炭素は、好ましくは60原子%以上であり、より好ましくは70原子%以上であり、さらに好ましくは75原子%以上である。また、炭素以外の元素は、好ましくは10原子%以上である。例えば、無機酸化物にリンタングステン酸を使用した有機無機複合体をX線光電子分光法(C1sXPS)にて分析した場合、リンおよびタングステンが検出されるが、リン、タングステン、および、リンとタングステンの含有量から計算されるリンタングステン酸を構成する酸素量以外の元素の総量(水素を除く)に対しての炭素の量の割合、炭素以外の元素の割合が上記範囲内に入ることが好ましい。 The carbon material essentially contains carbon as a constituent element, and may contain elements other than carbon. The element other than carbon is preferably at least one element selected from oxygen, hydrogen, nitrogen, sulfur, fluorine, chlorine, bromine and iodine, more preferably oxygen, hydrogen, nitrogen and sulfur. is at least one element selected from, more preferably at least one element selected from oxygen, hydrogen and nitrogen, and particularly preferably at least one element selected from oxygen and hydrogen. When the total amount of elements other than hydrogen among the elements constituting the carbon material is 100 atomic %, carbon is preferably 60 atomic % or more, more preferably 70 atomic % or more, and still more preferably 75 atomic %. That's it. Moreover, elements other than carbon are preferably 10 atomic % or more. When the ratio of each element falls within this range, it is possible to exhibit good solubility even though it is a carbon material. These can be confirmed by quantifying the carbon material by X-ray photoelectron spectroscopy (C1sXPS). Further, when the organic-inorganic composite is quantified by X-ray photoelectron spectroscopy (C1sXPS), when the total amount of elements other than the elements contained in the inorganic oxides constituting the organic-inorganic composite is 100 atomic%, carbon is It is preferably 60 atomic % or more, more preferably 70 atomic % or more, and still more preferably 75 atomic % or more. Moreover, elements other than carbon are preferably 10 atomic % or more. For example, when an organic-inorganic composite using phosphotungstic acid as an inorganic oxide is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (C1sXPS), phosphorus and tungsten are detected, but phosphorus, tungsten, and phosphorus and tungsten. It is preferable that the ratio of the amount of carbon and the ratio of elements other than carbon to the total amount of elements other than oxygen constituting phosphotungstic acid calculated from the content (excluding hydrogen) fall within the above ranges.
炭素材料は、好ましくは、溶媒に可溶である。ここで、炭素材料が溶媒に可溶である場合とは、従来の炭素材料に比べて溶媒への溶解性に優れ、良好な取り扱い性を実現し得る場合である。 The carbon material is preferably soluble in the solvent. Here, the case where the carbon material is soluble in the solvent means the case where the carbon material has better solubility in the solvent than conventional carbon materials and can realize good handleability.
炭素材料が溶媒に可溶という態様としては、好ましくは、下記の実施態様を採りうる。
(実施態様1)炭素材料の全てが溶媒に溶解する実施態様。すなわち、炭素材料が、溶媒に溶解する成分(成分A)のみからなる実施態様。
(実施態様2)炭素材料の一部が溶媒に溶解する態様。すなわち、炭素材料が、溶媒に溶解する成分(成分A)と溶媒に溶解しない成分(成分B)からなる実施態様。この場合、成分Bとしては、例えば、後述する無機酸化物と相互作用し溶解しない部分が挙げられる。
As an embodiment in which the carbon material is soluble in the solvent, the following embodiments can be preferably adopted.
(Embodiment 1) An embodiment in which all of the carbon material is dissolved in the solvent. That is, an embodiment in which the carbon material consists only of a solvent-soluble component (component A).
(Embodiment 2) An embodiment in which a part of the carbon material is dissolved in the solvent. That is, an embodiment in which the carbon material consists of a solvent-soluble component (component A) and a solvent-insoluble component (component B). In this case, the component B includes, for example, a portion that interacts with the inorganic oxide described below and does not dissolve.
本発明において「溶媒に可溶」とは、任意の溶媒に溶解する成分がある態様を意味し、該溶媒としては、好ましくは、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、テトラヒドロフラン、メタノール、エタノール、2-プロパノール、ブタノール、クロロホルム、ジクロロメタン等が挙げられる。すなわち、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、テトラヒドロフラン、メタノール、エタノール、2-プロパノール、ブタノール、クロロホルム、ジクロロメタンからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒に溶解する成分がある態様が好ましい。より好ましくは、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、クロロホルムからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒に溶解する成分がある態様であり、さらに好ましくは、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドンからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒に溶解する成分がある態様であり、特に好ましくは、N-メチルピロリドンに溶解する成分がある態様である。 In the present invention, the term "soluble in a solvent" means an aspect in which there is a component that dissolves in any solvent, and the solvent preferably includes N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N- Methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, acetone, methylethylketone, methylisobutylketone, tetrahydrofuran, methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, chloroform, dichloromethane and the like. N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, tetrahydrofuran, methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, chloroform, dichloromethane. A preferable aspect is one in which there is a component that dissolves in at least one solvent selected from More preferably, there is a component that dissolves in at least one solvent selected from the group consisting of N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, and chloroform, and even more preferably. is an aspect in which there is a component that dissolves in at least one solvent selected from the group consisting of N,N-dimethylformamide and N-methylpyrrolidone, and particularly preferably there is a component that dissolves in N-methylpyrrolidone. be.
炭素材料が溶媒に可溶である一つの実施形態は、例えば、炭素材料が、溶媒に可溶である炭素系化合物を含む実施形態である。 One embodiment in which the carbon material is solvent soluble is, for example, an embodiment in which the carbon material comprises a carbon-based compound that is soluble in the solvent.
溶媒に可溶であるか否かの判定方法としては、例えば、有機無機複合体を上記溶媒に対して0.001質量%となるように混合したのち、超音波処理を1時間行い、得られた液をPTFE製濾紙(孔径0.45μm)に通したとき、濾紙を通過した液に炭素系化合物が含まれるか否かで判定することができる。濾紙を通過した液に炭素系化合物が含まれる場合、炭素材料が溶媒に可溶である炭素系化合物を含むと判定される。上記PTFE製濾紙としては、例えば、ジーエルサイエンス株式会社製のGLクロマトディスク(型式13P)を用いることができる。 As a method for determining whether or not it is soluble in a solvent, for example, after mixing the organic-inorganic composite to 0.001% by mass with respect to the solvent, ultrasonic treatment is performed for 1 hour to obtain When the obtained liquid is passed through a PTFE filter paper (pore size: 0.45 μm), it can be determined whether or not the liquid that has passed through the filter paper contains a carbon-based compound. If the liquid that has passed through the filter paper contains a carbon-based compound, it is determined that the carbon material contains a carbon-based compound that is soluble in the solvent. As the PTFE filter paper, for example, GL Chromatodisc (model 13P) manufactured by GL Sciences Co., Ltd. can be used.
炭素材料は、好ましくは、(i)ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてGバンド(一般的に1550cm-1~1650cm-1の範囲内)およびDバンド(一般的に1300cm-1~1400cm-1の範囲内)にピークを有し、(ii)さらに溶媒に可溶である炭素系化合物を含む。 The carbon material preferably has (i) a G band (generally within the range of 1550 cm −1 to 1650 cm −1 ) and a D band (generally within the range of 1300 cm −1 to 1400 cm −1 ) in a Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy. (ii) further includes a carbon-based compound that is soluble in a solvent.
炭素材料は、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいて、Gバンド(一般的に1550cm-1~1650cm-1の範囲内)にピークを示す。したがって、炭素材料が、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてGバンド(一般的に1550cm-1~1650cm-1の範囲内)にピークを有することは、炭素材料がグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有していることを意味している。Gバンドは、強度が高く、シャープであれば、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。 A carbon material exhibits a peak in the G band (generally within the range of 1550 cm −1 to 1650 cm −1 ) in a Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis. Therefore, the fact that the carbon material has a peak in the G band (generally within the range of 1550 cm −1 to 1650 cm −1 ) in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis means that the carbon material has a graphene structure or a graphene structure similar to the graphene structure. It means that it has structure. If the G band is high in intensity and sharp, it can be said to have a finer graphene structure or a graphene-like structure.
炭素材料は、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいて、Dバンド(一般的に1300cm-1~1400cm-1の範囲内)にピークを有する。グラフェン構造の欠陥に由来する構造を有する炭素材料は、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいて、Dバンド(一般的に1300cm-1~1400cm-1の範囲内)にピークを示す。したがって、炭素材料が、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおけるDバンド(一般的に1300cm-1~1400cm-1の範囲内)にピークを有することは、その炭素材料がグラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していることを意味している。Dバンドは、強度が低ければ、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。また、Dバンドが確認できるということは、炭素材料が官能基を有することを意味しており、これにより、溶媒に対する溶解性を高め得る。 A carbon material has a peak in the D band (generally within the range of 1300 cm −1 to 1400 cm −1 ) in a Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis. A carbon material having a structure derived from defects in the graphene structure exhibits a peak in the D band (generally within the range of 1300 cm −1 to 1400 cm −1 ) in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis. Therefore, the fact that the carbon material has a peak in the D band (generally within the range of 1300 cm -1 to 1400 cm -1 ) in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis is due to defects in the graphene structure of the carbon material. It means having a structure similar to a structure or a structure derived from defects in the graphene structure. If the D band is less intense, it can be said to have a cleaner graphene structure or a graphene-like structure. Moreover, the fact that the D band can be confirmed means that the carbon material has a functional group, which can increase the solubility in a solvent.
炭素材料は、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいて、G′バンド(一般的に2650cm-1~2750cm-1の範囲内)にピークを示す。したがって、炭素材料が、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてG′バンド(一般的に2650cm-1~2750cm-1の範囲内)にピークを有することは、炭素材料がグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有していることを意味している。G′バンドの強度は、グラフェン構造が1層のときに最も強く、グラフェン構造の積層数が増えるにつれて徐々に小さくなる。しかしながら、G′バンドは、グラフェン構造の積層数が増えるにつれて徐々に強度が小さくなっても、ピークは観察することができる。したがって、G′バンドにピークを有することは、炭素材料がグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。G′バンドは、2Dバンドとも呼ばれることがある。 A carbon material exhibits a peak in the G' band (generally within the range of 2650 cm −1 to 2750 cm −1 ) in a Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis. Therefore, the fact that the carbon material has a peak in the G′ band (generally within the range of 2650 cm −1 to 2750 cm −1 ) in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis means that the carbon material has a graphene structure or a graphene structure. It means that it has the structure of The intensity of the G' band is the strongest when the graphene structure is one layer, and gradually decreases as the number of layers of the graphene structure increases. However, the peak of the G' band can be observed even if the intensity gradually decreases as the number of layers of the graphene structure increases. Therefore, having a peak in the G' band means that the carbon material has a graphene structure or a structure similar to the graphene structure. The G' band is sometimes called the 2D band.
炭素材料は、好ましくは、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてD+D′バンド(一般的に2800cm-1~3000cm-1の範囲内)にピークを有する。グラフェン構造の欠陥に由来する構造を有する炭素材料は、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいて、D+D′バンド(一般的に2800cm-1~3000cm-1の範囲内)にピークを示す。したがって、炭素材料が、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいてD+D′バンド(一般的に2800cm-1~3000cm-1の範囲内)にピークを有することは、その炭素材料がグラフェン構造の欠陥に由来する構造またはグラフェン構造の欠陥に由来する構造に類似の構造を有していることを意味している。D+D′バンドは、強度が低ければ、よりきれいなグラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有しているといえる。D+D′バンドは、D+Gバンドとも呼ばれることがある。また、D+D′バンドが確認できるということもまた、炭素材料が官能基を有することを意味しており、これにより、溶媒に対する溶解性を高め得る。 The carbon material preferably has a peak in the D+D' band (generally within the range of 2800 cm -1 to 3000 cm -1 ) in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy. A carbon material having a structure derived from defects in the graphene structure exhibits a peak in the D+D' band (generally within the range of 2800 cm −1 to 3000 cm −1 ) in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis. Therefore, the fact that the carbon material has a peak in the D + D' band (generally within the range of 2800 cm -1 to 3000 cm -1 ) in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis is derived from defects in the graphene structure of the carbon material. It means that it has a structure similar to the structure of the graphene structure or the structure derived from defects in the graphene structure. If the D+D' band is less intense, it can be said to have a cleaner graphene structure or a graphene-like structure. The D+D' band is sometimes called the D+G band. The fact that the D+D' band can be confirmed also means that the carbon material has a functional group, which can increase the solubility in the solvent.
炭素材料において、官能基を含むことと共に、グラフェン構造の一部に欠陥を有している場合、この欠陥が、炭素材料の溶媒への溶解性の発現に寄与し得る。 When the carbon material contains a functional group and has a defect in a part of the graphene structure, the defect may contribute to the solubility of the carbon material in a solvent.
炭素材料は、上記のように、従来公知の炭素材料とは異なり、グラフェン構造またはグラフェン構造に類似の構造を有し、炭素材料の溶媒への溶解性がより優れる(例えば、溶媒に溶解する炭素材料の成分がより多くなったり、炭素材料が溶解できる溶媒の種類がより増えたりする)。 As described above, unlike conventionally known carbon materials, the carbon material has a graphene structure or a structure similar to a graphene structure, and the solubility of the carbon material in a solvent is superior (for example, carbon that dissolves in a solvent more components of the material, more types of solvents in which the carbon material can be dissolved, etc.).
炭素材料に含まれる炭素系化合物の分子量は、好ましくは1000~1300000であり、より好ましくは5000~1000000であり、さらに好ましくは10000~700000であり、特に好ましくは15000~500000であり、最も好ましくは20000~300000である。炭素材料に含まれる炭素系化合物の分子量が上記範囲内にあれば、上記(i)の特徴と相まって、炭素材料の溶媒への溶解性が向上し得る(例えば、溶媒に溶解する炭素材料の成分がより多くなったり、炭素材料が溶解できる溶媒の種類がより増えたりする)。炭素材料に含まれる炭素系化合物の分子量が1300000を超えると、炭素材料の溶媒への溶解性が悪くなるおそれがある。炭素材料に含まれる炭素系化合物の分子量が1000未満であると、炭素材料としての特徴が薄れるおそれがある。これらの分子量は、後述する手法により分析できる。 The molecular weight of the carbon-based compound contained in the carbon material is preferably 1,000 to 1,300,000, more preferably 5,000 to 1,000,000, even more preferably 10,000 to 700,000, particularly preferably 15,000 to 500,000, and most preferably 20,000 to 300,000. If the molecular weight of the carbon-based compound contained in the carbon material is within the above range, the solubility of the carbon material in the solvent can be improved in combination with the above feature (i) (for example, the carbon material component that dissolves in the solvent , and the types of solvents in which carbon materials can be dissolved increase). If the molecular weight of the carbon-based compound contained in the carbon material exceeds 1,300,000, the solubility of the carbon material in the solvent may deteriorate. If the molecular weight of the carbon-based compound contained in the carbon material is less than 1,000, there is a risk that the characteristics of the carbon material may be weakened. These molecular weights can be analyzed by the method described later.
