WO2007094429A1 - Electrode material and energy conversion device using same - Google Patents

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WO2007094429A1
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Tsutomu Kajino
Norihiko Setoyama
Keiko Uemura
Yoshiaki Fukushima
Hisao Kato
Seiya Tsujimura
Kenji Kano
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Abstract

Disclosed is an electrode material comprising a carbon porous body and an oxidation-reduction enzyme supported by the carbon porous body.

Description

明 細 書  Specification
電極材料、並びにそれを用いたエネルギー変換デバイス  Electrode material and energy conversion device using the same
技術分野  Technical field
[0001] 本発明は、電極材料、並びにそれを用いたエネルギー変換デバイスに関し、より詳 しくは、炭素複合材料からなる電極材料、並びにそれを用いたエネルギー変換デバ イスに関する。 背景技術  [0001] The present invention relates to an electrode material and an energy conversion device using the same, and more particularly to an electrode material made of a carbon composite material and an energy conversion device using the same. Background art
[0002] 従来、多孔体に関する様々な研究がなされており、その吸着性を利用して、触媒、 電極材料等の担体への適用が検討されている。そして、このような多孔体を担体とし て、その担体に機能性分子を担持させた様々な炭素複合材料が開示されて!、る。  [0002] Conventionally, various studies on porous bodies have been conducted, and application to a carrier such as a catalyst or an electrode material has been studied using its adsorptivity. Various carbon composite materials in which such a porous body is used as a carrier and a functional molecule is supported on the carrier are disclosed.
[0003] 例 は、 A.Vinu et ai., Adsorption of Cytochrome C on New Mesoporous[0003] An example is A.Vinu et ai., Adsorption of Cytochrome C on New Mesoporous
Carbon Molecular Sieves", J.Phys.Chem.B, 2003, Vol.107, p.8297〜8299 (文 献 1)においては、メソポーラスカーボンモレキュラーシーブにチトクローム Cを担持さ せた炭素複合材料が開示されて 、る。 Carbon Molecular Sieves ", J. Phys. Chem. B, 2003, Vol. 107, p.8297-8299 (Reference 1) discloses a carbon composite material in which cytochrome C is supported on a mesoporous carbon molecular sieve. And
[0004] しかしながら、上記文献 1にお!/、ては、メメソポーラスカーボンモレキュラーシーブに チトクローム Cを担持させた炭素複合材料を電極材料に適用する旨の記載はな 、。 発明の開示 [0004] However, in the above-mentioned document 1, there is no description that a carbon composite material in which cytochrome C is supported on a mesoporous carbon molecular sieve is applied to an electrode material. Disclosure of the invention
[0005] 本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、担持成分の 十分な安定性と優れた活性とを得ることができ、担体と担持成分との間の効率的な電 子伝導が可能な電極材料及びそれを用いたエネルギー変換デバイスを提供すること を目的とする。  [0005] The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and can provide sufficient stability and excellent activity of the support component, and can efficiently achieve the efficiency between the support and the support component. It is an object of the present invention to provide an electrode material capable of efficient electronic conduction and an energy conversion device using the same.
[0006] 本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、カーボン多孔体に 酸化還元酵素を担持させることによって、担持成分の十分な安定性と優れた活性と を得ることができ、担体と担持成分との間の効率的な電子伝導が可能な電極材料が 得られることを見出し、本発明を完成するに至った。  [0006] As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors obtain sufficient stability and excellent activity of the loaded component by loading the oxidoreductase on the carbon porous body. Thus, it was found that an electrode material capable of efficient electron conduction between the carrier and the supported component was obtained, and the present invention was completed.
[0007] すなわち、本発明の電極材料は、カーボン多孔体と、前記カーボン多孔体に担持 された酸化還元酵素とを備える、ものである。 [0008] 上記本発明に力かる前記カーボン多孔体としては、比表面積が 100m2Zg以上で あり、且つ、細孔径分布領域が 2ηπ!〜 lOOnmの範囲における全細孔容量を基準と して、平均細孔径の ± 25%の範囲における細孔容量が 60%以上のものであること が好ましい。 That is, the electrode material of the present invention comprises a carbon porous body and an oxidoreductase supported on the carbon porous body. [0008] The carbon porous body that is effective in the present invention has a specific surface area of 100 m 2 Zg or more and a pore diameter distribution region of 2ηπ! Based on the total pore volume in the range of ~ lOOnm, the pore volume in the range of ± 25% of the average pore diameter is preferably 60% or more.
