JP7338993B2 - Porous carbon and method for producing porous carbon - Google Patents
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Description
本発明は、マクロ孔容積が大きく、かつ導電性が高い多孔質炭素およびその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to porous carbon having a large macropore volume and high electrical conductivity, and a method for producing the same.
多孔質炭素の細孔は、細孔の大きさが、2nm未満のマイクロ孔、2nm以上50nm未満のメソ孔、50nm以上のマクロ孔に分類される。マクロ孔を有する多孔質炭素は、マクロ孔を利用した巨大分子の吸着性に優れており、近年では、次世代の高容量電池として期待されるリチウム硫黄電池の導電材への利用が検討されている。 The pores of porous carbon are classified into micropores with a pore size of less than 2 nm, mesopores with a pore size of 2 nm or more and less than 50 nm, and macropores with a pore size of 50 nm or more. Porous carbon with macropores has excellent adsorption properties for macromolecules, and in recent years, its use as a conductive material for lithium-sulfur batteries, which are expected to be next-generation high-capacity batteries, has been investigated. there is
マクロ孔を有する多孔質炭素は、(1)ポリマーブレンドを焼成する方法、(2)粒子径を制御したポリマー微粒子を鋳型として利用する方法、(3)有機酸塩を焼成する方法等により製造することができる。 Porous carbon having macropores is produced by (1) a method of calcining a polymer blend, (2) a method of using polymer fine particles with a controlled particle size as a template, and (3) a method of calcining an organic acid salt. be able to.
(1)の方法では、多孔質炭素は、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを混合して、熱硬化性樹脂を硬化し、次いで溶剤によって熱可塑性樹脂を溶出させて除去した後、焼成することにより製造される(例えば、特許文献1)。 In method (1), porous carbon is produced by mixing a thermosetting resin and a thermoplastic resin, curing the thermosetting resin, then eluting and removing the thermoplastic resin with a solvent, and then baking the carbon. (for example, Patent Document 1).
(2)の方法では、多孔質炭素は、ポリマー微粒子のコロイド結晶に炭素源を含有する溶液を付与し、次いで熱処理を行うことによりコロイド結晶間に炭素源の重合物を生成させ、高温で焼成することにより製造される(例えば、特許文献2)。 In the method (2), porous carbon is produced by applying a solution containing a carbon source to colloidal crystals of fine polymer particles, then heat-treating to generate a polymer of the carbon source between the colloidal crystals, and sintering at a high temperature. (For example, Patent Document 2).
(3)の方法では、多孔質炭素は、有機酸塩を焼成し、生成した無機塩を酸洗浄により除去することにより製造される(例えば、非特許文献1、非特許文献2)。 In the method (3), porous carbon is produced by baking an organic acid salt and removing the produced inorganic salt by acid washing (eg, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2).
上記(1)および(2)の方法では、多孔質炭素の大きなマクロ孔容積と高導電性とを両立することが難しい。上記(1)および(2)の方法では、多孔質炭素の比表面積および多孔質構造を制御し難いことに加え、導電性を高めるには高温での焼成が必要となるが、高温で焼成を行うとマクロ孔が減少し易くなるためである。また、上記(1)および(2)の方法は、多くの工程を含み、操作が煩雑であるため、工業的な製造には適さない。上記(3)の方法では、上記(1)および(2)の方法に比較すると、比表面積および多孔質構造を制御し易く、比較的低温でも高伝導性が得られ易い。そのため、得られる多孔質炭素は、有機酸塩に由来してマクロ孔がある程度形成されるが、マクロ孔容積は未だ小さい。 In the above methods (1) and (2), it is difficult to achieve both a large macropore volume and high electrical conductivity in porous carbon. In the above methods (1) and (2), it is difficult to control the specific surface area and porous structure of the porous carbon, and in addition, high-temperature firing is required to increase conductivity. This is because macropores are likely to be reduced when the treatment is carried out. In addition, the above methods (1) and (2) involve many steps and complicated operations, and are not suitable for industrial production. Compared with the methods (1) and (2), the method (3) is easier to control the specific surface area and the porous structure, and it is easier to obtain high conductivity even at relatively low temperatures. Therefore, the obtained porous carbon has macropores formed to some extent due to the organic acid salt, but the macropore volume is still small.
上記に鑑み、本発明の一側面は、BET法による比表面積が、200m2/g以上650m2/g以下であり、
BJH法によるマクロ孔容積が、0.5cm3/g以上であり、
粉体導電率が、20S/cm以上である、多孔質炭素に関する。
In view of the above, one aspect of the present invention is that the specific surface area by the BET method is 200 m 2 /g or more and 650 m 2 /g or less,
The macropore volume by the BJH method is 0.5 cm 3 /g or more,
It relates to porous carbon having a powder conductivity of 20 S/cm or more.
本発明の他の側面は、以下の工程:
(1)有機酸塩と第1有機酸とを混合して混合物を得る工程と、
(2)不活性ガス雰囲気中で前記混合物を熱処理して、炭化物を得る工程と、
(3)前記炭化物から多孔質炭素を得る工程と、を含み、
前記工程(3)が、前記炭化物を酸洗浄する工程を含む、多孔質炭素の製造方法に関する。
Another aspect of the invention is the step of:
(1) mixing an organic acid salt and a first organic acid to obtain a mixture;
(2) heat-treating the mixture in an inert gas atmosphere to obtain a carbide;
(3) obtaining porous carbon from the carbide;
The step (3) relates to the method for producing porous carbon, including the step of acid-washing the carbide.
大きなマクロ孔容積を有しながらも、高い導電性を確保することができる多孔質炭素を提供できる。 It is possible to provide porous carbon that can ensure high conductivity while having a large macropore volume.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明の範囲はここで説明する実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で種々の変更を加えることができる。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. Note that the scope of the present invention is not limited to the embodiments described here, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明の一側面に係る多孔質炭素は、BET法による比表面積が、200m2/g以上650m2/g以下であり、BJH法によるマクロ孔容積が、0.5cm3/g以上であり、粉体導電率が、20S/cm以上である。 The porous carbon according to one aspect of the present invention has a specific surface area of 200 m 2 /g or more and 650 m 2 /g or less by the BET method, and a macropore volume of 0.5 cm 3 /g or more by the BJH method, Powder conductivity is 20 S/cm or more.
多孔質炭素は、例えば、以下の工程:
(1)有機酸塩と有機酸(第1有機酸)とを混合して混合物を得る工程と、
(2)不活性ガス雰囲気中で前記混合物を熱処理して、炭化物を得る工程と、
(3)炭化物から多孔質炭素を得る工程と、を含み、
工程(3)が、炭化物を酸洗浄する工程を含む、多孔質炭素の製造方法により製造できる。本発明の他の側面には、このような製造方法も包含される。
Porous carbon can be prepared, for example, by the following steps:
(1) mixing an organic acid salt and an organic acid (first organic acid) to obtain a mixture;
(2) heat-treating the mixture in an inert gas atmosphere to obtain a carbide;
(3) obtaining porous carbon from the carbide;
It can be produced by a method for producing porous carbon, in which step (3) includes a step of pickling the carbide. Other aspects of the invention include such manufacturing methods.