炭素材料中の炭素系化合物の含有割合は、好ましくは50質量%~100質量%であり、より好ましくは70質量%~100質量%であり、さらに好ましくは90質量%~100質量%であり、特に好ましくは95質量%~100質量%であり、最も好ましくは実質的に100質量%である。炭素材料中の炭素系化合物の含有割合が上記範囲内にあれば、上記(i)、(ii)の特徴と相まって、炭素材料の溶媒への溶解性が向上し得る(例えば、溶媒に溶解する炭素材料の成分がより多くなったり、炭素材料が溶解できる溶媒の種類がより増えたりする)。 The content of the carbon-based compound in the carbon material is preferably 50% by mass to 100% by mass, more preferably 70% by mass to 100% by mass, still more preferably 90% by mass to 100% by mass, Especially preferred is 95% to 100% by weight, most preferred is substantially 100% by weight. If the content of the carbon-based compound in the carbon material is within the above range, the solubility of the carbon material in a solvent can be improved (e.g., dissolving in a solvent The components of the carbon material are increased, and the types of solvents in which the carbon material can be dissolved are increased).
炭素材料は、好ましくは、XRD分析によって得られるXRDスペクトルチャートにおいて、20°~30°の範囲内にピークを示す。すなわち炭素材料は、グラフェン構造が積層した構造(グラフェン積層構造)を有することも、好ましい実施形態の一つである。積層構造を有することで、炭素材料はより強固になり得るとともに、より安定なものとなり得る。 The carbon material preferably exhibits a peak within the range of 20° to 30° in an XRD spectrum chart obtained by XRD analysis. That is, it is also one of preferred embodiments that the carbon material has a structure in which graphene structures are laminated (graphene laminated structure). Having a laminated structure can make the carbon material stronger and more stable.
炭素材料は、代表的には、加熱によって同一分子間および/または異種分子間で縮合反応が起きる化合物(A)と無機酸化物を含む組成物を加熱する加熱工程(I)によって、該組成物中の該化合物(A)が加熱されて得られる。 A carbon material is typically produced by a heating step (I) of heating a composition containing a compound (A) and an inorganic oxide in which a condensation reaction occurs between the same molecules and/or between different molecules by heating. The compound (A) in is obtained by heating.
<化合物(A)>
化合物(A)は、加熱によって同一分子間および/または異種分子間で縮合反応が起きるので、化合物(A)と無機酸化物を含む組成物を加熱する加熱工程(I)によって、代表的には、化合物(A)は炭素材料となり得る。
<Compound (A)>
Compound (A) causes a condensation reaction between identical molecules and/or different molecules by heating. , the compound (A) can be a carbon material.
化合物(A)は、好ましくは、23℃環境下で固体であって融点を有する。融点を有することで、焼成の過程で融解し、分子間での反応が良好に進行する。仮に融点を有さない場合、焼成の過程で融解しないので、分子の位置が固定され、分子間での反応が促進されにくく、炭素材料化しにくい。このような化合物(A)を採用することにより、縮合反応を促進し、分解反応を抑制したり、炭素材料の溶媒への溶解性がより優れる(例えば、溶媒に溶解する炭素材料の成分がより多くなったり、炭素材料が溶解できる溶媒の種類がより増えたりする)。 Compound (A) is preferably solid and has a melting point at 23°C. Since it has a melting point, it melts during the firing process, and the intermolecular reaction proceeds favorably. If it does not have a melting point, it will not melt during the firing process, so the positions of the molecules will be fixed, the reaction between molecules will be difficult to promote, and it will be difficult to convert it into a carbon material. By adopting such a compound (A), the condensation reaction is promoted, the decomposition reaction is suppressed, and the solubility of the carbon material in the solvent is more excellent (for example, the components of the carbon material dissolved in the solvent are more or more types of solvents in which carbon materials can be dissolved).
化合物(A)は、縮合に寄与しない骨格が芳香族構造であることが好ましい。骨格が芳香族であることによって、得られる炭素材料の炭素成分がより安定になり得る。このような芳香族構造としては、例えば、ベンゼン、ナフタレンのような炭素原子からなる芳香族構造;ピリジン、ピリミジン、フラン、チオフェンのような炭素原子およびヘテロ原子(窒素や酸素など)からなるヘテロ芳香族構造;などが好ましく、これらの中でも、ベンゼン、ピリジンのような六員環構造をもつ芳香族構造およびヘテロ芳香族構造がより好ましい。 The skeleton of compound (A) that does not contribute to condensation preferably has an aromatic structure. By having an aromatic skeleton, the carbon component of the resulting carbon material can be made more stable. Such aromatic structures include, for example, aromatic structures composed of carbon atoms such as benzene, naphthalene; heteroaromatic structures composed of carbon atoms and heteroatoms (such as nitrogen and oxygen) such as pyridine, pyrimidine, furan, thiophene; among these, more preferred are aromatic structures and heteroaromatic structures having a six-membered ring structure such as benzene and pyridine.
化合物(A)の分子量は、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な分子量を採用し得る。このような分子量としては、本発明の効果をより発現させ得る点で、好ましくは500以下であり、より好ましくは75~450であり、さらに好ましくは80~400であり、最も好ましくは100~350である。 Any appropriate molecular weight can be adopted as the molecular weight of the compound (A) as long as the effects of the present invention are not impaired. Such a molecular weight is preferably 500 or less, more preferably 75 to 450, still more preferably 80 to 400, and most preferably 100 to 350, from the viewpoint that the effects of the present invention can be more expressed. is.
化合物(A)の縮合反応温度は、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な縮合反応温度を採用し得る。このような縮合反応温度としては、本発明の効果をより発現させ得る点で、好ましくは400℃以下であり、より好ましくは200℃~370℃であり、最も好ましくは250℃~350℃である。 Any appropriate condensation reaction temperature can be adopted as the condensation reaction temperature of compound (A) as long as the effects of the present invention are not impaired. Such a condensation reaction temperature is preferably 400° C. or less, more preferably 200° C. to 370° C., and most preferably 250° C. to 350° C. in terms of allowing the effects of the present invention to be exhibited more effectively. .
化合物(A)の、窒素ガス雰囲気下、40℃から、10℃/分の昇温条件によってTG-DTA分析を行ったときの、温度50℃における初期重量M50に対する温度500℃における重量M500の重量比(M500/M50)は、本発明の効果をより発現させ得る点で、好ましくは0.2以上であり、より好ましくは0.2~0.9であり、最も好ましくは0.3~0.8である。上記の重量比(M500/M50)が上記範囲内に収まる化合物(A)を用いることで、加熱後の有機無機複合体中に炭素材料が十分に残り得る。 The weight of the weight M500 at a temperature of 500° C. relative to the initial weight M50 at a temperature of 50° C. when TG-DTA analysis of compound (A) is performed under a nitrogen gas atmosphere from 40° C. under the condition of temperature increase of 10° C./min. The ratio (M500/M50) is preferably 0.2 or more, more preferably 0.2 to 0.9, and most preferably 0.3 to 0, in order to further express the effects of the present invention. .8. By using the compound (A) whose weight ratio (M500/M50) falls within the above range, the carbon material can sufficiently remain in the organic-inorganic composite after heating.
[化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態1)]
化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態1)は、加熱によって分解して芳香族環上にラジカルを発生する芳香族化合物である。芳香族環上にラジカルが発生した芳香族化合物が、同一分子間および/または異種分子間で縮合反応を起こし、炭素材料となり得る。
[Representative Embodiment of Compound (A) (Embodiment 1)]
A representative embodiment (Embodiment 1) of compound (A) is an aromatic compound that is decomposed by heating to generate radicals on an aromatic ring. An aromatic compound in which a radical is generated on an aromatic ring causes a condensation reaction between the same molecules and/or between different molecules to become a carbon material.
加熱によって分解して芳香族環上にラジカルを発生する芳香族化合物としては、好ましくは、加熱によって気体(常温常圧において気体状態である気体)を発生する芳香族化合物である。 The aromatic compound that is decomposed by heating to generate radicals on the aromatic ring is preferably an aromatic compound that generates a gas (a gas in a gaseous state at normal temperature and normal pressure) by heating.
加熱によって気体を発生する芳香族化合物としては、芳香族化合物であって、加熱を行うことによって気体が発生するものであれば、任意の適切な芳香族化合物を採用し得る。このような常温常圧において気体状態である気体としては、好ましくは、CO、CO2、O2から選ばれる少なくとも1種である。 As the aromatic compound that generates gas by heating, any appropriate aromatic compound can be adopted as long as it is an aromatic compound that generates gas by heating. At least one selected from CO, CO 2 and O 2 is preferable as the gas that is in a gaseous state at normal temperature and normal pressure.
加熱によってCOおよび/またはCO2を発生する芳香族化合物としては、例えば、「-C(=O)-」および/または「-O-C(=O)-」構造を有する芳香族化合物(例えば、芳香族ケトン誘導体、芳香族エステル誘導体、酸無水物など)などが挙げられる。 Examples of aromatic compounds that generate CO and/or CO 2 upon heating include aromatic compounds having a "-C(=O)-" and/or "-O-C(=O)-" structure (e.g. , aromatic ketone derivatives, aromatic ester derivatives, acid anhydrides, etc.).
加熱によってCOおよび/またはCO2を発生する芳香族化合物としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。 Examples of aromatic compounds that generate CO and/or CO 2 upon heating include the following compounds.
加熱によってO2を発生する芳香族化合物としては、例えば、「-O-O-」構造を有する芳香族化合物(例えば、芳香族炭素酸化物、芳香族過酸化物など)などが挙げられる。 Examples of aromatic compounds that generate O 2 upon heating include aromatic compounds having an “—O—O—” structure (eg, aromatic carbon oxides, aromatic peroxides, etc.).
加熱によってO2を発生する芳香族化合物としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。なお、下記の化合物において、Rは、水素原子、または、置換基を有していてもよいアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基を表す。 Examples of aromatic compounds that generate O 2 by heating include the following compounds. In the compounds below, R represents a hydrogen atom, or an optionally substituted alkyl group, aryl group, or heteroaryl group.
加熱によって分解して芳香族環上にラジカルを発生する芳香族化合物は、加熱による分解性を有し、骨格の少なくとも一部がかい離・分解することによって気体分子(好ましくは、CO、CO2、O2から選ばれる少なくとも1種)が生成し、残った芳香族環上にラジカルが生成する化合物である。このような芳香族化合物を用いることにより、反応触媒を必要とすることなく、自身の分解のみによる反応が起こるため、化学反応の副生成物や反応触媒が炭素材料に存在してしまって致命的な不純物となることを抑制でき、より高品質な炭素材料を得ることができる。また、このような芳香族化合物を用いることにより、可燃性ガスを使用することなく、比較的温和な温度環境下において、炭素材料を得ることができる。また、このような芳香族化合物は、触媒作用を必要としない高反応性を有し得る。 Aromatic compounds that are decomposed by heating to generate radicals on the aromatic ring have decomposability by heating, and at least a part of the skeleton is separated and decomposed into gas molecules (preferably CO, CO 2 , At least one selected from O 2 ) is generated, and a radical is generated on the remaining aromatic ring. By using such an aromatic compound, a reaction occurs only by decomposition of itself without the need for a reaction catalyst. Impurities can be suppressed, and a higher quality carbon material can be obtained. Moreover, by using such an aromatic compound, a carbon material can be obtained in a relatively mild temperature environment without using combustible gas. Also, such aromatic compounds may have high reactivity that does not require catalysis.
[化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態2)]
化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態2)は、縮合反応によって、2種以上の基から1つの中性分子が形成されて脱離する化合物である。この実施形態2においては、1つの化合物が2種以上の基を有している場合であってもよいし、2つ以上の化合物のそれぞれの有する基を組み合わせて2種以上の基となる場合であってもよい。このような化合物(A)が、同一分子間および/または異種分子間で縮合反応を起こし、炭素材料となり得る。
[Representative Embodiment of Compound (A) (Embodiment 2)]
A representative embodiment (embodiment 2) of compound (A) is a compound in which a neutral molecule is formed and eliminated from two or more groups by a condensation reaction. In
縮合反応としては、2種以上の基から1つの中性分子が形成されて脱離することによる縮合反応であれば、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な縮合反応を採用し得る。このような縮合反応とすることにより、比較的低温で反応を行うことが可能となり得る。このような縮合反応としては、例えば、
(a)-H基と-OH基とからH2Oが形成されて脱離することによる縮合反応、
(b)-H基と-OR基(Rは任意の適切な置換または無置換のアルキル基)とからROHが形成されて脱離することによる縮合反応、
(c)-H基と-OOCR基(Rは任意の適切な置換または無置換のアルキル基)とからRCOOHが形成されて脱離することによる縮合反応、
などが挙げられる。特に、脱離した中性成分が該脱離温度(焼成温度)で気体成分であると、炭素材料に取り込まれることなく、気相部にあるため、不純物となりにくい。
As the condensation reaction, any appropriate condensation reaction may be adopted as long as it is a condensation reaction in which one neutral molecule is formed from two or more groups and eliminated, within a range that does not impair the effects of the present invention. obtain. By setting it as such a condensation reaction, it may become possible to react at a comparatively low temperature. Such condensation reactions include, for example,
(a) a condensation reaction by the formation and elimination of H 2 O from —H and —OH groups;
(b) a condensation reaction by the formation and elimination of ROH from a -H group and a -OR group (where R is any suitable substituted or unsubstituted alkyl group);
(c) condensation reaction by formation and elimination of RCOOH from -H group and -OOCR group (R is any suitable substituted or unsubstituted alkyl group);
etc. In particular, if the desorbed neutral component is a gaseous component at the desorption temperature (firing temperature), it will not be incorporated into the carbon material and will remain in the gaseous phase, and thus will not easily become an impurity.
縮合反応として、-H基と-OH基とからH2Oが形成されて脱離することによる縮合反応(上記(a))を代表例として説明する。 As a representative example of the condensation reaction, the condensation reaction (above (a)) in which H 2 O is formed and eliminated from —H group and —OH group will be described.
実施形態2における化合物(A)の一つの実施形態(実施形態(X)と称することがある)は、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)または2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)であり、該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が-OH基であり、もう半数が-H基である。 One embodiment of the compound (A) in Embodiment 2 (sometimes referred to as embodiment (X)) is a compound (a1) having a skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure or two or more carbon A compound (a2) having a skeleton to which a 6-membered ring structure is bonded and/or condensed, half of the substituents not contributing to the structure formation of the skeleton are —OH groups, and the other half are —H is the base.
実施形態(X)においては、
(i)化合物(A)が、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)である場合、
(ii)化合物(A)が、2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)である場合、
の2つの場合のいずれかを採り得る。
In embodiment (X),
(i) when the compound (A) is a compound (a1) having a skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure,
(ii) when the compound (A) is a compound (a2) having a skeleton in which two or more six-membered carbon ring structures are bonded and/or condensed,
Either of the two cases can be adopted.
実施形態(X)において、「骨格の構造形成に寄与していない置換基」とは、上記(i)の場合の「1個の炭素6員環構造からなる骨格」または上記(ii)の場合の「2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基を意味する。例えば、上記(i)の場合として、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)が後に示す化学式(a1-1)で表される場合、1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は6個の-OH基と6個の-H基であり、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)が後に示す化学式(a1-2)で表される場合、1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は3個の-OH基と3個の-H基である。また、例えば、上記(ii)の場合として、2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)が後に示す化学式(a2-1)で表される場合、2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格の構造形成に寄与していない置換基は6個の-OH基と6個の-H基である。 In embodiment (X), the "substituent that does not contribute to the formation of the skeleton structure" is the "skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure" in the case of (i) above, or the case of (ii) above. means a substituent that does not contribute to the structure formation of the skeleton of the "skeleton in which two or more carbon six-membered ring structures are bonded and/or condensed". For example, in the case of (i) above, when the compound (a1) having a skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure is represented by the chemical formula (a1-1) shown later, one carbon six-membered ring structure The substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of are 6 —OH groups and 6 —H groups, and the compound (a1) having a skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure is shown later In the case represented by the chemical formula (a1-2), three —OH groups and three —H groups are substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure. Further, for example, as the case of (ii) above, when a compound (a2) having a skeleton in which two or more six-membered carbon ring structures are bonded and/or condensed is represented by the following chemical formula (a2-1) , 6 —OH groups and 6 —H groups are substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton in which two or more carbon 6-membered ring structures are bonded and/or condensed.
実施形態(X)においては、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が-OH基であり、もう半数が-H基であり、2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が-OH基であり、もう半数が-H基である。このような置換基の構成を有することにより、化合物(A)は、加熱により、同一分子同士および/または異なる分子間で効果的に脱水反応が起き得る。 In the embodiment (X), half of the substituents not contributing to the structure formation of the skeleton of the compound (a1) having a skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure are —OH groups. Half of the substituents that are -H groups and do not contribute to the structure formation of the skeleton of the compound (a2) having a skeleton in which two or more 6-membered carbon ring structures are bonded and/or condensed are half the number -OH groups and the other half are -H groups. By having such a substituent structure, compound (A) can effectively undergo dehydration reaction between identical molecules and/or different molecules by heating.
実施形態(X)において採用し得る化合物(A)としては、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)または2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)であり、該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の半数が-OH基であり、もう半数が-H基である化合物であれば、本発明の効果を損なわない範囲で任意の適切な化合物を採用し得る。このような化合物(A)としては、例えば、下記のような化合物が挙げられる。 The compound (A) that can be employed in the embodiment (X) includes a compound (a1) having a skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure or two or more carbon 6-membered ring structures bonded and/or condensed If it is a compound (a2) having a skeletal structure, half of the number of substituents that do not contribute to the structure formation of the skeletal structure are —OH groups, and the other half are —H groups, the compound of the present invention Any appropriate compound can be employed as long as it does not impair the effect. Examples of such compound (A) include the following compounds.
実施形態(X)において採用し得る化合物(A)の中でも、-H基と-OH基とからH2Oが形成されて脱離することによる縮合反応が起こりやすいと推察され、低温で反応が進行しやすいと推察される点で、フロログルシノール(化合物(a1-2))、ヘキサヒドロキシトリフェニレン(HHTP)(化合物(a2-1))が好ましい。 Among the compounds (A) that can be employed in the embodiment (X), it is presumed that the condensation reaction is likely to occur due to the formation and elimination of H 2 O from the —H group and the —OH group, and the reaction occurs at a low temperature. Phloroglucinol (compound (a1-2)) and hexahydroxytriphenylene (HHTP) (compound (a2-1)) are preferred because they are presumed to progress easily.
実施形態2における化合物(A)の別の一つの実施形態(実施形態(Y)と称することがある)は、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)および/または2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)から選ばれる2種以上であり、該化合物(a1)の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数および該化合物(a2)の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の合計の半数が-OH基であり、もう半数が-H基である。 Another embodiment of compound (A) in embodiment 2 (sometimes referred to as embodiment (Y)) is compound (a1) and/or 2 having a skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure two or more selected from compounds (a2) having a skeleton in which at least one carbon 6-membered ring structure is bonded and/or condensed, and substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton of the compound (a1) Half of the total number and the number of substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton of the compound (a2) are —OH groups, and the other half are —H groups.
実施形態(Y)においては、
(i)化合物(A)が、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)から選ばれる2種以上からなる場合、
(ii)化合物(A)が、2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)から選ばれる2種以上からなる場合、
(iii)化合物(A)が、1個の炭素6員環構造からなる骨格を有する化合物(a1)から選ばれる1種以上と2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格を有する化合物(a2)から選ばれる1種以上とからなる場合、
の3つの場合のいずれかを採り得る。
In embodiment (Y),
(i) when the compound (A) consists of two or more compounds selected from compounds (a1) having a skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure,
(ii) when compound (A) consists of two or more compounds selected from compound (a2) having a skeleton in which two or more six-membered carbon ring structures are bonded and/or condensed,
(iii) Compound (A) has a skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure, and at least one selected from compound (a1) and two or more carbon 6-membered ring structures are bonded and/or condensed. When it consists of one or more selected from compounds (a2) having a skeleton,
Any one of the three cases can be adopted.
実施形態(Y)において、「化合物(a1)の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数および化合物(a2)の骨格の構造形成に寄与していない置換基の数の合計」とは、下記のような意味である。すなわち、上記(i)の場合、2種以上の化合物(a1)のそれぞれにおける「1個の炭素6員環構造からなる骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数を、全て合計した数を意味する。上記(ii)の場合、2種以上の化合物(a2)のそれぞれにおける「2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数を、全て合計した数を意味する。上記(iii)の場合、1種以上の化合物(a1)のそれぞれにおける「1個の炭素6員環構造からなる骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数と、1種以上の化合物(a2)のそれぞれにおける「2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格」の該骨格の構造形成に寄与していない置換基の数とを、全て合計した数を意味する。 In Embodiment (Y), "the sum of the number of substituents that do not contribute to the formation of the skeleton structure of compound (a1) and the number of substituents that do not contribute to the formation of the skeleton structure of compound (a2)" , has the following meaning. That is, in the case of (i) above, the number of substituents that do not contribute to the structure formation of the “skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure” in each of the two or more compounds (a1) is means the total number. In the case of (ii) above, the substitution that does not contribute to the structure formation of the "skeleton in which two or more six-membered carbon ring structures are bonded and/or condensed" in each of the two or more compounds (a2) It means the total number of groups. In the case of (iii) above, the number of substituents that do not contribute to the structure formation of the “skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure” in each of the one or more compounds (a1), and one The number of substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton of the "skeleton in which two or more six-membered carbon ring structures are bonded and/or condensed" in each of the above compounds (a2) was totaled. means number.
実施形態(Y)において、例えば、上記(i)の場合として、2種以上の化合物(a1)が下記の化学式(a1-5)および化学式(a1-6)で表される場合、化学式(a1-5)で表される化合物の1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は2個の-OH基と4個の-H基であり、化学式(a1-6)で表される化合物の1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は4個の-OH基と2個の-H基であり、それらの合計は、6個の-OH基と6個の-H基である。また、例えば、上記(iii)の場合として、1種以上の化合物(a1)が下記の化学式(a1-5)および化学式(a1-7)で表され、1種以上の化合物(a2)が下記の化学式(a2-3)で表される場合、化学式(a1-5)で表される化合物の1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は2個の-OH基と4個の-H基であり、化学式(a1-7)で表される化合物の1個の炭素6員環構造からなる骨格の構造形成に寄与していない置換基は6個の-OH基であり、化学式(a2-3)で表される化合物の2個以上の炭素6員環構造が結合および/または縮環した骨格の構造形成に寄与していない置換基は2個の-OH基と6個の-H基である。 In embodiment (Y), for example, in the case of (i) above, when two or more compounds (a1) are represented by the following chemical formulas (a1-5) and (a1-6), chemical formula (a1 Substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure of the compound represented by -5) are two —OH groups and four —H groups, and have the chemical formula (a1 Substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of one carbon 6-membered ring structure of the compound represented by -6) are 4 -OH groups and 2 -H groups, and the total are 6 —OH groups and 6 —H groups. Further, for example, in the case of (iii) above, one or more compounds (a1) are represented by the following chemical formulas (a1-5) and (a1-7), and one or more compounds (a2) are represented by the following When represented by the chemical formula (a2-3), the substituents that do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure of the compound represented by the chemical formula (a1-5) are two —OH group and four —H groups, which do not contribute to the structure formation of the skeleton consisting of one carbon six-membered ring structure of the compound represented by the chemical formula (a1-7) are six —OH groups, which do not contribute to the structure formation of the skeleton in which two or more six-membered carbon ring structures of the compound represented by the chemical formula (a2-3) are bonded and/or condensed, are two -OH group and 6 -H groups.
このような化合物(A)を用いることにより、反応触媒を必要とすることなく、自身の脱水反応による反応が起こるため、化学反応の副生成物や反応触媒が炭素材料中に存在してしまって致命的な不純物となることを抑制でき、より高品質な炭素材料を得ることができる。また、このような化合物(A)を用いることにより、可燃性ガスを使用することなく、比較的温和な温度環境下において、炭素材料を得ることができる。また、このような化合物(A)は、触媒作用を必要としない高反応性を有し得る。 By using such a compound (A), a reaction due to its own dehydration reaction occurs without the need for a reaction catalyst. Fatal impurities can be suppressed, and a higher quality carbon material can be obtained. Moreover, by using such a compound (A), a carbon material can be obtained in a relatively mild temperature environment without using a combustible gas. Also, such compounds (A) may have high reactivity that does not require catalysis.
[化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態3)]
化合物(A)の代表的な実施形態(実施形態3)は、実施形態1と実施形態2の双方を同時に採用する形態である。すなわち、実施形態3は、加熱によって分解して芳香族環上にラジカルを発生する芳香族化合物であり、かつ縮合反応によって、2種以上の基から1つの中性分子が形成されて脱離する化合物である。このような化合物(A)が、同一分子間および/または異種分子間で縮合反応を起こし、炭素材料となり得る。
[Representative Embodiment of Compound (A) (Embodiment 3)]
A representative embodiment (Embodiment 3) of compound (A) is a form in which both
実施形態3の具体的な構造としては、例えば、化合物(a3-1)が挙げられる。化合物(a3-1)は、加熱により二酸化炭素分子が脱離し、芳香族環上にラジカル(反応活性点)が生じるとともに、ヒドロキシル基と水素基が分子間で脱水し縮合反応が起こる。
Specific structures of
このような化合物(A)を用いることにより、反応触媒を必要とすることなく、自身の脱水反応による反応が起こるため、化学反応の副生成物や反応触媒が炭素材料中に存在してしまって致命的な不純物となることを抑制でき、より高品質な炭素材料を得ることができる。また、このような化合物(A)を用いることにより、可燃性ガスを使用することなく、比較的温和な温度環境下において、炭素材料を得ることができる。また、このような化合物(A)は、触媒作用を必要としない高反応性を有し得る。 By using such a compound (A), a reaction due to its own dehydration reaction occurs without the need for a reaction catalyst. Fatal impurities can be suppressed, and a higher quality carbon material can be obtained. Moreover, by using such a compound (A), a carbon material can be obtained in a relatively mild temperature environment without using a combustible gas. Also, such compounds (A) may have high reactivity that does not require catalysis.
≪1-2.無機酸化物≫
無機酸化物は、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切な無機酸化物を採用し得る。このような無機酸化物としては、例えば、粒子状の無機酸化物(無機酸化物粒子)、非粒子状の無機酸化物(例えば、繊維状の無機酸化物、薄膜状の無機酸化物など)などを採用し得る。
<<1-2. Inorganic oxide≫
Any appropriate inorganic oxide can be adopted as the inorganic oxide as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such inorganic oxides include particulate inorganic oxides (inorganic oxide particles), non-particulate inorganic oxides (e.g., fibrous inorganic oxides, thin film inorganic oxides, etc.), and the like. can be adopted.
本発明にいう「無機酸化物」の例としては、その一部が酸化された金属、好ましくは、その表面の少なくとも一部が酸化された金属も含まれる。後述するように、金属は、一般に、その一部、好ましくは、その表面の少なくとも一部が酸化されているからである。 Examples of the "inorganic oxide" in the present invention include partially oxidized metals, preferably metals at least partially oxidized on the surface thereof. This is because metals are generally partially oxidized, preferably at least partially on the surface, as will be described later.
本発明にいう「無機酸化物」としては、具体的には、例えば、シリカ、アルミナ、チタニア、ポリ酸、その一部が酸化された金属(好ましくは、その表面の少なくとも一部が酸化された金属)などが挙げられる。 Specific examples of the "inorganic oxide" in the present invention include, for example, silica, alumina, titania, polyacid, and partially oxidized metal (preferably, at least a portion of the surface of which is oxidized). metal) and the like.
本発明にいう「無機酸化物」は、その形状を問わず(すなわち、例えば、無機酸化物粒子であっても、非粒子状の無機酸化物であっても)、全体が無機酸化物である実施形態であってもよいし、一部が無機酸化物である実施形態であってもよい。一部が無機酸化物である実施形態としては、好ましくは、表面に無機酸化物を有する実施形態である。 The "inorganic oxide" referred to in the present invention is an inorganic oxide as a whole, regardless of its shape (that is, whether it is an inorganic oxide particle or a non-particulate inorganic oxide). It may be an embodiment, or an embodiment in which a portion is an inorganic oxide. Embodiments in which a portion is an inorganic oxide are preferably embodiments having an inorganic oxide on the surface.