有機酸塩を用いて炭化物を形成すると、有機酸塩を核にして炭素骨格が成長する。このとき、第1有機酸が共存することで、有機酸塩の核を中心に第1有機酸に由来する炭素成長も起こる。これにより、有機酸塩に由来する炭素骨格の周囲に第1有機酸に由来する炭素骨格が成長することになる。第1有機酸は、有機酸塩に比べて水蒸気や炭酸ガスなどのガスを発生し易いため、このガスにより、第1有機酸に由来して炭素が成長する間に、マクロ孔などの比較的大きな細孔が多く形成されることになる。よって、得られる多孔質炭素のマクロ孔容積を大きくすることができる。また、孔径が大きな細孔が多くなると、通常は導電性が低下する傾向があるが、多孔質炭素の比表面積および多孔質構造が最適化されるためか、導電性(粉体導電率)の低下を抑制でき、高い導電性を確保することができる。 When a carbide is formed using an organic acid salt, a carbon skeleton grows with the organic acid salt as a nucleus. At this time, the coexistence of the first organic acid also causes carbon growth originating from the first organic acid around the core of the organic acid salt. As a result, the carbon skeleton derived from the first organic acid grows around the carbon skeleton derived from the organic acid salt. The first organic acid is more likely to generate gases such as water vapor and carbon dioxide than organic acid salts. Many large pores are formed. Therefore, the macropore volume of the resulting porous carbon can be increased. In addition, when the number of pores with large pore diameters increases, the electrical conductivity usually tends to decrease. A decrease can be suppressed, and high conductivity can be secured.
本発明の上記側面によれば、マクロ孔容積が大きくなることで、マクロ孔容積の割合を高めることもできる。BJH法による全細孔容積に占めるマクロ孔容積の割合は、例えば、50%以上であり、60%以上にまで高めることもできる。 According to the above aspect of the present invention, the increased macropore volume can also increase the percentage of macropore volume. The ratio of the macropore volume to the total pore volume determined by the BJH method is, for example, 50% or more, and can be increased to 60% or more.
また、本発明の上記側面によれば、多孔質炭素の高い導電性を確保することができる。多孔質炭素の導電性は、粉体導電率により評価することができる。多孔質炭素の粉体導電率は、20S/cm以上であり、25S/m以上の高い値を確保することもできる。 Moreover, according to the aspect of the present invention, high conductivity of the porous carbon can be ensured. The conductivity of porous carbon can be evaluated by powder conductivity. The powder conductivity of the porous carbon is 20 S/cm or more, and a high value of 25 S/m or more can be secured.
一方、有機酸塩を用い、第1有機酸を用いない場合には、マクロ孔容積自体が小さくなる。また、有機酸塩を用いずに、第1有機酸を用いる場合には、マクロ孔源となる有機酸塩由来の金属化合物が形成されないため、マクロ孔はほとんど形成されないと考えられる。 On the other hand, when the organic acid salt is used and the first organic acid is not used, the macropore volume itself becomes small. Also, when the organic acid salt is not used and the first organic acid is used, the metal compound derived from the organic acid salt, which is the source of the macropores, is not formed, and thus macropores are hardly formed.
なお、比表面積、細孔容積、および粉体導電率は、次のような手順で求められる。
(比表面積)
多孔質炭素のBET法による比表面積(以下、単にBET比表面積と称することがある。)は、窒素ガスを用いるガス吸着法により多孔質炭素について測定される吸着等温線からBETの式を用いて求められる比表面積である。BET比表面積は、より具体的には以下の手順で求められる。
The specific surface area, pore volume, and powder conductivity are determined by the following procedure.
(Specific surface area)
The specific surface area of porous carbon by the BET method (hereinafter sometimes simply referred to as the BET specific surface area) is obtained by using the BET equation from the adsorption isotherm measured for porous carbon by a gas adsorption method using nitrogen gas. It is the required specific surface area. More specifically, the BET specific surface area is determined by the following procedure.
カンタクローム社製「Autosorb-iQ-MP」を用いて、以下のようにして液体窒素温度における多孔質炭素への窒素の吸着量を測定する。測定試料である多孔質炭素を試料管に充填し、試料管を-196℃に冷却した状態で、一旦減圧し、その後所望の相対圧にて測定試料に窒素(純度99.999%)を吸着させ、吸着等温線を測定する。得られた吸着等温線から相対圧0.05~0.1の範囲での多点法(例えば、3点)によりBET比表面積が求められる。 Using "Autosorb-iQ-MP" manufactured by Quantachrome Co., Ltd., the amount of nitrogen adsorbed to the porous carbon at liquid nitrogen temperature is measured as follows. A sample tube is filled with porous carbon, which is a measurement sample, and the sample tube is cooled to -196 ° C., the pressure is reduced once, and then nitrogen (purity 99.999%) is adsorbed on the measurement sample at a desired relative pressure. and measure the adsorption isotherm. The BET specific surface area is obtained from the obtained adsorption isotherm by a multipoint method (eg, 3 points) in the range of relative pressures of 0.05 to 0.1.
(細孔容積)
BET比表面積を求める際に測定される多孔質炭素の吸着等温線を、BJH(Barrett Joyner Hallenda)法により解析し、孔径が50nm以上200nm以下の細孔容積をマクロ孔容積とし、2nm以上50nm未満の細孔容積をメソ孔容積とする。多孔質炭素の吸着等温線をDFT(Density Functional Theory)法により解析し、孔径が2nm未満の細孔容積をマイクロ孔容積とする。DFT法としては、より具体的には、QS-DFT法(Slit pore、Equilibrium Model)が採用される。
また、BJH法の全細孔容積は、多孔質炭素の吸着等温線をBJH法により解析した細孔径分布から得られる細孔容積の積算値である。
(pore volume)
The adsorption isotherm of porous carbon measured when determining the BET specific surface area is analyzed by the BJH (Barrett Joyner Hallenda) method, and the pore volume with a pore diameter of 50 nm or more and 200 nm or less is defined as a macropore volume, and 2 nm or more and less than 50 nm. The pore volume of is defined as the mesopore volume. The adsorption isotherm of porous carbon is analyzed by the DFT (Density Functional Theory) method, and the pore volume with a pore diameter of less than 2 nm is defined as the micropore volume. More specifically, the QS- DFT method (Slit Pore, Equilibrium Model) is adopted as the DFT method.
Further, the total pore volume of the BJH method is an integrated value of the pore volume obtained from the pore size distribution obtained by analyzing the adsorption isotherm of the porous carbon by the BJH method.
(粉体導電率)
粉体導電率は、市販の粉体抵抗測定装置を用いて測定される多孔質炭素の体積抵抗率の逆数である。体積抵抗率は、三菱化学アナリテック社製の粉体抵抗率測定ユニット「MCP-PD51」および抵抗率計「ロレスターGP MCP-T610」を用いて、測定試料である多孔質炭素を63MPaに加圧した状態にて測定される。
(powder conductivity)
The powder conductivity is the reciprocal of the volume resistivity of porous carbon measured using a commercially available powder resistance measuring device. The volume resistivity is measured by using a powder resistivity measurement unit "MCP-PD51" and a resistivity meter "Loresta GP MCP-T610" manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd., and pressurizes porous carbon, which is a measurement sample, to 63 MPa. Measured with
以下、本発明の実施形態に係る多孔質炭素およびその製造方法についてより詳細に説明する。 Hereinafter, porous carbon according to embodiments of the present invention and a method for producing the same will be described in more detail.
[多孔質炭素]
多孔質炭素のBJH法によるマクロ孔容積は、0.5cm3/g以上であり、0.55cm3/g以上または0.6cm3/g以上と大きくすることができる。マクロ孔容積がこのような範囲であることで、マクロ孔による高い吸着性を確保することができる。マクロ孔容積は、例えば、1.2cm3/g以下であり、1cm3/g以下であってもよい。マクロ孔容積がこのような範囲である場合、導電性の低下をより抑制し易くなる。
[Porous carbon]
The BJH macropore volume of the porous carbon is 0.5 cm 3 /g or more, and can be as large as 0.55 cm 3 /g or more or 0.6 cm 3 /g or more. When the macropore volume is in such a range, it is possible to ensure high adsorption properties due to the macropores. The macropore volume is, for example, 1.2 cm 3 /g or less, and may be 1 cm 3 /g or less. When the macropore volume is in such a range, it becomes easier to suppress the decrease in conductivity.
本実施形態に係る多孔質炭素では、メソ孔やマクロ孔などのサイズの大きな細孔が多く形成され、一方でマイクロ孔が少なくなる傾向がある。多孔質炭素のDFT法によるマイクロ孔容積は、例えば、0.25cm3/g以下であり、0.2cm3/g以下であってもよい。マイクロ孔容積がこのような範囲である場合、マクロ孔の容積の割合を高め易くなり、マクロ孔による効果(例えば、高い吸着性および液体浸透性など)が発揮され易くなる。マイクロ孔容積の下限は特に制限されないが、例えば、0.05cm3/g以上であり、0.1cm3/g以上であってもよい。マイクロ孔容積がこのような範囲である場合、多孔質炭素のBET比表面積を制御し易くなり、高い導電性を確保し易くなる。 In the porous carbon according to the present embodiment, many large pores such as mesopores and macropores are formed, while micropores tend to be few. The micropore volume of the porous carbon measured by the DFT method is, for example, 0.25 cm 3 /g or less, and may be 0.2 cm 3 /g or less. When the micropore volume is within such a range, the volume ratio of the macropores is likely to be increased, and the effects of the macropores (for example, high adsorption and liquid permeability) are likely to be exhibited. Although the lower limit of the micropore volume is not particularly limited, it is, for example, 0.05 cm 3 /g or more, and may be 0.1 cm 3 /g or more. When the micropore volume is within such a range, it becomes easier to control the BET specific surface area of the porous carbon and to ensure high conductivity.
本実施形態によれば、マクロ孔の容積を大きくすることができるため、マクロ孔の割合を高めることができる。BJH法による全細孔容積に占めるマクロ孔容積の割合は、例えば、50%以上であり、55%以上であってもよい。また、マクロ孔容積の割合を60%以上にまで高めることもできる。マクロ孔の割合がこのような範囲である場合、マクロ孔による効果が発揮され易くなる。マクロ孔の割合の上限は特に制限されないが、高い導電性を確保し易い観点からは、80%以下が好ましく、75%以下としてもよい。 According to this embodiment, the volume of the macropores can be increased, so the ratio of the macropores can be increased. The ratio of the macropore volume to the total pore volume determined by the BJH method is, for example, 50% or more, and may be 55% or more. It is also possible to increase the percentage of macropore volume to 60% or more. When the ratio of the macropores is within such a range, the effects of the macropores are likely to be exhibited. Although the upper limit of the ratio of macropores is not particularly limited, it is preferably 80% or less, and may be 75% or less, from the viewpoint of easily ensuring high conductivity.
多孔質炭素のBET比表面積は、200m2/g以上であり、250m2/g以上または300m2/g以上であってもよい。BET比表面積がこのような範囲である場合、より高い導電性が得られ易い。BET比表面積は、650m2/g以下であり、500m2/g以下であってもよい。BET比表面積がこのような範囲である場合、マクロ孔の容積の割合を高め易いため、マクロ孔による効果が発揮され易くなる。 The BET specific surface area of the porous carbon is 200 m 2 /g or more, and may be 250 m 2 /g or more or 300 m 2 /g or more. When the BET specific surface area is in such a range, higher conductivity is likely to be obtained. The BET specific surface area is 650 m 2 /g or less, and may be 500 m 2 /g or less. When the BET specific surface area is within such a range, the volume ratio of the macropores is likely to be increased, and the effects of the macropores are likely to be exhibited.
多孔質炭素は、高い導電性を示し、その粉体導電率は、20S/cm以上であり、25S/cm以上であってもよく、40S/m以上または50S/m以上の高い値を得ることもできる。粉体導電率は高いほど導電性に優れ、上限は特に制限されないが、例えば、100S/cm以下であってもよい。 Porous carbon exhibits high conductivity, and its powder conductivity is 20 S/cm or more, and may be 25 S/cm or more, and a high value of 40 S/m or more or 50 S/m or more can be obtained. can also The higher the powder conductivity, the better the conductivity, and although the upper limit is not particularly limited, it may be, for example, 100 S/cm or less.
多孔質炭素は、多くのマクロ孔を有するため、X線回折スペクトルにより求められる(002)面の平均面間隔d002は、結晶性が高い黒鉛などと比べて大きくなる。多孔質炭素のd002は、例えば、0.36nm以上である。より高い導電性を確保し易い観点からは、d002は、0.38nm以下が好ましい。 Since porous carbon has many macropores, the average interplanar spacing d002 of (002) planes obtained from the X-ray diffraction spectrum is larger than that of highly crystalline graphite or the like. The d002 of porous carbon is, for example, 0.36 nm or more. From the viewpoint of easily ensuring higher conductivity, d002 is preferably 0.38 nm or less.
d002は、CuKα線を用いる広角X線回折法により下記のBragg式から求められる。
λ=2d×sinθ
λ:CuKα線の波長(=0.15418nm)
d:(002)面の平均面間隔d002
θ:重心法による求められるピーク位置の2θの1/2の角度
広角X線回折は、株式会社リガク製「MiniFlexII」を用い、Niフィルターにより単色化したCuKα線を線源として、試料ホルダーに充填した多孔質炭素の粉末について行われる。得られる回折図形では、重心法(回折線の重心位置を求め、これに対応する2θ値でピーク位置を求める方法)によりピーク位置を求め、標準物質用高純度シリコン粉末の(111)面の回折ピークを用いて補正する。
d002 is obtained from the following Bragg formula by wide-angle X-ray diffraction using CuKα rays.
λ=2d×sin θ
λ: wavelength of CuKα rays (= 0.15418 nm)
d: average interplanar spacing d002 of (002) plane
θ: angle of 1/2 of 2θ of the peak position obtained by the centroid method Wide-angle X-ray diffraction is performed using Rigaku Co., Ltd. “MiniFlex II”, and the sample holder is filled with CuKα rays monochromatic by a Ni filter as a radiation source. It is performed on the powder of the porous carbon that has been made. In the obtained diffraction pattern, the peak position is obtained by the centroid method (a method of obtaining the centroid position of the diffraction line and obtaining the peak position with the corresponding 2θ value), and the diffraction of the (111) plane of the high-purity silicon powder for standard substance Correct using the peak.