一部が無機酸化物である実施形態(好ましくは、表面に無機酸化物を有する実施形態)としては、その形状を問わず、例えば、その一部が酸化された金属(好ましくは、その表面の少なくとも一部が酸化された金属)が挙げられる。金属は、酸素の存在下によってその一部(好ましくは、その表面の少なくとも一部)が酸化され得る。したがって、本発明でいう無機酸化物の一形態である「表面に無機酸化物を有する実施形態」には、その形状を問わず、その表面の少なくとも一部が酸化された金属が含まれる。 Embodiments in which a portion is an inorganic oxide (preferably, embodiments having an inorganic oxide on the surface) include, regardless of the shape thereof, for example, a metal partially oxidized (preferably, the surface thereof is at least partially oxidized metals). A portion of the metal (preferably at least a portion of its surface) can be oxidized in the presence of oxygen. Therefore, the "embodiment having an inorganic oxide on the surface", which is one form of the inorganic oxide referred to in the present invention, includes a metal having at least a portion of its surface oxidized regardless of its shape.
無機酸化物として無機酸化物粒子を用いる場合、化合物(A)と無機酸化物を含む組成物を加熱する加熱工程(I)によって、代表的には、無機酸化物粒子を多数含む塊状の有機無機複合体が得られ得る(この場合、解砕などによって粒子状の有機無機複合体を得ることができ得る)。しかしながら、化合物(A)と無機酸化物の配合割合を調整することにより、化合物(A)と無機酸化物を含む組成物を加熱する加熱工程(I)によって、粒子状の有機無機複合体が得られる場合もある。 When inorganic oxide particles are used as the inorganic oxide, the heating step (I) for heating the composition containing the compound (A) and the inorganic oxide typically yields massive organic inorganic particles containing a large number of inorganic oxide particles. A composite can be obtained (in this case, a particulate organic-inorganic composite can be obtained by pulverization or the like). However, by adjusting the blending ratio of the compound (A) and the inorganic oxide, a particulate organic-inorganic composite is obtained by the heating step (I) of heating the composition containing the compound (A) and the inorganic oxide. Sometimes it is.
無機酸化物として繊維状の無機酸化物を用いる場合は、例えば、後述するコアシェル粒子の代わりに繊維状のコアシェル繊維が得られ得る。また、繊維状の無機酸化物を用いる場合は、例えば、後述する中空炭素微粒子の代わりにチューブ状の中空炭素材料が得られ得る。 When a fibrous inorganic oxide is used as the inorganic oxide, for example, fibrous core-shell fibers can be obtained instead of the core-shell particles described later. Further, when fibrous inorganic oxides are used, for example, tubular hollow carbon materials can be obtained instead of hollow carbon fine particles described later.
無機酸化物として薄膜状の無機酸化物を用いる場合は、化合物(A)と無機酸化物を含む組成物を加熱する加熱工程(I)によって、例えば、積層状の有機無機複合体が得られ得る。また、このような積層状の有機無機複合体に対して、さらに、後述する加熱工程(II)や炭素材料除去工程や無機酸化物除去工程などを施すことにより、例えば、薄膜状の各種炭素材料が得られ得る。 When a thin-film inorganic oxide is used as the inorganic oxide, for example, a laminated organic-inorganic composite can be obtained by the heating step (I) of heating the composition containing the compound (A) and the inorganic oxide. . Further, by subjecting such a laminated organic-inorganic composite to a heating step (II), a carbon material removing step, an inorganic oxide removing step, etc., which will be described later, for example, various thin film carbon materials can be obtained.
無機酸化物の分解温度は、本発明の効果をより発現させ得る点で、好ましくは800℃以上であり、より好ましくは850℃以上であり、さらに好ましくは900℃以上であり、特に好ましくは950℃以上である。 The decomposition temperature of the inorganic oxide is preferably 800° C. or higher, more preferably 850° C. or higher, still more preferably 900° C. or higher, and particularly preferably 950° C. or higher, from the viewpoint that the effects of the present invention can be more exhibited. °C or higher.
本発明において、本発明の効果をより発現させ得る点で、無機酸化物としては無機酸化物粒子が好ましい。 In the present invention, inorganic oxide particles are preferable as the inorganic oxide in that the effects of the present invention can be exhibited more effectively.
本明細書にいう「無機酸化物粒子」としては、好ましくは、粒子全体が無機酸化物である粒子、または、粒子の一部が無機酸化物である粒子である。粒子の一部が無機酸化物である粒子としては、表面に無機酸化物を有する粒子が好ましい。本明細書にいう「無機酸化物粒子」としては、より好ましくは、粒子全体が無機酸化物である粒子である。 The “inorganic oxide particles” used in this specification are preferably particles whose whole particles are inorganic oxides, or particles whose particles are partially inorganic oxides. Particles having an inorganic oxide on their surface are preferable as the particles partially composed of an inorganic oxide. The "inorganic oxide particles" referred to in this specification are more preferably particles whose whole particles are inorganic oxides.
粒子の一部が無機酸化物である粒子(好ましくは、表面に無機酸化物を有する粒子)の例としては、例えば、その一部が酸化された金属粒子(好ましくは、その表面の少なくとも一部が酸化された金属粒子)が挙げられる。金属粒子は、酸素の存在下によってその一部(好ましくは、その表面の少なくとも一部)が酸化され得る。したがって、本発明でいう無機酸化物粒子の一形態である「表面に無機酸化物を有する粒子」には、その表面の少なくとも一部が酸化された金属粒子が含まれる。 Examples of particles partially composed of an inorganic oxide (preferably particles having an inorganic oxide on the surface) include, for example, metal particles partially oxidized (preferably, at least a portion of the surface are oxidized metal particles). A portion of the metal particles (preferably at least a portion of the surface thereof) can be oxidized in the presence of oxygen. Therefore, the "particles having an inorganic oxide on their surface", which is one form of the inorganic oxide particles in the present invention, include metal particles having at least a portion of the surface oxidized.
金属粒子以外の無機酸化物粒子(例えば、シリカ粒子、アルミナ粒子、チタニア粒子など)は、粒子全体が無機酸化物である粒子である場合だけでなく、粒子の一部が無機酸化物である粒子(好ましくは、表面に無機酸化物を有する粒子)である場合もあり得る。すなわち、例えば、シリカ粒子を例に挙げると、シリカ粒子は、粒子全体がシリカである場合だけでなく、粒子の一部がシリカである粒子(好ましくは、表面にシリカを有する粒子)である場合もあり得る。 Inorganic oxide particles other than metal particles (e.g., silica particles, alumina particles, titania particles, etc.) are not only particles in which the whole particle is an inorganic oxide, but also particles in which a part of the particle is an inorganic oxide. (preferably particles having an inorganic oxide on the surface). That is, for example, taking silica particles as an example, silica particles are not only the case where the whole particle is silica, but also the case where a part of the particle is silica (preferably a particle having silica on the surface). It is possible.
無機酸化物粒子の平均粒子径は、目的によって適宜設定され得る。本発明の効果をより発現させ得る点で、無機酸化物粒子の平均粒子径は、好ましくは0.01μm~100μmであり、特に好ましくは0.1μm~10μmである。 The average particle size of the inorganic oxide particles can be appropriately set depending on the purpose. The average particle size of the inorganic oxide particles is preferably from 0.01 μm to 100 μm, and particularly preferably from 0.1 μm to 10 μm, from the viewpoint that the effects of the present invention can be exhibited more effectively.
無機酸化物粒子の平均粒子径は、体積基準の粒度分布における平均粒子径であり、レーザー回折散乱法で測定することが好ましい。 The average particle size of the inorganic oxide particles is the average particle size in a volume-based particle size distribution, and is preferably measured by a laser diffraction scattering method.
本発明の効果をより発現させ得る点で、無機酸化物粒子は、好ましくは、表面に官能基を有する無機酸化物粒子である。このような官能基としては、例えば、M-OHのようなヒドロキシル性官能基;M-O-Mのようなエーテル性官能基を含む酸素官能基;M-NHX(Xは0~3)、M-NHX-Mのようなアミン性官能基を含む窒素官能基;M-SH、M-S-Mのようなチオール性官能基を含む硫黄官能基;その他、ケイ素官能基、ホウ素官能基、リン官能基など;等が挙げられる(Mは、官能基が結合する対象を概念的に示したものであり、無機酸化物そのものや有機基など、官能基が結合できる任意の適切な対象を示す)。これらの官能基は、無機酸化物に各種化合物を表面処理する等で容易に形成できる。これらの中でも、無機酸化物粒子としては、好ましくは、表面に酸素官能基を有する無機酸化物粒子である。 The inorganic oxide particles are preferably inorganic oxide particles having a functional group on the surface, from the viewpoint that the effects of the present invention can be exhibited more effectively. Such functional groups include, for example, hydroxyl functional groups such as M-OH; oxygen functional groups including etheric functional groups such as MOM; M-NHX (where X is 0-3); Nitrogen functional groups containing amine functional groups such as M-NHX-M; Sulfur functional groups containing thiol functional groups such as M-SH, MSM; Others, silicon functional groups, boron functional groups, Phosphorus functional group; ). These functional groups can be easily formed by surface-treating the inorganic oxide with various compounds. Among these, inorganic oxide particles having an oxygen functional group on the surface are preferable as the inorganic oxide particles.
無機酸化物として表面に官能基を有する無機酸化物粒子を採用すれば、本発明の有機無機複合体において、無機酸化物粒子の表面に存在する官能基が、炭素材料と結合を形成し得る。このような結合に寄与している炭素材料の領域(炭素材料結合領域)は、炭素材料そのものではない。すなわち、図1に示すように、本発明の有機無機複合体の一つの好ましい実施形態において、有機無機複合体100は、マトリックスとしての炭素材料10中に複数の無機酸化物粒子20が分散したものであり、炭素材料10と無機酸化物粒子20との界面には、炭素材料が無機酸化物粒子20の表面に存在する官能基と結合を形成して生じた炭素材料の領域(炭素材料結合領域)30が存在している。そうすると、例えば、炭素材料が溶媒に可溶である場合には、有機無機複合体100を、炭素材料を溶解する溶媒によって処理すると、図2に示すように、無機酸化物粒子20の表面に炭素材料結合領域(溶媒によって溶解しない領域)30がコーティングされたコアシェル粒子(コア部分:無機酸化物粒子、シェル部分:炭素材料結合領域)200が得られ得る。こうして得られるコアシェル粒子200からコア部分としての無機酸化物粒子20を除去すると、炭素材料を有する中空炭素微粒子が得られ得る。
If inorganic oxide particles having a functional group on the surface are employed as the inorganic oxide, the functional group present on the surface of the inorganic oxide particle can form a bond with the carbon material in the organic-inorganic composite of the present invention. The region of the carbon material that contributes to such bonding (carbon material bonding region) is not the carbon material itself. That is, as shown in FIG. 1, in one preferred embodiment of the organic-inorganic composite of the present invention, the organic-
表面に官能基を有する無機酸化物粒子としては、好ましくは、シリカ粒子、アルミナ粒子、チタニア粒子、ポリ酸粒子、その表面の少なくとも一部が酸化された金属粒子からなる群から選ばれる少なくとも1種である。表面に官能基を有する無機酸化物粒子として、シリカ粒子、アルミナ粒子、チタニア粒子、ポリ酸粒子、その表面の少なくとも一部が酸化された金属粒子からなる群から選ばれる少なくとも1種を採用すれば、無機酸化物粒子の表面に存在する官能基が、炭素材料と結合をより形成し得る。 The inorganic oxide particles having functional groups on their surfaces are preferably at least one selected from the group consisting of silica particles, alumina particles, titania particles, polyacid particles, and metal particles having at least part of their surfaces oxidized. is. As the inorganic oxide particles having functional groups on their surfaces, at least one selected from the group consisting of silica particles, alumina particles, titania particles, polyacid particles, and metal particles having at least a portion of their surfaces oxidized may be employed. , the functional groups present on the surface of the inorganic oxide particles can form more bonds with the carbon material.
表面に官能基を有する無機酸化物粒子としては、より好ましくは、ポリ酸粒子である。ポリ酸粒子を構成するポリ酸としては、イソポリ酸、ヘテロポリ酸が挙げられる。前述の通り、化合物(A)を用いると触媒効果を利用することなく炭素材料含有材料を得ることができるが、特に、表面に官能基を有する無機酸化物粒子としてポリ酸粒子を採用すると、強酸性の触媒効果と表面官能基の存在が相まって、本発明の有機無機複合体とした場合に、脱水縮合反応が促進されC-O結合の総量に対する、-OH基と-O-基の合計量の割合が高くなり、高い構造制御率を有し得る。 The inorganic oxide particles having functional groups on their surfaces are more preferably polyacid particles. Examples of polyacids constituting polyacid particles include isopolyacids and heteropolyacids. As described above, when the compound (A) is used, a carbon material-containing material can be obtained without using a catalytic effect. When the organic-inorganic composite of the present invention is formed by the combination of the catalytic effect and the presence of the surface functional group, the dehydration condensation reaction is promoted and the total amount of —OH groups and —O— groups relative to the total amount of CO bonds. can have a high ratio of structural control.
イソポリ酸としては、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切なイソポリ酸を採用し得る。このようなイソポリ酸としては、例えば、モリブテン、バナジウム、タングステン、ニオブ、チタン、タンタル、クロム、マンガン、レニウム、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、スズ、チタン、ジルコニウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、亜鉛等の無機元素を主体とする無機酸およびそれらの塩が挙げられ、代表的には、モリブデン酸、バナジウム酸、タングステン酸、ニオブ酸、チタン酸、タンタル酸などが挙げられる。 As the isopolyacid, any suitable isopolyacid can be employed as long as the effects of the present invention are not impaired. Such isopolyacids include, for example, molybdenum, vanadium, tungsten, niobium, titanium, tantalum, chromium, manganese, rhenium, iron, ruthenium, cobalt, nickel, palladium, platinum, copper, silver, gold, tin, titanium, Inorganic acids mainly composed of inorganic elements such as zirconium, rhodium, iridium, osmium, zinc, etc., and salts thereof, typically molybdic acid, vanadic acid, tungstic acid, niobic acid, titanic acid, tantalic acid, etc. are mentioned.