[多孔質炭素の製造方法]
本実施形態によれば、有機酸塩と第1有機酸とを用いることで、マクロ孔容積が大きく高い導電性を備える多孔質炭素を、簡便な方法で製造することができる。また、本実施形態に係る製造方法は、安価な原料を用いることができ、工程数も少なく、技術的に難易度が高い工程も含まないため、コスト的に有利であるとともに、安全面でも優れており、工業的な製造にも適している。
以下、各工程について説明する。
[Method for producing porous carbon]
According to this embodiment, by using the organic acid salt and the first organic acid, porous carbon having a large macropore volume and high electrical conductivity can be produced by a simple method. In addition, the production method according to the present embodiment can use inexpensive raw materials, has a small number of steps, and does not include steps that are technically difficult, so it is advantageous in terms of cost and is excellent in terms of safety. and suitable for industrial production.
Each step will be described below.
(1)混合工程
本工程では、多孔質炭素の原料となる有機酸塩と第1有機酸とを混合する。有機酸塩を用いることで、有機酸塩が核となって炭化により炭素骨格が形成され易くなり、炭素骨格の構造を制御し易くなる。また、第1有機酸を用いることで、有機酸塩に由来する炭素骨格の周囲で第1有機酸に由来する炭素成長が進行し、マクロ孔を多く形成することができる。有機酸塩と第1有機酸との組み合わせにより、炭素骨格の構造および細孔構造が最適化されるとともに、高い導電性を確保することができる。
(1) Mixing Step In this step, the organic acid salt and the first organic acid, which are raw materials of the porous carbon, are mixed. By using the organic acid salt, the carbon skeleton is easily formed by carbonization with the organic acid salt as a nucleus, and the structure of the carbon skeleton can be easily controlled. Moreover, by using the first organic acid, the growth of carbon derived from the first organic acid proceeds around the carbon skeleton derived from the organic acid salt, and many macropores can be formed. The combination of the organic acid salt and the first organic acid optimizes the structure of the carbon skeleton and the pore structure, and ensures high electrical conductivity.
(第1有機酸)
第1有機酸としては、特に制限されないが、有機酸塩の分解温度以下の融点を有するものを用いることが好ましい。このような第1有機酸は、工程(2)において有機酸塩に由来する炭素骨格が形成される際に、水蒸気および/または炭酸ガスを生成し易い。よってこのような第1有機酸を用いることで、マクロ孔の容積を大きくすることができる。また、第1有機酸として室温(例えば、20℃以上35℃以下)で固体のものを用いると乾式混合により混合することができ、簡便である。
(First organic acid)
The first organic acid is not particularly limited, but preferably has a melting point lower than the decomposition temperature of the organic acid salt. Such a first organic acid tends to generate water vapor and/or carbon dioxide gas when the carbon skeleton derived from the organic acid salt is formed in step (2). Therefore, by using such a first organic acid, the volume of macropores can be increased. Also, if the first organic acid is solid at room temperature (for example, 20° C. or higher and 35° C. or lower), dry mixing can be performed, which is convenient.
第1有機酸としては、カルボキシ基およびヒドロキシ基からなる群より選択される官能基を2つ以上有するもの(ただし、少なくとも1つのカルボキシ基を有する)が好ましい。このような第1有機酸としては、多価カルボン酸およびヒドロキシカルボン酸などが挙げられる。第1有機酸において、1分子当たりのカルボキシ基およびヒドロキシ基の総数は、例えば、2以上であり、3以上が好ましい。第1有機酸において、1分子当たりのカルボキシ基およびヒドロキシ基の総数は、例えば、8以下であり、6以下または4以下であってもよい。第1有機酸は、アルキル基などの他の官能基(例えば、カルボキシ基およびヒドロキシ基以外の1価の官能基)を有していてもよいが、炭化が進行し易く、炭素骨格の構造を制御し易いことに加え、多孔質炭素のより高い導電性を確保し易い観点からは、他の官能基を有さないものが好ましい。同様の理由で、脂肪族カルボン酸(特に鎖状の脂肪族カルボン酸)が好ましい。 The first organic acid preferably has two or more functional groups selected from the group consisting of a carboxy group and a hydroxy group (provided it has at least one carboxy group). Examples of such first organic acids include polycarboxylic acids and hydroxycarboxylic acids. In the first organic acid, the total number of carboxy groups and hydroxy groups per molecule is, for example, 2 or more, preferably 3 or more. In the first organic acid, the total number of carboxy groups and hydroxy groups per molecule is, for example, 8 or less, and may be 6 or less or 4 or less. The first organic acid may have other functional groups such as alkyl groups (for example, monovalent functional groups other than carboxy groups and hydroxy groups), but carbonization is likely to proceed, and the structure of the carbon skeleton is In addition to being easy to control, those having no other functional groups are preferable from the viewpoint of easily ensuring higher conductivity of the porous carbon. For the same reason, aliphatic carboxylic acids (especially chain aliphatic carboxylic acids) are preferred.
ヒドロキシカルボン酸は、1つのカルボキシ基を有していればよいが、2つ以上有すること(つまり、ヒドロキシ基を有する多価カルボン酸であること)が好ましい。ヒドロキシカルボン酸としては、例えば、リンゴ酸、クエン酸、グルコン酸などが挙げられる。ヒドロキシ基を有さない多価カルボン酸としては、マロン酸、コハク酸、マレイン酸などが挙げられる。また、多価カルボン酸は、多価のケトカルボン酸であってもよい。多価のケトカルボン酸としては、多価のβ-ケトカルボン酸(オキサロ酢酸、アセトンジカルボン酸など)などが挙げられる。 The hydroxycarboxylic acid may have one carboxy group, but preferably has two or more (that is, it is a polyvalent carboxylic acid having a hydroxy group). Hydroxycarboxylic acids include, for example, malic acid, citric acid, gluconic acid and the like. Malonic acid, succinic acid, maleic acid, etc. are mentioned as polyhydric carboxylic acid which does not have a hydroxy group. Also, the polyvalent carboxylic acid may be a polyvalent ketocarboxylic acid. Examples of polyvalent ketocarboxylic acids include polyvalent β-ketocarboxylic acids (oxaloacetic acid, acetonedicarboxylic acid, etc.).
第1有機酸の炭素数は、例えば、8以下または7以下であってもよいが、炭化が進行し易く、炭素骨格の構造を制御し易いことに加え、多孔質炭素のより高い導電性を確保し易い観点からは、6以下であることが好ましい。炭化の際に、第1有機酸の分解によりガス発生のタイミングを制御し易い観点からは、第1有機酸の炭素数は3以上が好ましく、4以上であってもよい。 The number of carbon atoms in the first organic acid may be, for example, 8 or less or 7 or less. From the viewpoint of facilitating securing, it is preferably 6 or less. The number of carbon atoms in the first organic acid is preferably 3 or more, and may be 4 or more, from the viewpoint of facilitating control of the timing of gas generation by decomposition of the first organic acid during carbonization.
第1有機酸は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて使用してもよい。
第1有機酸として、少なくともクエン酸を用いることが好ましい。クエン酸は、入手が容易で、安価であり、安全性にも優れている。また、クエン酸を用いることで、特に、有機酸塩が炭化される際のガス発生のタイミングの制御が容易になる。よって、マクロ孔の容積を大きくすることが容易になる。
A 1st organic acid may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more types.
At least citric acid is preferably used as the first organic acid. Citric acid is readily available, inexpensive, and highly safe. In addition, the use of citric acid facilitates control of the timing of gas generation, particularly when the organic acid salt is carbonized. Therefore, it becomes easy to increase the volume of the macropores.
第1有機酸と有機酸塩との総量(100質量%)に占める第1有機酸の比率は、例えば、10質量%以上であり、15質量%以上または20質量%以上が好ましい。第1有機酸の比率は、例えば、60質量%以下である。第1有機酸の比率がこのような範囲である場合、多孔質炭素におけるマクロ孔容積の割合を高めることができる。第1有機酸の比率は、55質量%以下が好ましく、45質量%以下または30質量%以下がより好ましい。第1有機酸の比率がこのような範囲である場合、導電性の低下を抑制する効果をさらに高めることができる。 The ratio of the first organic acid to the total amount (100% by mass) of the first organic acid and the organic acid salt is, for example, 10% by mass or more, preferably 15% by mass or more or 20% by mass or more. The ratio of the first organic acid is, for example, 60% by mass or less. When the ratio of the first organic acid is within such a range, the ratio of macropore volume in the porous carbon can be increased. The ratio of the first organic acid is preferably 55% by mass or less, more preferably 45% by mass or less or 30% by mass or less. When the ratio of the first organic acid is within such a range, the effect of suppressing a decrease in conductivity can be further enhanced.
(有機酸塩)
第1有機酸の炭素成長の際に、有機酸塩が核となりやすいように、有機酸塩は、有機酸(第2有機酸)と金属との塩が好ましい。第2有機酸としては、炭化が進行し易い観点から、第1有機酸について例示したもの(多価カルボン酸、ヒドロキシカルボン酸など)が好ましい。
(Organic acid salt)
The organic acid salt is preferably a salt of an organic acid (second organic acid) and a metal so that the organic acid salt easily becomes a nucleus during carbon growth of the first organic acid. As the second organic acid, those exemplified for the first organic acid (polyvalent carboxylic acid, hydroxycarboxylic acid, etc.) are preferable from the viewpoint of facilitating carbonization.
有機酸塩を構成する金属としては、遷移金属などであってもよいが、炭化物を酸洗浄する際に除去し易いように、アルカリ金属および周期表第2族金属などが好ましい。アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウムなどが挙げられる。周期表第2族金属としては、マグネシウム、およびアルカリ土類金属(カルシウムなど)が好ましい。安価で除去し易い観点からは、アルカリ金属(ナトリウム、カリウムなど)、マグネシウム、カルシウムなどが好ましく、特にアルカリ金属が好ましい。有機酸塩は、金属を一種含んでもよく、二種以上含んでもよい。金属および/または第2有機酸の種類が異なる二種以上の有機酸塩を併用してもよい。 The metal constituting the organic acid salt may be a transition metal or the like, but is preferably an alkali metal or a Group 2 metal of the periodic table so as to be easily removed when pickling the carbide. Alkali metals include lithium, sodium, potassium and the like. Magnesium and alkaline earth metals (such as calcium) are preferred as the Group 2 metals of the periodic table. Alkali metals (sodium, potassium, etc.), magnesium, calcium, etc. are preferred, and alkali metals are particularly preferred, from the viewpoint of being inexpensive and easy to remove. The organic acid salt may contain one kind of metal, or two or more kinds thereof. Two or more organic acid salts having different metals and/or second organic acids may be used in combination.
有機酸塩の具体例としては、例えば、クエン酸塩(クエン酸ナトリウム、クエン酸カリウム、クエン酸リチウムなど)、グルコン酸塩(グルコン酸ナトリウム、グルコン酸カリウム、グルコン酸リチウムなど)、マレイン酸塩(マレイン酸ナトリウム、マレイン酸カリウム、マレイン酸リチウムなど)、マロン酸塩(マロン酸ナトリウム、マロン酸カリウム、マロン酸リチウムなど)、コハク酸塩(コハク酸ナトリウム、コハク酸カリウム、コハク酸リチウムなど)、リンゴ酸塩(リンゴ酸ナトリウム、リンゴ酸カリウム、リンゴ酸リチウムなど)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。入手が容易で安価である観点からは、クエン酸のアルカリ金属塩(特に、クエン酸ナトリウム)が好ましい。 Specific examples of organic acid salts include citrate (sodium citrate, potassium citrate, lithium citrate, etc.), gluconate (sodium gluconate, potassium gluconate, lithium gluconate, etc.), and maleate. (sodium maleate, potassium maleate, lithium maleate, etc.), malonates (sodium malonate, potassium malonate, lithium malonate, etc.), succinates (sodium succinate, potassium succinate, lithium succinate, etc.) , malate (sodium malate, potassium malate, lithium malate, etc.). Alkali metal salts of citric acid (especially sodium citrate) are preferred from the standpoint of easy availability and low cost.
(その他)
有機酸塩と第1有機酸との混合方法には、両成分を混合できる限り特に制限されず、乾式混合および湿式混合のいずれを採用してもよい。
(others)
The method for mixing the organic acid salt and the first organic acid is not particularly limited as long as both components can be mixed, and either dry mixing or wet mixing may be employed.
室温で固体の第1有機酸を用いる場合、乾式混合が利用できる。乾式混合では、第1有機酸と有機酸塩とをより均一に混合する観点から、例えば、これらの成分を乳鉢ですり潰したり、ボールミルで粉砕しながら粉末状にしたりすることにより混合することが好ましい。これらの場合に特に限定されず、公知の乾式の混合機を用いてもよい。 When using a first organic acid that is solid at room temperature, dry mixing can be used. In the dry mixing, from the viewpoint of mixing the first organic acid and the organic acid salt more uniformly, for example, it is preferable to mix these components by grinding them in a mortar or pulverizing them in a ball mill to form a powder. . It is not particularly limited to these cases, and a known dry mixer may be used.
第1有機酸が室温で液状の場合、湿式混合が利用される。また、溶媒を用いて湿式混合を行ってもよい。例えば、溶媒に、有機酸塩および/または第1有機酸を溶解させた状態で両成分を混合することができる。有機酸塩および第1有機酸の一方の成分を溶媒に溶解させた溶液に他方の成分を添加して混合してもよく、溶液を他方の成分に散布(スプレー散布等)することで両成分を混合してもよい。両成分を湿式混合した後は、必要に応じて溶媒を揮発させることにより除去してもよい。 Wet mixing is utilized when the first organic acid is liquid at room temperature. Alternatively, wet mixing may be performed using a solvent. For example, the organic acid salt and/or the first organic acid can be dissolved in a solvent and mixed together. One component of the organic acid salt and the first organic acid may be dissolved in a solvent and the other component may be added to the solution and mixed. may be mixed. After wet-mixing both components, the solvent may be removed by volatilization if necessary.
溶媒としては、特に制限されず、例えば、水、有機溶媒、またはこれらの混合物などが挙げられる。有機溶媒としては、アルコール(エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール等)、エーテル(テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン、ジメトキシエタン等)などが例示されるが、これらに限定されるものではない。溶媒は、第1有機酸および/または有機酸塩の種類に応じて選択される。溶媒は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせてもよい。有機酸塩と有機酸のいずれも溶解し易く、設備の簡略化がし易い等の理由から、溶媒として水を用いることが好ましく、水と有機溶媒(好ましくは水溶性有機溶媒)との混合物を用いてもよい。 The solvent is not particularly limited, and examples thereof include water, organic solvents, mixtures thereof, and the like. Examples of organic solvents include alcohols (ethanol, methanol, isopropyl alcohol, ethylene glycol, etc.), ethers (tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dimethoxyethane, etc.), but are not limited to these. The solvent is selected according to the type of the first organic acid and/or organic acid salt. A solvent may be used individually by 1 type, and may combine 2 or more types. It is preferable to use water as a solvent because both the organic acid salt and the organic acid are easily dissolved and the equipment can be simplified, and a mixture of water and an organic solvent (preferably a water-soluble organic solvent) is may be used.