ヘテロポリ酸としては、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の適切なヘテロポリ酸を採用し得る。このようなヘテロポリ酸としては、例えば、イソポリ酸またはその金属塩にヘテロ原子を導入したものが挙げられる。ヘテロ原子としては、例えば、酸素、硫黄、リン、アンモニウム、カリウム、ナトリウム、ケイ素などが挙げられる。ヘテロポリ酸は水和物であってよい。 As the heteropolyacid, any appropriate heteropolyacid can be adopted as long as the effects of the present invention are not impaired. Such heteropolyacids include, for example, isopolyacids or metal salts thereof into which heteroatoms have been introduced. Heteroatoms include, for example, oxygen, sulfur, phosphorus, ammonium, potassium, sodium, silicon, and the like. Heteropolyacids may be hydrates.
ヘテロポリ酸としては、具体的には、例えば、タングステンを含むイソポリ酸にヘテロ原子を導入してなるタングステン系ヘテロポリ酸や、モリブデンを含むイソポリ酸にヘテロ原子を導入してなるモリブデン系ヘテロポリ酸などが挙げられる。 Specific examples of the heteropolyacid include a tungsten-based heteropolyacid obtained by introducing a heteroatom into an isopolyacid containing tungsten, a molybdenum-based heteropolyacid obtained by introducing a heteroatom into an isopolyacid containing molybdenum, and the like. mentioned.
タングステン系ヘテロポリ酸としては、例えば、リンタングステン酸、ケイタングステン酸、コバルトタングステン酸、ゲルマノタングステン酸、ホウタングステン酸、リンバナドタングステン酸、リンタングストモリブデン酸などが挙げられる。 Examples of the tungsten-based heteropolyacid include phosphotungstic acid, silicotungstic acid, cobalt tungstic acid, germanotungstic acid, borotungstic acid, phosphovanadotungstic acid, and phosphotungstomolybdic acid.
モリブデン系ヘテロポリ酸としては、例えば、リンモリブデン酸、ケイモリブデン酸、リンバナドモリブデン酸などが挙げられる。 Examples of molybdenum-based heteropoly acids include phosphomolybdic acid, silicomolybdic acid, and phosphovanadomolybdic acid.
≪≪2.有機無機複合体の応用≫≫
本発明の有機無機複合体は、様々な応用展開が可能である。このような応用展開によって得られる代表的なものは、炭素材料含有粒子である。炭素材料含有粒子としては、代表的には、コアシェル粒子、高炭素化コアシェル粒子、中空炭素微粒子、高炭素化中空炭素微粒子などが挙げられる。
<<<2. Applications of organic-inorganic composites>>>>
The organic-inorganic composite of the present invention can be applied in various ways. Carbon material-containing particles are a representative product obtained through such development of applications. Typical carbon material-containing particles include core-shell particles, highly carbonized core-shell particles, hollow carbon microparticles, and highly carbonized hollow carbon microparticles.
≪2-1.コアシェル粒子≫
コアシェル粒子は、本発明の有機無機複合体を製造する際において、加熱工程(I)の後、化合物(A)の加熱によって生成する炭素材料の少なくとも一部を除去する炭素材料除去工程に付すことによって製造し得る。すなわち、加熱工程(I)を経て本発明の有機無機複合体を製造した後、本発明の有機無機複合体に含まれる炭素材料の少なくとも一部を除去する炭素材料除去工程に付すことによって製造し得る。炭素材料除去工程においては、本発明の有機無機複合体に含まれる炭素材料を溶解する溶媒によって処理する。これにより、図2に示すように、無機酸化物粒子20の表面に炭素材料結合領域(溶媒によって溶解しない領域)30がコーティングされたコアシェル粒子(コア部分:無機酸化物粒子、シェル部分:炭素材料結合領域)200が得られ得る。
<<2-1. Core-shell particles≫
In the production of the organic-inorganic composite of the present invention, the core-shell particles are subjected to a carbon material removal step of removing at least part of the carbon material generated by heating the compound (A) after the heating step (I). can be manufactured by That is, after producing the organic-inorganic composite of the present invention through the heating step (I), it is produced by subjecting it to a carbon material removal step of removing at least part of the carbon material contained in the organic-inorganic composite of the present invention. obtain. In the carbon material removing step, the treatment is performed with a solvent that dissolves the carbon material contained in the organic-inorganic composite of the present invention. As a result, as shown in FIG. 2, a core-shell particle (core part: inorganic oxide particle, shell part: carbon material binding area) 200 can be obtained.
溶媒としては、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、テトラヒドロフラン、メタノール、エタノール、2-プロパノール、ブタノール、クロロホルム、ジクロロメタン等が挙げられ、好ましくは、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、クロロホルムであり、より好ましくはN,N-ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリドンであり、特に好ましくはN-メチルピロリドンである。 Examples of solvents include N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, tetrahydrofuran, methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, chloroform, Examples include dichloromethane and the like, preferably N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethylsulfoxide and chloroform, more preferably N,N-dimethylformamide and N-methylpyrrolidone. and particularly preferably N-methylpyrrolidone.
≪2-2.高炭素化コアシェル粒子≫
高炭素化コアシェル粒子は、本発明の有機無機複合体を製造する際において、加熱工程(I)の後、炭素材料除去工程を続いて行った後、さらに加熱する加熱工程(II)に付すことによって製造し得る。すなわち、炭素材料除去工程によって得られるコアシェル粒子(コア部分:無機酸化物粒子、シェル部分:炭素材料結合領域)をさらに加熱する。この加熱工程(II)により、シェル部分を高炭素化させ得る。これにより、高炭素化コアシェル粒子(コア部分:無機酸化物粒子、シェル部分:高炭素化物)が得られ得る。高炭素化することで、得られた高炭素化コアシェル粒子の強度や耐熱性を向上することができる。
<<2-2. High-carbon core-shell particles>>
When producing the organic-inorganic composite of the present invention, the highly carbonized core-shell particles are subjected to the heating step (II) in which the heating step (I) is followed by the carbon material removal step and then the heating step (II). can be manufactured by That is, the core-shell particles (core portion: inorganic oxide particles, shell portion: carbon material bonding region) obtained by the carbon material removing step are further heated. This heating step (II) can carbonize the shell portion. Thereby, highly carbonized core-shell particles (core portion: inorganic oxide particles, shell portion: highly carbonized material) can be obtained. By increasing the carbon content, the strength and heat resistance of the obtained highly carbonized core-shell particles can be improved.
加熱工程(II)における加熱温度は、コアの無機成分が耐えられる温度内であればよいが、具体的な加熱温度として、好ましくは500℃~3000℃であり、より好ましくは600℃~2500℃であり、最も好ましくは700℃~2000℃である。加熱工程(II)における加熱温度を上記範囲に調整することにより、シェル部分を効果的に高炭素化させることができる。 The heating temperature in the heating step (II) may be within a temperature range that the inorganic component of the core can withstand, and the specific heating temperature is preferably 500°C to 3000°C, more preferably 600°C to 2500°C. and most preferably 700°C to 2000°C. By adjusting the heating temperature in the heating step (II) within the above range, the shell portion can be effectively carbonized.
加熱工程(II)における加熱時間は、具体的な加熱時間として、好ましくは0.1時間~120時間であり、より好ましくは0.5時間~100時間であり、さらに好ましくは1時間~50時間であり、最も好ましくは2時間~24時間である。加熱時間を上記範囲に調整することにより、シェル部分を効果的に高炭素化させることができる。 The specific heating time in the heating step (II) is preferably 0.1 to 120 hours, more preferably 0.5 to 100 hours, and still more preferably 1 to 50 hours. and most preferably from 2 hours to 24 hours. By adjusting the heating time within the above range, the shell portion can be effectively carbonized.
≪2-3.中空炭素微粒子≫
中空炭素微粒子は、本発明の有機無機複合体を製造する際において、加熱工程(I)の後、無機酸化物を除去する無機酸化物除去工程を含むことによって製造し得る(製造形態1)。すなわち、加熱工程(I)を経て有機無機複合体を製造した後、該有機無機複合体に含まれる無機酸化物を除去する無機酸化物除去工程に付すことによって製造し得る。
<<2-3. Hollow carbon microparticles≫
Hollow carbon microparticles can be produced by including an inorganic oxide removal step of removing inorganic oxides after the heating step (I) when producing the organic-inorganic composite of the present invention (manufacturing mode 1). That is, it can be produced by producing an organic-inorganic composite through the heating step (I) and then subjecting it to an inorganic oxide removal step for removing inorganic oxides contained in the organic-inorganic composite.
中空炭素微粒子は、また、本発明の有機無機複合体を製造する際において、加熱工程(I)の後、炭素材料除去工程を続いて行った後、無機酸化物を除去する無機酸化物除去工程を含むことによっても製造し得る(製造形態2)。すなわち、加熱工程(I)、およびそれに続く炭素材料除去工程を経てコアシェル粒子を製造した後、該コアシェル粒子に含まれる無機酸化物を除去する無機酸化物除去工程に付すことによって製造し得る。 In the production of the organic-inorganic composite of the present invention, the hollow carbon microparticles are also subjected to the inorganic oxide removal step of removing the inorganic oxide after the heating step (I) and the carbon material removal step. (Manufacturing Form 2). That is, after manufacturing the core-shell particles through the heating step (I) and the subsequent carbon material removing step, the core-shell particles can be produced by subjecting them to an inorganic oxide removing step for removing inorganic oxides contained in the core-shell particles.
無機酸化物除去工程における無機酸化物の除去の方法は、例えば、炭素材料が溶解されずに無機酸化物を溶解できる溶剤で除去する方法が挙げられる。上記のような溶解特性をもつ溶剤としては、特に限定はされないが、水系溶剤が好ましい。このように水系溶剤が好ましい理由としては、本発明の製造方法で製造される有機無機複合体に含まれる炭素材料は水に溶けにくく、一方、無機酸化物は水(特に酸性水や塩基性水)に溶けるものが多いためである。水系溶剤としては、例えば、硫酸、塩酸、硝酸等の酸性水溶液;水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア等の塩基性水溶液;などが挙げられる。また、除去工程において、温度は、特に限定はされないが、水系溶剤の溶解特性を効果的に発現させ得る点で、好ましくは0℃~150℃であり、より好ましくは20℃~100℃である。さらに、除去工程の物理的な処理としては、特に限定はされないが、除去性を効果的に発現させ得る点で、好ましくは、静置、撹拌、超音波処理、せん断操作であり、より好ましくは、撹拌、超音波処理、せん断操作である。 Examples of the method of removing the inorganic oxide in the inorganic oxide removing step include a method of removing with a solvent capable of dissolving the inorganic oxide without dissolving the carbon material. The solvent having the dissolution properties as described above is not particularly limited, but a water-based solvent is preferable. The reason why water-based solvents are preferable is that the carbon material contained in the organic-inorganic composite produced by the production method of the present invention is difficult to dissolve in water, while the inorganic oxide is water (especially acidic water or basic water). ) is soluble in Examples of aqueous solvents include acidic aqueous solutions such as sulfuric acid, hydrochloric acid, and nitric acid; basic aqueous solutions such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, and ammonia; and the like. In the removal step, the temperature is not particularly limited, but is preferably 0° C. to 150° C., more preferably 20° C. to 100° C. in terms of effectively expressing the dissolution characteristics of the aqueous solvent. . Furthermore, the physical treatment in the removal step is not particularly limited, but from the point of being able to effectively express the removability, it is preferably standing, stirring, ultrasonic treatment, shearing operation, and more preferably , agitation, sonication, and shearing operations.
≪2-4.高炭素化中空炭素微粒子≫
高炭素化中空炭素微粒子は、本発明の有機無機複合体を製造する際において、加熱工程(I)の後、無機酸化物除去工程を続いて行った後、さらに加熱する加熱工程(II)を含むことによって製造し得る。すなわち、上述の製造形態1で得られる中空炭素微粒子をさらに加熱する。この加熱工程(II)により、炭素材料部分を高炭素化させ得る。これにより、高炭素化中空炭素微粒子が得られ得る。高炭素化することで、得られた炭素材料または炭素材料複合体の強度や耐熱性を向上することができる。
<<2-4. High Carbon Hollow Carbon Fine Particles≫
When producing the organic-inorganic composite of the present invention, the high-carbon hollow carbon fine particles are subjected to the heating step (II) of further heating after the heating step (I), followed by the inorganic oxide removal step. can be produced by including That is, the hollow carbon microparticles obtained in the
高炭素化中空炭素微粒子は、また、本発明の有機無機複合体を製造する際において、加熱工程(I)の後、炭素材料除去工程を続いて行った後、さらに無機酸化物除去工程を続いて行った後、さらに加熱する加熱工程(II)を含むことによって製造し得る。すなわち、上述の製造形態2で得られる中空炭素微粒子をさらに加熱する。この加熱工程(II)により、炭素材料部分を高炭素化させ得る。
In the production of the organic-inorganic composite of the present invention, the high-carbon hollow carbon fine particles are also subjected to the heating step (I), the carbon material removal step, and the inorganic oxide removal step. After that, it can be produced by including a heating step (II) of further heating. That is, the hollow carbon microparticles obtained in the
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例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「質量部」を、「%」は「質量%」を意味する。また、本明細書において、「質量」は「重量」と読み替えても良い。ただし、本明細書中のC1sXPSに係る部分の%は原子%を意味する。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Unless otherwise specified, "parts" means "parts by mass" and "%" means "% by mass". Moreover, in this specification, "mass" may be read as "weight". However, % in the portion relating to C1sXPS in this specification means atomic %.
<ラマン分光分析>
ラマン分光分析は以下の装置、条件により行った。
測定装置:顕微ラマン(日本分光NRS-3100)
測定条件:532nmレーザー使用、対物レンズ20倍、CCD取り込み時間1秒、積算64回(分解能=4cm-1)
なおラマン分析においてG’バンド、D+D’バンドは重なって現れることがあり、D+D’バンドが特にショルダーを持つブロードなピークとして分析されることがある。この場合はショルダーピークの変曲点をG’バンドのピークとみなす。
<Raman spectroscopic analysis>
Raman spectroscopic analysis was performed using the following equipment and conditions.
Measuring device: Microscopic Raman (JASCO NRS-3100)
Measurement conditions: Use of 532 nm laser, 20x objective lens, CCD capture time of 1 second, integration 64 times (resolution = 4 cm-1)
In Raman analysis, the G' band and the D+D' band may overlap, and the D+D' band may be analyzed as a broad peak having a shoulder. In this case, the point of inflection of the shoulder peak is regarded as the peak of the G' band.