(2)炭化物を得る工程
本工程では、上記(1)の工程により得られる混合物を熱処理することにより炭化物を生成させる。熱処理は、不活性ガス雰囲気下で行われる。不活性ガスとしては、例えば、窒素、および/またはアルゴンが挙げられる。
(2) Step of Obtaining Carbide In this step, a carbide is generated by heat-treating the mixture obtained in step (1) above. The heat treatment is performed under an inert gas atmosphere. Inert gases include, for example, nitrogen and/or argon.
熱処理は、少なくとも、600℃以上800℃以下の温度(第1温度)で行うことが好ましい。このような温度で熱処理することで、マイクロ孔容積の増加を抑制してマクロ孔容積の比率を高めることができるとともに、多孔質炭素の高い導電性を確保し易くなる。また、洗浄工程で有機酸塩由来の金属成分の除去が容易になる。第1温度は、650℃以上780℃以下が好ましく、650℃以上750℃以下がさらに好ましい。 The heat treatment is preferably performed at least at a temperature of 600° C. or higher and 800° C. or lower (first temperature). By heat-treating at such a temperature, it is possible to suppress an increase in the micropore volume and increase the ratio of the macropore volume, and it becomes easy to ensure high electrical conductivity of the porous carbon. In addition, the removal of the metal component derived from the organic acid salt is facilitated in the washing step. The first temperature is preferably 650° C. or higher and 780° C. or lower, and more preferably 650° C. or higher and 750° C. or lower.
熱処理は、一段階で行ってもよく、多段階で行ってもよく、昇温しながら行ってもよい。多段階や昇温しながら熱処理する場合でも、少なくとも第1温度での熱処理を行うことが好ましい。つまり、上記工程(2)は、第1温度で熱処理する工程(一次熱処理工程)を少なくとも含むことが好ましい。 The heat treatment may be performed in one step, in multiple steps, or while the temperature is being raised. Even when the heat treatment is performed in multiple stages or while the temperature is raised, it is preferable to perform the heat treatment at least at the first temperature. That is, the step (2) preferably includes at least a step of heat-treating at the first temperature (primary heat-treating step).
一次熱処理の時間は、例えば、30分以上4時間以下であり、30分以上2時間以下であってもよい。 The primary heat treatment time is, for example, 30 minutes or more and 4 hours or less, or may be 30 minutes or more and 2 hours or less.
工程(2)は、一次熱処理工程の前に第1温度より低い温度での予備の熱処理工程を含んでもよい。予備の熱処理工程における温度は、第1温度より低ければよく、650℃未満であってもよく、600℃以下または600℃未満であってもよい。予備の熱処理工程における温度は、例えば、400℃以上または500℃以上である。このような予備の熱処理工程を行うことで、より均質な物性を有する炭化物を得ることができる。予備の熱処理工程は、上記と同様に不活性ガス雰囲気下で行われる。 Step (2) may include a preliminary heat treatment step at a temperature below the first temperature prior to the primary heat treatment step. The temperature in the preliminary heat treatment step may be lower than the first temperature, and may be lower than 650°C, or may be lower than or equal to 600°C or lower than 600°C. The temperature in the preliminary heat treatment step is, for example, 400° C. or higher or 500° C. or higher. By performing such a preliminary heat treatment step, it is possible to obtain a carbide having more uniform physical properties. The preliminary heat treatment step is performed under an inert gas atmosphere as described above.
(3)多孔質炭素を形成する工程
工程(3)は、工程(2)で得られる炭化物を洗浄する工程を含む。炭化物の洗浄は少なくとも酸洗浄により行われる。酸洗浄により、炭化物中の有機酸塩の残渣(金属成分など)が除去され、多孔質炭素が得られる。炭化物は、酸洗浄の後、通常水洗される。酸洗浄と水洗とは、炭化物中の有機酸塩の残渣を十分に除去できるまで繰り返し行うことが好ましい。
(3) Step of forming porous carbon Step (3) includes a step of washing the carbide obtained in step (2). Cleaning of the carbide is performed at least by acid cleaning. Acid washing removes residues of organic acid salts (such as metal components) in the carbide to obtain porous carbon. Charcoal is usually washed with water after acid washing. The acid washing and water washing are preferably repeated until the residue of the organic acid salt in the carbide is sufficiently removed.
酸洗浄に用いられる洗浄液は、通常、酸の水溶液である。洗浄に用いられる酸としては、無機酸が好適である。無機酸としては、例えば、塩酸、硝酸、および/または硫酸などが挙げられる。有機酸塩の残渣を溶解し易く、炭化物の酸化を抑制し易い観点からは、塩酸が好ましい。洗浄液中のプロトン(または塩酸)の濃度は、例えば、0.01mol/L以上1.0mol/L以下であり、0.05mol/L以上0.5mol/L以下が好ましい。洗浄液中のプロトン(または酸)の濃度を調節することで、酸洗浄の回数を少なくすることができ、炭化物中に残留する酸の量を少なくすることができる。 The cleaning liquid used for acid cleaning is usually an aqueous acid solution. An inorganic acid is suitable as the acid used for washing. Inorganic acids include, for example, hydrochloric acid, nitric acid, and/or sulfuric acid. Hydrochloric acid is preferable from the viewpoint of easily dissolving the residue of the organic acid salt and easily suppressing oxidation of the carbide. The concentration of protons (or hydrochloric acid) in the cleaning solution is, for example, 0.01 mol/L or more and 1.0 mol/L or less, preferably 0.05 mol/L or more and 0.5 mol/L or less. By adjusting the concentration of protons (or acid) in the cleaning liquid, the number of times of acid cleaning can be reduced, and the amount of acid remaining in the carbide can be reduced.
酸洗浄および水洗は、室温(例えば、20℃以上35℃以下)で行ってもよいが、洗浄を効率よく行う観点からは、40℃以上(特に60℃以上)の温度で行うことが好ましい。酸洗浄および水洗の温度は、通常、100℃未満であり、90℃以下であってもよい。 Acid washing and water washing may be carried out at room temperature (for example, 20° C. or higher and 35° C. or lower), but from the viewpoint of efficient washing, it is preferable to carry out at a temperature of 40° C. or higher (especially 60° C. or higher). The temperature of acid washing and water washing is usually less than 100°C and may be 90°C or less.
酸洗浄および水洗後により得られる炭化物(多孔質炭素)は、乾燥してもよい。乾燥は、例えば、加熱下で行ってもよく(例えば、熱風乾燥機を利用してもよく)、減圧下で行ってもよい。乾燥には、公知の乾燥機を利用できる。乾燥温度は、例えば、50℃以上150℃以下である。このような温度で乾燥すると、多孔質炭素の酸化を抑制しながらも、比較的短時間で乾燥を行うことができる。 The charcoal (porous carbon) obtained after acid washing and water washing may be dried. Drying may be performed, for example, under heating (for example, using a hot air dryer) or under reduced pressure. A known dryer can be used for drying. The drying temperature is, for example, 50° C. or higher and 150° C. or lower. By drying at such a temperature, the drying can be performed in a relatively short time while suppressing oxidation of the porous carbon.