<XRD分析>
XRD測定は、全自動水平型X線回折装置(リガク社製、SMART LAB)を用いて、以下の条件により行った。
CuKα1線:0.15406nm
走査範囲:10°-90°
X線出力設定:45kV-200mA
ステップサイズ:0.020°
スキャン速度:0.5°min-1-4°min-1
なお、XRD測定は、試料をグローブボックス中にて気密試料台に装填することにより、不活性雰囲気を保った状態で行った。
<XRD analysis>
The XRD measurement was performed under the following conditions using a fully automatic horizontal X-ray diffractometer (SMART LAB manufactured by Rigaku Corporation).
CuKα1 line: 0.15406 nm
Scan range: 10°-90°
X-ray output setting: 45kV-200mA
Step size: 0.020°
Scanning speed: 0.5°min -1 -4°min -1
The XRD measurement was performed in a state in which an inert atmosphere was maintained by loading the sample onto an airtight sample table in a glove box.
<C1sXPS分析>
C1sXPS測定は、光電子分光装置(AXIS-ULTRA、島津製作所製)を用いて、以下の条件により行った。
ソース:Mg(デュアルノード)
エミッション:10mA
アノード:10kV
アナライザー:Pass Energy:40
測定範囲:C1s:296~270eV
積算回数:10回
解析条件:C1s軌道に由来するピークを官能基ごとに、下記に記載のエネルギーでピーク分離し、各面積から割合を算出した。官能基の種類は(1)-COO-、ラクトン、および一部のケトン@288.3eV、(2)C=Oおよびエポキシ基@286.2eV、(3)C-OHおよびC-O-C@285.6eV、(4)6員環性C=C@284.3eV、(5)C-C、C-Hおよび5員環性C=C@283.6eVの5ピークで分離した。ただし、割合算出上(4)と(5)はまとめて計算した。なおC1sXPSに係る部分の%は原子%を意味する。なお、表には、(1)、(2)、(3)のそれぞれに対応するピークの割合を(A)、(B)、(C)で示し、(4)および(5)に対応するピークの合計割合を(D)で示した。
<C1s XPS analysis>
C1sXPS measurement was performed under the following conditions using a photoelectron spectrometer (AXIS-ULTRA, manufactured by Shimadzu Corporation).
Source: Mg (dual node)
Emission: 10mA
Anode: 10 kV
Analyzer: Pass Energy: 40
Measurement range: C1s: 296-270eV
Accumulation times: 10 Analysis conditions: Peaks derived from the C1s orbital were separated for each functional group with the energy described below, and the ratio was calculated from each area. The types of functional groups are (1) -COO-, lactones, and some ketones @ 288.3 eV, (2) C=O and epoxy groups @ 286.2 eV, (3) C-OH and C-O-C @ 285.6 eV, (4) 6-membered ring C=C @ 284.3 eV, (5) CC, CH and 5-membered ring C=C @ 283.6 eV. However, (4) and (5) were collectively calculated for the ratio calculation. Note that % in the portion related to C1sXPS means atomic %. In the table, the proportions of peaks corresponding to (1), (2), and (3) are indicated by (A), (B), and (C), and correspond to (4) and (5). The total percentage of peaks is shown in (D).
<TG-DTA分析>
TG-DTA分析は、以下の装置、条件により行った。
測定装置:示唆熱熱重量同時測定装置(セイコーインスツルメンツ社製、TG/DTA6200)
化合物(A)の縮合反応温度は、下記のように行った。
(1)化合物(A)として1種の化合物を用いる場合には、化合物(A)のTG-DTA分析を、窒素ガス雰囲気下、40℃から、昇温速度10℃/分で昇温し、DTAの最も低温側のピークトップ温度を化合物(A)の縮合反応温度(T℃)と決定した。
(2)化合物(A)として2種以上の化合物の混合物を用いる場合には、該混合物のTG-DTA分析を、窒素ガス雰囲気下、40℃から、昇温速度10℃/分で昇温し、DTAの最も低温側のピークトップ温度を化合物(A)(2種以上の化合物の混合物)の縮合反応温度(T℃)と決定した。
有機無機複合体の酸化開始温度は、空気雰囲気下、40℃から、昇温速度10℃/分で行い、DTAの立ち上がり温度のうち、最も低温側のDTAの立ち上がり温度より推定した。
<TG-DTA analysis>
TG-DTA analysis was performed using the following equipment and conditions.
Measuring device: Suggestive thermogravimetric simultaneous measuring device (TG/DTA6200, manufactured by Seiko Instruments Inc.)
The condensation reaction temperature of compound (A) was performed as follows.
(1) When one type of compound is used as compound (A), TG-DTA analysis of compound (A) is performed by heating from 40° C. at a temperature increase rate of 10° C./min in a nitrogen gas atmosphere, The peak top temperature on the lowest temperature side of DTA was determined as the condensation reaction temperature (T° C.) of compound (A).
(2) When a mixture of two or more compounds is used as compound (A), TG-DTA analysis of the mixture is performed by heating from 40° C. at a heating rate of 10° C./min in a nitrogen gas atmosphere. , the peak top temperature on the lowest temperature side of DTA was determined as the condensation reaction temperature (T° C.) of compound (A) (mixture of two or more compounds).
The oxidation start temperature of the organic-inorganic composite was performed in an air atmosphere from 40° C. at a temperature increase rate of 10° C./min, and was estimated from the lowest DTA rise temperature among the DTA rise temperatures.
<IR分析>
FT-IR分析は以下の装置、条件により行った。
測定装置:フーリエ変換赤外分光光度計(日本分光製FT/IR-4200)
測定条件:拡散反射(DRIFT)法、MCT検出器、分解能4cm-1、積算回数128回
サンプル条件:試料とKBrを重量比=1:50で混合したものを使用した。
<IR analysis>
FT-IR analysis was performed using the following equipment and conditions.
Measuring device: Fourier transform infrared spectrophotometer (FT/IR-4200 manufactured by JASCO Corporation)
Measurement conditions: Diffuse reflectance (DRIFT) method, MCT detector,
<分子量の測定>
分子量の測定は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC、東ソー株式会社製HLC-8220GPC)を用いて、各炭素材料が0.02質量%となるようN,N-ジメチルホルムアミド(0.1%LiBr含有)に混合し、1時間超音波処理後、PTFE製濾紙(0.45μm)に通して前処理したのち、濾液をN,N-ジメチルホルムアミド(0.1%LiBr含有)を展開溶媒に使用し、ポリスチレン換算で分子量を算出した。炭素材料中の最大分子量はピークの立ち上がり点から算出した。
<Measurement of molecular weight>
The molecular weight is measured using gel permeation chromatography (GPC, HLC-8220GPC manufactured by Tosoh Corporation), N,N-dimethylformamide (containing 0.1% LiBr) so that each carbon material is 0.02% by mass. After sonication for 1 hour, it was passed through a PTFE filter paper (0.45 μm) for pretreatment, and the filtrate was N,N-dimethylformamide (containing 0.1% LiBr) as a developing solvent. The molecular weight was calculated in terms of polystyrene. The maximum molecular weight in the carbon material was calculated from the rising point of the peak.
〔実施例1〕:フロログルシノール+シリカ粒子+250℃×1時間
フロログルシノール(東京化成工業株式会社製、融点:220℃、縮合反応温度:330℃):理論比表面積750m2/gがシリカ粒子に対して1.5層分となるようにシリカ粒子(富士シリシア化学株式会社製、商品名「Q-10HT60315」、比表面積259m2/g)と十分に混合した。
得られた混合物を石英アンプル管に真空封入した後、あらかじめ250℃に加熱していた電気炉にて1時間加熱した。
これにより、炭素材料(1A)と無機酸化物(1B)を含む有機無機複合体(1)を得た。
有機無機複合体(1)をNMP(N-メチルピロリドン)に分散させ、前述の手法により炭素成分の溶解性を確認したところ、溶媒に可溶であった。
得られた有機無機複合体(1)のC1sXPS分析の結果を図3(XPSスペクトル(C1s))、表1に示す。表1から、有機無機複合体(1)が炭素材料と無機酸化物を含む有機無機複合体であることがわかり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対する全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量の割合は26%であり、全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は62%であり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は16%であった。このことから、構造制御率が高いことがわかる。
フロログルシノールの、窒素ガス雰囲気下、10℃/分の昇温条件によってTG-DTA分析を行ったときの、温度50℃における初期重量M50に対する温度500℃における重量M500の重量比(M500/M50)が0.49であった。このことから、フロログルシノールは炭素化後も十分に無機酸化物上に存在し得ることがわかる。
得られた有機無機複合体(1)のTG-DTA分析におけるDTA分析の結果を図4に示す。図4によれば、有機無機複合体(1)は、空気雰囲気下、40℃から、10℃/分の昇温条件によってTG-DTA分析を行ったときの、DTAの立ち上がり温度で示される酸化開始温度が200℃であった。このことから、耐酸化性が高いことがわかる。
さらに、得られた有機無機複合体(1)のIR分析を行った結果を図5に示す。図5によれば、有機無機複合体(1)のIRスペクトルにおいては、C=O構造に由来する1660cm-1~1800cm-1にピークが無く、高く構造が制御できている。
さらに、得られた有機無機複合体(1)のラマンスペクトルを図6に示す。ラマンスペクトルにおいて1365cm-1、1590cm-1、2650cm-1、2835cm-1にピークを有することから、炭素材料(1A)はグラフェン構造を有し且つグラフェン構造が積層した構造の炭素系化合物を含む炭素材料であることがわかった。
以上のように、本発明によれば、溶媒に可溶であり、構造が精密に制御された、温和な条件で工業的に製造可能な有機無機複合体を提供することができる。
[Example 1]: phloroglucinol + silica particles + 250°C x 1 hour phloroglucinol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., melting point: 220°C, condensation reaction temperature: 330°C): theoretical specific surface area of 750 m 2 /g is silica Silica particles (manufactured by Fuji Silysia Chemical Co., Ltd., trade name “Q-10HT60315”, specific surface area 259 m 2 /g) were sufficiently mixed so as to form 1.5 layers with respect to the particles.
After the obtained mixture was vacuum-sealed in a quartz ampoule tube, it was heated in an electric furnace preheated to 250° C. for 1 hour.
As a result, an organic-inorganic composite (1) containing the carbon material (1A) and the inorganic oxide (1B) was obtained.
When the organic-inorganic composite (1) was dispersed in NMP (N-methylpyrrolidone) and the solubility of the carbon component was confirmed by the method described above, it was soluble in the solvent.
The results of C1sXPS analysis of the obtained organic-inorganic composite (1) are shown in FIG. 3 (XPS spectrum (C1s)) and Table 1. From Table 1, it can be seen that the organic-inorganic composite (1) is an organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide, and all carbon bonds (CC bonds, C=C bonds, CH bonds and C The ratio of the total amount of all carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds) to the total amount of -O bonds and C=O bonds) is 26%, and the total amount of carbon-oxygen bonds (C-O bonds The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C-O bonds and C=O bonds) is 62%, and all carbon bonds (C-C bonds and C=C bonds and The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C--H bonds, CO bonds and C=O bonds was 16%. From this, it can be seen that the structural control rate is high.
The weight ratio of the weight M500 at a temperature of 500° C. to the initial weight M50 at a temperature of 50° C. (M500/M50 ) was 0.49. From this, it can be seen that phloroglucinol can sufficiently exist on the inorganic oxide even after carbonization.
FIG. 4 shows the results of DTA analysis in TG-DTA analysis of the obtained organic-inorganic composite (1). According to FIG. 4, the organic-inorganic composite (1) was subjected to TG-DTA analysis under an air atmosphere with a temperature increase of 10 ° C./min from 40 ° C., and the oxidation indicated by the rising temperature of DTA. The starting temperature was 200°C. From this, it can be seen that the oxidation resistance is high.
Furthermore, FIG. 5 shows the results of IR analysis of the obtained organic-inorganic composite (1). According to FIG. 5, in the IR spectrum of the organic-inorganic composite (1), there is no peak at 1660 cm −1 to 1800 cm −1 derived from the C=O structure, and the structure is highly controlled.
Furthermore, FIG. 6 shows the Raman spectrum of the obtained organic-inorganic composite (1). Since the Raman spectrum has peaks at 1365 cm −1 , 1590 cm −1 , 2650 cm −1 and 2835 cm −1 , the carbon material (1A) has a graphene structure and includes a carbon-based compound having a structure in which the graphene structures are laminated. found to be the material
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an organic-inorganic composite that is soluble in a solvent, has a precisely controlled structure, and can be industrially produced under mild conditions.
〔実施例2〕フロログルシノール+アルミナ粒子+250℃×1時間
シリカ粒子をアルミナ粒子(一般社団法人触媒学会無償配布試料「JRC-ALO7」、比表面積180m2/g)に変更した以外は、実施例1と同様に行い、炭素材料(2A)と無機酸化物(2B)を含む有機無機複合体(2)を得た。
有機無機複合体(2)をNMP(N-メチルピロリドン)に分散させ、前述の手法により炭素成分の溶解性を確認したところ、溶媒に可溶であった。
得られた有機無機複合体(2)のC1sXPS分析の結果を図3(XPSスペクトル(C1s))、表1に示す。表1から、有機無機複合体(2)が炭素材料と無機酸化物を含む有機無機複合体であることがわかり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対する全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量の割合は29%であり、全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は59%であり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は17%であった。このことから、構造制御率が高いことがわかる。
得られた有機無機複合体(2)のTG-DTA分析におけるDTA分析の結果を図4に示す。図4によれば、有機無機複合体(2)は、空気雰囲気下、40℃から、10℃/分の昇温条件によってTG-DTA分析を行ったときの、DTAの立ち上がり温度で示される酸化開始温度が230℃であった。このことから、耐酸化性が高いことがわかる。
さらに、得られた有機無機複合体(2)のIR分析を行った結果を図5に示す。図5によれば、有機無機複合体(2)のIRスペクトルにおいては、C=O構造に由来する1660cm-1~1800cm-1にピークが存在しており、C1sXPSによる構造制御率は高いが、FT-IR分析による構造制御率はやや低い。
さらに、得られた有機無機複合体(2)のラマンスペクトルを図6に示す。ラマンスペクトルにおいて1340cm-1、1585cm-1、2650cm-1、2835cm-1にピークを有することから、炭素材料(2A)はグラフェン構造を有し且つグラフェン構造が積層した構造の炭素系化合物を含む炭素材料であることがわかった。
以上のように、本発明によれば、溶媒に可溶であり、構造が精密に制御された、温和な条件で工業的に製造可能な有機無機複合体を提供することができる。
[Example 2] Phloroglucinol + alumina particles + 250°C x 1 hour An organic-inorganic composite (2) containing a carbon material (2A) and an inorganic oxide (2B) was obtained in the same manner as in Example 1.
When the organic-inorganic composite (2) was dispersed in NMP (N-methylpyrrolidone) and the solubility of the carbon component was confirmed by the method described above, it was soluble in the solvent.
The results of C1sXPS analysis of the obtained organic-inorganic composite (2) are shown in FIG. 3 (XPS spectrum (C1s)) and Table 1. From Table 1, it can be seen that the organic-inorganic composite (2) is an organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide, and all carbon bonds (CC bonds, C=C bonds, CH bonds and C The ratio of the total amount of all carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds) to the total amount of -O bonds and C=O bonds) is 29%, and the total amount of carbon-oxygen bonds (C-O bonds The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C-O bonds and C=O bonds) is 59%, and all carbon bonds (C-C bonds and C=C bonds and The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C--H bonds, CO bonds and C=O bonds was 17%. From this, it can be seen that the structural control rate is high.
FIG. 4 shows the results of DTA analysis in TG-DTA analysis of the obtained organic-inorganic composite (2). According to FIG. 4, the organic-inorganic composite (2) was subjected to TG-DTA analysis under an air atmosphere from 40 ° C. under the condition of a temperature increase of 10 ° C./min, and oxidation indicated by the rising temperature of DTA. The starting temperature was 230°C. From this, it can be seen that the oxidation resistance is high.
Furthermore, FIG. 5 shows the results of IR analysis of the obtained organic-inorganic composite (2). According to FIG. 5, in the IR spectrum of the organic-inorganic composite (2), there is a peak at 1660 cm −1 to 1800 cm −1 derived from the C=O structure, and the structure control rate by C1sXPS is high. The structural control rate by FT-IR analysis is rather low.
Furthermore, FIG. 6 shows the Raman spectrum of the obtained organic-inorganic composite (2). Since the Raman spectrum has peaks at 1340 cm −1 , 1585 cm −1 , 2650 cm −1 and 2835 cm −1 , the carbon material (2A) has a graphene structure and a carbon-based compound having a structure in which the graphene structures are laminated. found to be the material
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an organic-inorganic composite that is soluble in a solvent, has a precisely controlled structure, and can be industrially produced under mild conditions.
〔実施例3〕フロログルシノール+チタニア粒子+250℃×1時間
シリカ粒子をチタニア粒子(一般社団法人触媒学会無償配布試料「JRC-TIO-4(2)」、比表面積50m2/g)に変更した以外は、実施例1と同様に行い、炭素材料(3A)と無機酸化物(3B)を含む有機無機複合体(3)を得た。
有機無機複合体(3)をNMP(N-メチルピロリドン)に分散させ、前述の手法により炭素成分の溶解性を確認したところ、溶媒に可溶であった。
得られた有機無機複合体(3)のC1sXPS分析の結果を図3(XPSスペクトル(C1s))、表1に示す。表1から、有機無機複合体(3)が炭素材料と無機酸化物を含む有機無機複合体であることがわかり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対する全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量の割合は27%であり、全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は56%であり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は15%であった。このことから、構造制御率が高いことがわかる。
得られた有機無機複合体(3)のTG-DTA分析におけるDTA分析の結果を図4に示す。図4によれば、有機無機複合体(3)は、空気雰囲気下、40℃から、10℃/分の昇温条件によってTG-DTA分析を行ったときの、DTAの立ち上がり温度で示される酸化開始温度が200℃であった。このことから、耐酸化性が高いことがわかる。
さらに、得られた有機無機複合体(3)のIR分析を行った結果を図5に示す。図5によれば、有機無機複合体(3)のIRスペクトルにおいては、C=O構造に由来する1660cm-1~1800cm-1にピークが存在しており、C1sXPSによる構造制御率は高いが、FT-IR分析による構造制御率はやや低い。
さらに、得られた有機無機複合体(3)のラマンスペクトルを図6に示す。ラマンスペクトルにおいて1340cm-1、1580cm-1、2650cm-1、2820cm-1にピークを有することから、炭素材料(3A)はグラフェン構造を有し且つグラフェン構造が積層した構造の炭素系化合物を含む炭素材料であることがわかった。
以上のように、本発明によれば、溶媒に可溶であり、構造が精密に制御された、温和な条件で工業的に製造可能な有機無機複合体を提供することができる。
[Example 3] Phloroglucinol + titania particles + 250 ° C. × 1 hour Silica particles were changed to titania particles (Catalysis Society of Japan free distribution sample "JRC-TIO-4 (2)", specific surface area 50 m 2 /g) An organic-inorganic composite (3) containing a carbon material (3A) and an inorganic oxide (3B) was obtained in the same manner as in Example 1 except that
When the organic-inorganic composite (3) was dispersed in NMP (N-methylpyrrolidone) and the solubility of the carbon component was confirmed by the method described above, it was soluble in the solvent.
The results of C1sXPS analysis of the obtained organic-inorganic composite (3) are shown in FIG. 3 (XPS spectrum (C1s)) and Table 1. From Table 1, it can be seen that the organic-inorganic composite (3) is an organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide, and all carbon bonds (CC bonds, C=C bonds, CH bonds and C The ratio of the total amount of all carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds) to the total amount of -O bonds and C=O bonds) is 27%, and the total amount of carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds), the ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount is 56%, and the total amount of carbon bonds (CC bonds and C=C bonds and The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C--H bonds, CO bonds and C═O bonds) was 15%. From this, it can be seen that the structural control rate is high.
FIG. 4 shows the results of DTA analysis in TG-DTA analysis of the obtained organic-inorganic composite (3). According to FIG. 4, the organic-inorganic composite (3) was subjected to TG-DTA analysis under an air atmosphere from 40 ° C. under the condition of a temperature increase of 10 ° C./min, and oxidation indicated by the rising temperature of DTA. The starting temperature was 200°C. From this, it can be seen that the oxidation resistance is high.
Furthermore, FIG. 5 shows the results of IR analysis of the obtained organic-inorganic composite (3). According to FIG. 5, in the IR spectrum of the organic-inorganic composite (3), there is a peak at 1660 cm −1 to 1800 cm −1 derived from the C=O structure, and the structure control rate by C1sXPS is high, The structural control rate by FT-IR analysis is rather low.
Furthermore, FIG. 6 shows the Raman spectrum of the obtained organic-inorganic composite (3). Since the Raman spectrum has peaks at 1340 cm −1 , 1580 cm −1 , 2650 cm −1 and 2820 cm −1 , the carbon material (3A) has a graphene structure and includes a carbon-based compound having a structure in which the graphene structures are laminated. found to be the material
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an organic-inorganic composite that is soluble in a solvent, has a precisely controlled structure, and can be industrially produced under mild conditions.
〔実施例4〕フロログルシノール+ヘテロポリ酸粒子(HPW)+250℃×1時間
シリカ粒子をヘテロポリ酸粒子としてHPW(富士フイルム和光純薬株式会社製、12-タングスト(VI)リン酸n水和物、比表面積278m2/g)に変更した以外は、実施例1と同様に行い、炭素材料(4A)と無機酸化物(4B)を含む有機無機複合体(4)を得た。
有機無機複合体(4)をNMP(N-メチルピロリドン)に分散させ、前述の手法により炭素成分の溶解性を確認したところ、溶媒に可溶であった。
得られた有機無機複合体(4)のC1sXPS分析の結果を図3(XPSスペクトル(C1s))、表1に示す。表1から、有機無機複合体(4)が炭素材料と無機酸化物を含む有機無機複合体であることがわかり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対する全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量の割合は29%であり、全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は76%であり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は22%であった。このことから、構造制御率が高いことがわかる。
得られた有機無機複合体(4)のTG-DTA分析におけるDTA分析の結果を図4に示す。図4によれば、有機無機複合体(4)は、空気雰囲気下、40℃から、10℃/分の昇温条件によってTG-DTA分析を行ったときの、DTAの立ち上がり温度で示される酸化開始温度が300℃であった。このことから、耐酸化性が高いことがわかる。
さらに、得られた有機無機複合体(4)のIR分析を行った結果を図5に示す。図5によれば、有機無機複合体(4)のIRスペクトルにおいては、C=O構造に由来する1660cm-1~1800cm-1にピークが無く、高く構造が制御できている。
さらに、得られた有機無機複合体(4)のラマンスペクトルを図6に示す。ラマンスペクトルにおいて1350cm-1、1585cm-1、2650cm-1、2810cm-1にピークを有することから、炭素材料(4A)はグラフェン構造を有し且つグラフェン構造が積層した構造の炭素系化合物を含む炭素材料であることがわかった。また、炭素材料(4A)部分の分子量を測定したところ、重量平均分子量は8000、最大分子量は50000であった。
以上のように、本発明によれば、溶媒に可溶であり、構造が精密に制御された、温和な条件で工業的に製造可能な有機無機複合体を提供することができる。
[Example 4] Phloroglucinol + heteropolyacid particles (HPW) + 250 ° C. × 1 hour Silica particles as heteropolyacid particles HPW (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 12-tungst (VI) phosphoric acid n-hydrate , the specific surface area was changed to 278 m 2 /g) in the same manner as in Example 1 to obtain an organic-inorganic composite (4) containing a carbon material (4A) and an inorganic oxide (4B).
When the organic-inorganic composite (4) was dispersed in NMP (N-methylpyrrolidone) and the solubility of the carbon component was confirmed by the method described above, it was soluble in the solvent.
The results of C1sXPS analysis of the obtained organic-inorganic composite (4) are shown in FIG. 3 (XPS spectrum (C1s)) and Table 1. From Table 1, it can be seen that the organic-inorganic composite (4) is an organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide, and all carbon bonds (CC bonds, C=C bonds, CH bonds and C The ratio of the total amount of all carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds) to the total amount of -O bonds and C=O bonds) is 29%, and the total amount of carbon-oxygen bonds (C-O bonds The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C-O bonds and C=O bonds) is 76%, and all carbon bonds (C-C bonds and C=C bonds and The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C--H bonds, CO bonds and C=O bonds was 22%. From this, it can be seen that the structural control rate is high.
FIG. 4 shows the results of DTA analysis in TG-DTA analysis of the obtained organic-inorganic composite (4). According to FIG. 4, the organic-inorganic composite (4) was subjected to TG-DTA analysis under an air atmosphere from 40 ° C. under the condition of a temperature increase of 10 ° C./min. The starting temperature was 300°C. From this, it can be seen that the oxidation resistance is high.
Furthermore, FIG. 5 shows the results of IR analysis of the obtained organic-inorganic composite (4). According to FIG. 5, in the IR spectrum of the organic-inorganic composite (4), there is no peak at 1660 cm −1 to 1800 cm −1 derived from the C=O structure, and the structure is highly controlled.
Furthermore, FIG. 6 shows the Raman spectrum of the obtained organic-inorganic composite (4). Since the Raman spectrum has peaks at 1350 cm −1 , 1585 cm −1 , 2650 cm −1 and 2810 cm −1 , the carbon material (4A) has a graphene structure and a carbon-based compound having a structure in which the graphene structures are laminated. found to be the material Further, when the molecular weight of the carbon material (4A) portion was measured, the weight average molecular weight was 8,000 and the maximum molecular weight was 50,000.
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an organic-inorganic composite that is soluble in a solvent, has a precisely controlled structure, and can be industrially produced under mild conditions.
〔実施例5〕フロログルシノール+ヘテロポリ酸粒子(HPMo)+250℃×1時間
シリカ粒子をヘテロポリ酸粒子としてHPMo(富士フイルム和光純薬株式会社製、12-モリブド(VI)リン酸n水和物)に変更した以外は、実施例1と同様に行い、炭素材料(5A)と無機酸化物(5B)を含む有機無機複合体(5)を得た。
有機無機複合体(5)をNMP(N-メチルピロリドン)に分散させ、前述の手法により炭素成分の溶解性を確認したところ、溶媒に可溶であった。
得られた有機無機複合体(5)のC1sXPS分析の結果を図7(XPSスペクトル(C1s))、表1に示す。表1から、有機無機複合体(5)が炭素材料と無機酸化物を含む有機無機複合体であることがわかり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対する全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量の割合は27%であり、全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は63%であり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は17%であった。このことから、構造制御率が高いことがわかる。
以上のように、本発明によれば、溶媒に可溶であり、構造が精密に制御された、温和な条件で工業的に製造可能な有機無機複合体を提供することができる。
[Example 5] Phloroglucinol + heteropolyacid particles (HPMo) + 250°C x 1 hour Silica particles were used as heteropolyacid particles to prepare HPMo (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 12-molybdo (VI) phosphoric acid n-hydrate ) in the same manner as in Example 1 to obtain an organic-inorganic composite (5) containing a carbon material (5A) and an inorganic oxide (5B).
When the organic-inorganic composite (5) was dispersed in NMP (N-methylpyrrolidone) and the solubility of the carbon component was confirmed by the method described above, it was soluble in the solvent.
The results of C1sXPS analysis of the obtained organic-inorganic composite (5) are shown in FIG. 7 (XPS spectrum (C1s)) and Table 1. From Table 1, it can be seen that the organic-inorganic composite (5) is an organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide, and all carbon bonds (CC bonds, C=C bonds, CH bonds and C The ratio of the total amount of all carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds) to the total amount of -O bonds and C=O bonds) is 27%, and the total amount of carbon-oxygen bonds (C-O bonds The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C-O bonds and C=O bonds) is 63%, and all carbon bonds (C-C bonds and C=C bonds and The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C--H bonds, CO bonds and C=O bonds was 17%. From this, it can be seen that the structural control rate is high.
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an organic-inorganic composite that is soluble in a solvent, has a precisely controlled structure, and can be industrially produced under mild conditions.
〔実施例6〕フロログルシノール+ヘテロポリ酸粒子(HSiW)+250℃×1時間
シリカ粒子をヘテロポリ酸粒子としてHSiW(日本新金属株式会社製、ケイタングステン酸)に変更した以外は、実施例1と同様に行い、炭素材料(6A)と無機酸化物(6B)を含む有機無機複合体(6)を得た。
有機無機複合体(6)をNMP(N-メチルピロリドン)に分散させ、前述の手法により炭素成分の溶解性を確認したところ、溶媒に可溶であった。
得られた有機無機複合体(6)のC1sXPS分析の結果を図7(XPSスペクトル(C1s))、表1に示す。表1から、有機無機複合体(5)が炭素材料と無機酸化物を含む有機無機複合体であることがわかり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対する全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量の割合は29%であり、全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は72%であり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は21%であった。このことから、構造制御率が高いことがわかる。
以上のように、本発明によれば、溶媒に可溶であり、構造が精密に制御された、温和な条件で工業的に製造可能な有機無機複合体を提供することができる。
[Example 6] Phloroglucinol + heteropolyacid particles (HSiW) + 250°C x 1 hour Same as in Example 1, except that the silica particles were changed to HSiW (manufactured by Nippon New Metals Co., Ltd., silicotungstic acid) as heteropolyacid particles. An organic-inorganic composite (6) containing a carbon material (6A) and an inorganic oxide (6B) was obtained in the same manner.