工程(3)は、酸洗浄工程の後に、必要に応じて第2温度で多孔質炭素を熱処理する二次熱処理工程を含むことができる。二次熱処理工程は、酸洗浄および水洗の後に行うことが好ましい。必要に応じて、二次熱処理の前に上記の乾燥を行ってもよい。二次熱処理前の乾燥を行うことで、二次熱処理における吸着水による多孔質炭素の酸化を抑制することができる。 Step (3) can optionally include a secondary heat treatment step of heat treating the porous carbon at a second temperature after the acid washing step. The secondary heat treatment step is preferably performed after acid cleaning and water cleaning. If necessary, the above drying may be performed before the secondary heat treatment. By performing drying before the secondary heat treatment, it is possible to suppress oxidation of the porous carbon due to adsorbed water in the secondary heat treatment.
第2温度は、例えば、650℃以上であり、650℃以上1000℃以下であってもよい。第2温度は、第1温度以下であってもよいが、より高い導電性が得られる観点からは、第1温度よりも高いことが好ましい。第2温度は、例えば、750℃以上(または780℃以上)であり、750℃(または780℃)よりも高いことが好ましく、800℃以上であってもよい。加熱による炭素構造の収縮を抑制して、マクロ孔の減少を抑制する観点からは、第2温度は、950℃以下が好ましく、900℃以下であってもよい。 The second temperature is, for example, 650° C. or higher, and may be 650° C. or higher and 1000° C. or lower. The second temperature may be lower than or equal to the first temperature, but is preferably higher than the first temperature from the viewpoint of obtaining higher conductivity. The second temperature is, for example, 750° C. or higher (or 780° C. or higher), preferably higher than 750° C. (or 780° C.), and may be 800° C. or higher. The second temperature is preferably 950° C. or lower, and may be 900° C. or lower, from the viewpoint of suppressing shrinkage of the carbon structure due to heating and suppressing reduction in macropores.
二次熱処理は、多孔質炭素の酸化が進行しないように、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、窒素、および/またはアルゴンなどが挙げられる。 The secondary heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere so that oxidation of the porous carbon does not proceed. Inert gases include nitrogen and/or argon.
二次熱処理の時間は、例えば、30分以上4時間以下であり、30分以上2時間以下であってもよい。 The secondary heat treatment time is, for example, 30 minutes or more and 4 hours or less, or may be 30 minutes or more and 2 hours or less.
(その他)
多孔質炭素は、用途に応じて、粉砕して用いてもよい。粉砕には、特に制限されず、例えば、公知の粉砕機(例えば、ボールミル、遠心ロールミル、リングロールミル、遠心ボールミルなど)を用いることができる。粉砕は、粒子表面が酸化されるのを防ぐため、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。多孔質炭素は、必要に応じて、分級により粒度分布をコントロールしてもよい。
(others)
Porous carbon may be pulverized and used depending on the application. Pulverization is not particularly limited, and for example, a known pulverizer (eg, ball mill, centrifugal roll mill, ring roll mill, centrifugal ball mill, etc.) can be used. Pulverization is preferably carried out in an inert gas atmosphere in order to prevent the particle surfaces from being oxidized. The particle size distribution of the porous carbon may be controlled by classification, if necessary.
多孔質炭素の平均粒子径は、用途に応じて決定される。多孔質炭素の平均粒子径は、例えば、2μm以上30μm以下であってもよい。
なお、多孔質炭素の平均粒子径は、レーザ回折・散乱方式の粒度分布測定装置により求められる体積基準の粒度分布において累積体積が50%になるメディアン径(D50)である。
The average particle size of porous carbon is determined depending on the application. The average particle size of porous carbon may be, for example, 2 μm or more and 30 μm or less.
The average particle diameter of the porous carbon is the median diameter (D50) at which the cumulative volume is 50% in the volume-based particle size distribution determined by a laser diffraction/scattering type particle size distribution analyzer.
[実施例]
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[Example]
EXAMPLES The present invention will be specifically described below based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
《実施例1~3および比較例1》
表1に示す原料を表1に示す割合で乳鉢を用いて混合した。得られた混合物を、窒素ガス雰囲気中、表1に示す第1温度まで昇温速度5℃/分で昇温した。次いで第1温度で60分間熱処理することにより炭化物を得た。炭化物を0.1mol/L濃度の塩酸水溶液で80℃にて30分洗浄し(酸洗浄)、水洗した。酸洗浄と水洗とを合計3回繰り返した。80℃で熱風乾燥することで、多孔質炭素を得た。有機酸塩としては、クエン酸三ナトリウム二水和物を用い、有機酸(第1有機酸)としてはクエン酸を用いた。
<<Examples 1 to 3 and Comparative Example 1>>
The raw materials shown in Table 1 were mixed at the ratio shown in Table 1 using a mortar. The resulting mixture was heated to the first temperature shown in Table 1 at a heating rate of 5° C./min in a nitrogen gas atmosphere. Then, a carbide was obtained by heat-treating at the first temperature for 60 minutes. The carbide was washed with a 0.1 mol/L hydrochloric acid aqueous solution at 80° C. for 30 minutes (acid washing) and washed with water. Acid washing and water washing were repeated three times in total. A porous carbon was obtained by drying with hot air at 80°C. Trisodium citrate dihydrate was used as the organic acid salt, and citric acid was used as the organic acid (first organic acid).
《実施例4~5》
実施例1で得られた多孔質炭素を、窒素ガス雰囲気中、昇温速度10℃/分で表1に示す第2温度まで昇温した。次いで、窒素ガス気流下、第2温度で60分間熱処理(二次熱処理)することにより多孔質炭素を得た。
<<Examples 4-5>>
The porous carbon obtained in Example 1 was heated to the second temperature shown in Table 1 at a heating rate of 10° C./min in a nitrogen gas atmosphere. Next, a heat treatment (secondary heat treatment) was performed at a second temperature for 60 minutes under a nitrogen gas stream to obtain porous carbon.
《比較例2》
第1有機酸に代えてグルコースを用いる以外は、実施例1と同様に多孔質炭素を作製した。
<<Comparative Example 2>>
Porous carbon was produced in the same manner as in Example 1, except that glucose was used instead of the first organic acid.
[評価]
実施例および比較例で得られた多孔質炭素について、既述の手順でBET比表面積、各細孔容積、マクロ孔容積の割合、粉体導電率、およびd002を求めた。
結果を表2に示す。表1および表2中、A1~A5は実施例1~5であり、B1~B2は比較例1~2である。
[evaluation]
For the porous carbons obtained in Examples and Comparative Examples, the BET specific surface area, each pore volume, macropore volume ratio, powder electrical conductivity, and d002 were obtained by the procedure described above.
Table 2 shows the results. In Tables 1 and 2, A1-A5 are Examples 1-5, and B1-B2 are Comparative Examples 1-2.
表2に示されるように、有機酸の代わりにグルコースを用いて作製された比較例3の多孔質炭素では、緻密な多孔質構造が形成された。具体的には、マクロ孔容積が0.20cm3/gと小さく、その割合も40%と低く、粉体導電率も14S/cmと低くなった。それに対し、有機酸塩と第1有機酸とを組み合わせることで、実施例の多孔質炭素では、20S/m以上の高い粉体導電率を確保しながらも、0.5cm3/g以上の大きなマクロ孔容積を確保することができる。また、実施例では、50%以上(さらには60%以上)と高いマクロ孔容積の割合を確保することもできる。 As shown in Table 2, the porous carbon of Comparative Example 3, which was produced using glucose instead of the organic acid, formed a dense porous structure. Specifically, the macropore volume was as small as 0.20 cm 3 /g, the ratio was as low as 40%, and the powder electrical conductivity was as low as 14 S/cm. On the other hand, by combining the organic acid salt and the first organic acid, the porous carbon of the example secures a high powder conductivity of 20 S/m or more, while maintaining a high conductivity of 0.5 cm 3 /g or more. Macropore volume can be ensured. In addition, in Examples, a high macropore volume ratio of 50% or more (further 60% or more) can be secured.
有機酸塩のみを用いた比較例1に比べて、実施例1では、メソ孔容積およびマクロ孔容積が大きく、マイクロ孔容積が小さいことから、小さな細孔よりも大きな細孔が生じやすくなっていると言える。他の実施例でも、メソ孔容積およびマクロ孔容積は大きいことから、実施例1と同様に、第1有機酸を用いることで大きな細孔が形成され易くなっていると言える。 Compared to Comparative Example 1 using only an organic acid salt, in Example 1, the mesopore volume and macropore volume are large, and the micropore volume is small, so that large pores are more likely to occur than small pores. It can be said that there are Since the mesopore volume and the macropore volume are large in the other examples as well, it can be said that the use of the first organic acid facilitates the formation of large pores, as in the case of the first example.
より高温での熱処理を行うと、多孔質炭素の結晶性が高まり易いため、導電性は向上するが、メソ孔およびマクロ孔は減少し、マイクロ孔が増加すると考えられる。しかし、実施例では、有機酸塩と第1有機酸とを併用することで、炭素骨格の構造が最適化されるためか、マクロ孔容積の減少を抑制することができる(実施例4および5)。 Heat treatment at a higher temperature tends to increase the crystallinity of the porous carbon, so that the electrical conductivity is improved, but the mesopores and macropores are reduced and the micropores are increased. However, in the examples, the combination of the organic acid salt and the first organic acid can optimize the structure of the carbon skeleton, and can suppress the decrease in the macropore volume (Examples 4 and 5). ).
本発明の一側面に係る製造方法によれば、有機酸塩と有機酸とを併用することで、マクロ孔容積が大きく導電性が高い多孔質炭素を容易に製造できる。多孔質炭素は高い導電性を有するため、導電材として利用するのに適している。また、多孔質炭素は、比較的大きなBET比表面積を有するとともに、マクロ孔容積が大きいため、電解液などの液体に対する親和性も高い。よって、電解液を用いる電池やコンデンサなどの電極材料に用いることができる。多孔質炭素は、吸着性が高く、サイズの大きな分子(巨大分子なども含む)を吸着することもできるため、吸着材などとしての利用の他、リチウム硫黄電池の導電材としての利用も期待される。
According to the production method according to one aspect of the present invention, by using an organic acid salt and an organic acid in combination, porous carbon having a large macropore volume and high conductivity can be easily produced. Since porous carbon has high conductivity, it is suitable for use as a conductive material. In addition, since porous carbon has a relatively large BET specific surface area and a large macropore volume, it also has a high affinity for liquids such as electrolytic solutions. Therefore, it can be used as an electrode material for batteries, capacitors, and the like that use an electrolytic solution. Porous carbon has high adsorptivity and can adsorb large molecules (including macromolecules), so it is expected to be used not only as an adsorbent but also as a conductive material for lithium-sulfur batteries. be.
Claims (15)
BJH法によるマクロ孔容積が、0.67cm3/g以上であり、
63MPaに加圧された状態における粉体導電率が、20S/cm以上であり、
ホウ素ドープ、硫黄ドープ、リンドープ、および窒素ドープがされていない、多孔質炭素。 A specific surface area by the BET method is 200 m 2 /g or more and 650 m 2 /g or less,
The macropore volume by the BJH method is 0.67 cm 3 /g or more,
The powder conductivity under pressure of 63 MPa is 20 S / cm or more,
Porous carbon that is not boron-doped, sulfur-doped, phosphorous-doped, or nitrogen-doped.
BJH法によるマクロ孔容積が、0.67cm3/g以上であり、
63MPaに加圧された状態における粉体導電率が、51S/cm以上である、多孔質炭素。 A specific surface area by the BET method is 200 m 2 /g or more and 650 m 2 /g or less,
The macropore volume by the BJH method is 0.67 cm 3 /g or more,
Porous carbon having a powder conductivity of 51 S/cm or more under pressure of 63 MPa.
(1)有機酸塩と第1有機酸とを混合して混合物を得る工程と、
(2)不活性ガス雰囲気中で前記混合物を熱処理して、炭化物を得る工程と、
(3)前記炭化物から多孔質炭素を得る工程と、を含み、
前記工程(3)が、前記炭化物を酸洗浄する工程を含み、
前記混合物は、ホウ素ドープ、硫黄ドープ、リンドープ、および窒素ドープのための物質を含まない、多孔質炭素の製造方法。 The following steps:
(1) mixing an organic acid salt and a first organic acid to obtain a mixture;
(2) heat-treating the mixture in an inert gas atmosphere to obtain a carbide;
(3) obtaining porous carbon from the carbide;
The step (3) includes acid washing the carbide,
A method for producing porous carbon, wherein the mixture does not contain substances for boron doping, sulfur doping, phosphorus doping, and nitrogen doping.
前記第1温度は、600℃以上800℃以下である、請求項8に記載の多孔質炭素の製造方法。 The step (2) includes a primary heat treatment step of heat-treating at a first temperature,
The method for producing porous carbon according to claim 8, wherein the first temperature is 600°C or higher and 800°C or lower.
(1)有機酸塩と第1有機酸とを混合して混合物を得る工程と、
(2)不活性ガス雰囲気中で前記混合物を熱処理して、炭化物を得る工程と、
(3)前記炭化物から多孔質炭素を得る工程と、を含み、
前記工程(2)は、第1温度で熱処理する一次熱処理工程を含み、
前記第1温度は、600℃以上800℃以下であり、
前記工程(3)は、前記炭化物を酸洗浄する工程と、前記酸洗浄工程の後、前記第1温度よりも高い第2温度で熱処理する二次熱処理工程とを含む、多孔質炭素の製造方法。 The following steps:
(1) mixing an organic acid salt and a first organic acid to obtain a mixture;
(2) heat-treating the mixture in an inert gas atmosphere to obtain a carbide;
(3) obtaining porous carbon from the carbide;
The step (2) includes a primary heat treatment step of heat-treating at a first temperature,
the first temperature is 600° C. or higher and 800° C. or lower;
The step (3) includes a step of pickling the carbide, and a secondary heat treatment step of heat-treating at a second temperature higher than the first temperature after the pickling step. A method for producing porous carbon. .
前記第1有機酸の炭素数は、6以下である、請求項8~12のいずれか1項に記載の多孔質炭素の製造方法。 The first organic acid is at least one selected from the group consisting of polyvalent carboxylic acids and hydroxycarboxylic acids,
The method for producing porous carbon according to any one of claims 8 to 12, wherein the first organic acid has 6 or less carbon atoms.
前記第2有機酸の炭素数は、6以下である、請求項14に記載の多孔質炭素の製造方法。 The second organic acid is at least one selected from the group consisting of polyvalent carboxylic acids and hydroxycarboxylic acids,
The method for producing porous carbon according to claim 14, wherein the second organic acid has 6 or less carbon atoms.
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