When the organic-inorganic composite (6) was dispersed in NMP (N-methylpyrrolidone) and the solubility of the carbon component was confirmed by the method described above, it was soluble in the solvent.
The results of C1sXPS analysis of the obtained organic-inorganic composite (6) are shown in FIG. 7 (XPS spectrum (C1s)) and Table 1. From Table 1, it can be seen that the organic-inorganic composite (5) is an organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide, and all carbon bonds (CC bonds, C=C bonds, CH bonds and C The ratio of the total amount of all carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds) to the total amount of -O bonds and C=O bonds) is 29%, and the total amount of carbon-oxygen bonds (C-O bonds The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C-O bonds and C=O bonds) is 72%, and all carbon bonds (C-C bonds and C=C bonds and The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C--H bonds, CO bonds and C=O bonds was 21%. From this, it can be seen that the structural control rate is high.
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an organic-inorganic composite that is soluble in a solvent, has a precisely controlled structure, and can be industrially produced under mild conditions.
〔実施例7〕フロログルシノール+ヘテロポリ酸粒子(HPVMo)+250℃×1時間
シリカ粒子をヘテロポリ酸粒子としてHPVMo(日本新金属株式会社製、リンバナドモリブデン酸)に変更した以外は、実施例1と同様に行い、炭素材料(7A)と無機酸化物(7B)を含む有機無機複合体(7)を得た。
有機無機複合体(7)をNMP(N-メチルピロリドン)に分散させ、前述の手法により炭素成分の溶解性を確認したところ、溶媒に可溶であった。
得られた有機無機複合体(7)のC1sXPS分析の結果を図7(XPSスペクトル(C1s))、表1に示す。表1から、有機無機複合体(7)が炭素材料と無機酸化物を含む有機無機複合体であることがわかり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対する全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量の割合は29%であり、全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は55%であり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は16%であった。このことから、構造制御率が高いことがわかる。
以上のように、本発明によれば、溶媒に可溶であり、構造が精密に制御された、温和な条件で工業的に製造可能な有機無機複合体を提供することができる。
[Example 7] Phloroglucinol + heteropolyacid particles (HPVMo) + 250°C x 1 hour Example 1 except that the silica particles were changed to HPVMo (phosphovanadomolybdic acid, manufactured by Nippon New Metals Co., Ltd.) as heteropolyacid particles. In the same manner as above, an organic-inorganic composite (7) containing a carbon material (7A) and an inorganic oxide (7B) was obtained.
When the organic-inorganic composite (7) was dispersed in NMP (N-methylpyrrolidone) and the solubility of the carbon component was confirmed by the method described above, it was soluble in the solvent.
The results of C1sXPS analysis of the obtained organic-inorganic composite (7) are shown in FIG. 7 (XPS spectrum (C1s)) and Table 1. From Table 1, it can be seen that the organic-inorganic composite (7) is an organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide, and all carbon bonds (CC bonds, C=C bonds, CH bonds and C The ratio of the total amount of all carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds) to the total amount of -O bonds and C=O bonds) is 29%, and the total amount of carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds), the ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount is 55%, and the total amount of carbon bonds (CC bonds and C=C bonds and The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C--H bonds, CO bonds and C=O bonds was 16%. From this, it can be seen that the structural control rate is high.
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an organic-inorganic composite that is soluble in a solvent, has a precisely controlled structure, and can be industrially produced under mild conditions.
〔実施例8〕フロログルシノール+ヘテロポリ酸粒子(HPWMo)+250℃×1時間
シリカ粒子をヘテロポリ酸粒子としてHPWMo(日本新金属株式会社製、リンタングストモリブデン酸)に変更した以外は、実施例1と同様に行い、炭素材料(8A)と無機酸化物(8B)を含む有機無機複合体(8)を得た。
有機無機複合体(8)をNMP(N-メチルピロリドン)に分散させ、前述の手法により炭素成分の溶解性を確認したところ、溶媒に可溶であった。
得られた有機無機複合体(8)のC1sXPS分析の結果を図7(XPSスペクトル(C1s))、表1に示す。表1から、有機無機複合体(8)が炭素材料と無機酸化物を含む有機無機複合体であることがわかり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対する全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量の割合は27%であり、全炭素-酸素結合(C-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は70%であり、全炭素結合(C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合)の合計量に対するエーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合は19%であった。このことから、構造制御率が高いことがわかる。
以上のように、本発明によれば、溶媒に可溶であり、構造が精密に制御された、温和な条件で工業的に製造可能な有機無機複合体を提供することができる。
[Example 8] Phloroglucinol + heteropolyacid particles (HPWMo) + 250°C x 1 hour Example 1 except that the silica particles were changed to HPWMo (manufactured by Nippon New Metals Co., Ltd., lintungstomolybdic acid) as heteropolyacid particles. An organic-inorganic composite (8) containing a carbon material (8A) and an inorganic oxide (8B) was obtained in the same manner.
When the organic-inorganic composite (8) was dispersed in NMP (N-methylpyrrolidone) and the solubility of the carbon component was confirmed by the method described above, it was soluble in the solvent.
The results of C1sXPS analysis of the obtained organic-inorganic composite (8) are shown in FIG. 7 (XPS spectrum (C1s)) and Table 1. From Table 1, it can be seen that the organic-inorganic composite (8) is an organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide, and all carbon bonds (CC bonds, C=C bonds, CH bonds and C The ratio of the total amount of all carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds) to the total amount of -O bonds and C=O bonds) is 27%, and the total amount of carbon-oxygen bonds (C-O bonds and C=O bonds), the ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount is 70%, and all carbon bonds (CC bonds and C=C bonds and The ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds to the total amount of C--H bonds, CO bonds and C=O bonds was 19%. From this, it can be seen that the structural control rate is high.
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an organic-inorganic composite that is soluble in a solvent, has a precisely controlled structure, and can be industrially produced under mild conditions.
〔参考例1〕:フロログルシノール+ 銅粒子+300℃×2時間、高炭素化コアシェル粒子
フロログルシノール(東京化成工業株式会社製、融点:220℃、縮合反応温度:330℃):1gを200gのアセトンに溶解し、そこに銅粒子(ECKA Granules Germany GmbH製、粒子径:95vol%以上が36μm以下):20gを加え、超音波処理によって十分に混合した。
得られた混合物から常温真空乾燥によってアセトンを除去し、残った塊状物を解砕した後、300℃にて2時間加熱した。
これにより、炭素材料(9A)と無機酸化物(9B)を含む有機無機複合体(10)を得た。
得られた有機無機複合体(10)をDMF(N,N-ジメチルホルムアミド)にて処理した。これにより、炭素材料(9A)が除去され、無機酸化物(9B)の表面に炭素材料結合領域がコーティングされたコアシェル粒子(9)(コア部分:無機酸化物粒子、シェル部分:炭素材料結合領域)が得られた。
コアシェル粒子(9)をさらに700℃で1時間焼成した。これにより、シェル部分の炭素材料が高炭素化され、高炭素化コアシェル粒子(9)が得られた。高炭素化コアシェル粒子(9)の表面のラマンスペクトルを図8に示した。図8により、高炭素化コアシェル粒子(9)の表面(シェル部分)が形状を損なうことなく高炭素化された炭素材料で構成されていることがわかる。
[Reference Example 1]: phloroglucinol + copper particles + 300 ° C. x 2 hours, high-carbon core-shell particles phloroglucinol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., melting point: 220 ° C., condensation reaction temperature: 330 ° C.): 1 g to 200 g 20 g of copper particles (manufactured by ECKA Granules Germany GmbH, particle size: 95 vol % or more and 36 μm or less): 20 g were added and thoroughly mixed by ultrasonic treatment.
Acetone was removed from the resulting mixture by vacuum drying at room temperature, and the remaining lumps were pulverized, followed by heating at 300° C. for 2 hours.
As a result, an organic-inorganic composite (10) containing the carbon material (9A) and the inorganic oxide (9B) was obtained.
The resulting organic-inorganic composite ( 10 ) was treated with DMF (N,N-dimethylformamide). As a result, the carbon material (9A) is removed, and the core-shell particles (9) in which the surface of the inorganic oxide (9B) is coated with the carbon material bonding region (core part: inorganic oxide particle, shell part: carbon material bonding region )was gotten.
Core-shell particles (9) were further calcined at 700° C. for 1 hour. As a result, the carbon material in the shell portion was highly carbonized, and highly carbonized core-shell particles (9) were obtained. FIG. 8 shows the Raman spectrum of the surface of the highly carbonized core-shell particles (9). It can be seen from FIG. 8 that the surface (shell portion) of the high-carbon core-shell particles (9) is composed of a high-carbon carbon material without impairing the shape.
本発明の有機無機複合体は、軽量で、優れた潤滑性、優れた電気伝導性、優れた熱伝導性、優れた抗酸化性を持つようなフィラー等として有用なカーボンコート無機粒子や中空炭素微粒子などを工業的に製造する際の材料として有効に利用可能である。 The organic-inorganic composite of the present invention is lightweight, has excellent lubricity, excellent electrical conductivity, excellent thermal conductivity, and is useful as a filler having excellent antioxidant properties. Carbon-coated inorganic particles and hollow carbon It can be effectively used as a material for industrial production of fine particles and the like.
10 炭素材料
20 無機酸化物粒子
30 炭素材料結合領域
100 有機無機複合体
200 コアシェル粒子
10
Claims (7)
該有機無機複合体は、加熱によって同一分子間および/または異種分子間で縮合反応が起きる化合物(A)と該無機酸化物との反応物を含み、該炭素材料は該化合物(A)に由来する構造を含み、該化合物(A)が、縮合反応によって、2種以上の基から1つの中性分子が形成されて脱離する化合物であり、該縮合反応が、
(a)-H基と-OH基とからH2Oが形成されて脱離することによる縮合反応、
(b)-H基と-OR基(Rは任意の適切な置換または無置換のアルキル基)とからROHが形成されて脱離することによる縮合反応、
(c)-H基と-OOCR基(Rは任意の適切な置換または無置換のアルキル基)とからRCOOHが形成されて脱離することによる縮合反応、
のいずれかであり、
該無機酸化物は、表面に官能基を有する無機酸化物粒子であり、
C1sXPS分析による、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合の合計量に対する、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合とC=O結合の合計量の割合が、10%以上であって、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合とC=O結合の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合が、50%以上である、
有機無機複合体。 An organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide,
The organic-inorganic composite contains a reaction product of the compound (A) and the inorganic oxide, in which a condensation reaction occurs between the same molecules and/or different molecules when heated, and the carbon material is derived from the compound (A). The compound (A) is a compound in which one neutral molecule is formed and eliminated from two or more groups by a condensation reaction, and the condensation reaction is
(a) a condensation reaction by the formation and elimination of H 2 O from —H and —OH groups;
(b) a condensation reaction by the formation and elimination of ROH from a -H group and a -OR group (where R is any suitable substituted or unsubstituted alkyl group);
(c) condensation reaction by formation and elimination of RCOOH from -H group and -OOCR group (R is any suitable substituted or unsubstituted alkyl group);
is either
The inorganic oxide is an inorganic oxide particle having a functional group on the surface,
By C1sXPS analysis, total carbon oxygen bonds, i.e., C-O bonds and The ratio of the total amount of C=O bonds is 10% or more, and the total amount of carbon oxygen bonds, that is, the total amount of C—O bonds and C=O bonds, is derived from ethers and alcohols. The ratio of the total amount of CO bonds is 50% or more,
Organic-inorganic composite.
該有機無機複合体は、加熱によって同一分子間および/または異種分子間で縮合反応が起きる化合物(A)と該無機酸化物との反応物を含み、該炭素材料は該化合物(A)に由来する構造を含み、該化合物(A)が、縮合反応によって、2種以上の基から1つの中性分子が形成されて脱離する化合物であり、該縮合反応が、
(a)-H基と-OH基とからH2Oが形成されて脱離することによる縮合反応、
(b)-H基と-OR基(Rは任意の適切な置換または無置換のアルキル基)とからROHが形成されて脱離することによる縮合反応、
(c)-H基と-OOCR基(Rは任意の適切な置換または無置換のアルキル基)とからRCOOHが形成されて脱離することによる縮合反応、
のいずれかであり、
該無機酸化物は、表面に官能基を有する無機酸化物粒子であり、
C1sXPS分析による、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合の合計量に対する、全炭素酸素結合、すなわち、C-O結合とC=O結合の合計量の割合が、10%以上であって、全結合、すなわち、C-C結合とC=C結合とC-H結合とC-O結合とC=O結合の合計量に対する、エーテル由来のC-O結合とアルコール由来のC-O結合の合計量の割合が、15%以上である、
有機無機複合体。 An organic-inorganic composite containing a carbon material and an inorganic oxide,
The organic-inorganic composite contains a reaction product of the compound (A) and the inorganic oxide, in which a condensation reaction occurs between the same molecules and/or different molecules when heated, and the carbon material is derived from the compound (A). The compound (A) is a compound in which one neutral molecule is formed and eliminated from two or more groups by a condensation reaction, and the condensation reaction is
(a) a condensation reaction by the formation and elimination of H 2 O from —H and —OH groups;
(b) a condensation reaction by the formation and elimination of ROH from a -H group and a -OR group (where R is any suitable substituted or unsubstituted alkyl group);
(c) condensation reaction by formation and elimination of RCOOH from -H group and -OOCR group (R is any suitable substituted or unsubstituted alkyl group);
is either
The inorganic oxide is an inorganic oxide particle having a functional group on the surface,
By C1sXPS analysis, total carbon oxygen bonds, i.e., C-O bonds and The ratio of the total amount of C=O bonds is 10% or more, and all bonds, that is, the total amount of C—C bonds, C=C bonds, C—H bonds, C—O bonds, and C=O bonds , the ratio of the total amount of ether-derived CO bonds and alcohol-derived CO bonds is 15% or more,
Organic-inorganic composite.
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