[0009] また、上記本発明に力かる前記カーボン多孔体としては、スキャン領域 2 Θ =0. 5 〜10° (CuK 線)において X線回折ピークが認められず、吸脱着等温線カゝら計算さ れた細孔径分布にお 、て、分布ピークトップの細孔径値が lnm以上 lOnm未満の範 囲に存在する場合には該細孔径値 (d)に対して d士 2nmの細孔径領域に全細孔容 量の 60%以上が含まれており、また分布ピークトップの細孔径値が 10nm以上 50η m以下の範囲に存在する場合には該細孔径値 (D)に対して (0. 75 X D)〜(1. 25 X D) nmの細孔径領域に全細孔容量の 60%以上が含まれるカーボンゲルであるこ とが好ましい。  [0009] Further, as the carbon porous body that is useful in the present invention, an X-ray diffraction peak is not observed in the scan region 2 Θ = 0.5 to 10 ° (CuK line), and adsorption and desorption isotherm In the calculated pore size distribution, if the pore size value at the top of the distribution peak is in the range of 1 nm or more and less than lOnm, the pore size range of d 2 nm with respect to the pore size value (d). If the pore size value at the top of the distribution peak is in the range of 10 nm or more and 50 η m or less, (0) with respect to the pore size value (D) 75 XD) to (1.25 XD) A carbon gel containing 60% or more of the total pore volume in the pore diameter region is preferable.
[0010] また、本発明においては、前記カーボンゲル力 分布ピークトップの細孔径値が 1 [0010] In the present invention, the pore diameter value of the carbon gel force distribution peak top is 1
〜20nmのものであることが好まし!/、。 Preferable to be ~ 20nm! /.
[0011] さらに、本発明においては、前記カーボンゲル力 平均粒径が 2〜50nmの一次粒 子からなるものであることが好まし 、。 [0011] Further, in the present invention, it is preferable that the carbon gel force average particle diameter is composed of primary particles having a particle diameter of 2 to 50 nm.
[0012] また、上記本発明に力かる前記酸ィ匕還元酵素としては、ラッカーゼ及びピリルビン ォキシターゼカ なる群力 選択される少なくとも 1種の酵素であることが好ましい。 [0012] In addition, the acid reductase that is effective in the present invention is preferably at least one enzyme selected from the group powers of laccase and pyrilvin oxidase.
[0013] さらに、上記本発明の電極材料においては、前記カーボン多孔体に担持された電 子伝達物質を更に備えることが好まし 、。 [0013] Furthermore, it is preferable that the electrode material of the present invention further includes an electron transmission material supported on the carbon porous body.
[0014] また、上記本発明の電極材料にぉ 、ては、前記カーボン多孔体が細孔を有し、前 記酸ィ匕還元酵素のうちの少なくとも一部が前記細孔内に担持されていることが好まし い。 [0014] Further, in the electrode material of the present invention, the carbon porous body has pores, and at least a part of the acid-reductase is supported in the pores. I prefer to be there.
[0015] さらに、本発明のエネルギー変換デバイスは、上記本発明の電極材料を備える、も のである。  [0015] Furthermore, an energy conversion device of the present invention comprises the electrode material of the present invention.
[0016] 本発明によれば、担持成分の十分な安定性と優れた活性とを得ることができ、担体 と担持成分との間の効率的な電子伝導が可能な電極材料及びそれを用いたェネル ギー変換デバイスを提供することが可能となる。 図面の簡単な説明 [0016] According to the present invention, an electrode material capable of obtaining sufficient stability and excellent activity of the supported component and capable of efficient electron conduction between the carrier and the supported component and the same are used. An energy conversion device can be provided. Brief Description of Drawings
[0017] [図 1]図 1は、実施例 5で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用いて得られ たサイクリックボルタムグラムである。  [0017] FIG. 1 is a cyclic voltammogram obtained using an electrode whose surface is modified with the electrode material obtained in Example 5.
[図 2]図 2は、比較例 1で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用いて得られ たサイクリックボルタムグラムである。  [FIG. 2] FIG. 2 is a cyclic voltammogram obtained using an electrode whose surface is modified with the electrode material obtained in Comparative Example 1.
[図 3]図 3は、実施例 7及び比較例 2で得られた電極材料が表面に修飾された電極を 用いて得られたサイクリックボルタムグラムである。  [Fig. 3] Fig. 3 is a cyclic voltammogram obtained by using an electrode obtained by modifying the electrode material obtained in Example 7 and Comparative Example 2 on the surface.
[図 4]図 4は、図 3に示すサイクリックボルタグラムの電流 200〜100 μ Αの範囲を 拡大して示すサイクリックボルタムグラムである。  [FIG. 4] FIG. 4 is a cyclic voltammogram showing the cyclic voltagram shown in FIG. 3 in an enlarged range of 200 to 100 μΑ current.
発明を実施するための最良の形態  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0018] 以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail according to preferred embodiments thereof.
[0019] 本発明の電極材料は、カーボン多孔体と、前記カーボン多孔体に担持された酸ィ匕 還元酵素とを備えるものである。 The electrode material of the present invention includes a carbon porous body and an acid reductase supported on the carbon porous body.
[0020] (カーボン多孔体) [0020] (porous carbon body)
本発明にかかるカーボン多孔体としては、担持成分の安定性及び活性を十分に向 上させることが可能となる比表面積、細孔径及び細孔容量を有するカーボン多孔体 であるメソポーラスカーボン粒子やカーボンゲルが含有され、 、わゆるカーボンブラッ クは含有されない。  As the carbon porous body according to the present invention, mesoporous carbon particles or carbon gels, which are carbon porous bodies having a specific surface area, pore diameter and pore volume, which can sufficiently improve the stability and activity of the supported component. Is contained, and so-called carbon black is not contained.
[0021] このようなカーボン多孔体の平均細孔径としては、 2〜50nmであることが好ましぐ 2〜20nmであることが特に好まし!/、。カーボン多孔体の平均細孔径が 2nm未満で は、細孔の大きさが担持成分の大きさよりも小さくなることが多くなり、吸着性が低下し てしまう傾向にあり、他方、 50nmを超えると、比表面積の低下を招き、吸着性が低下 してしまう傾向にある。また、カーボン多孔体の平均細孔径が 20nmを超えると、一部 の担持成分を担持する際に不都合が生じ易くなる傾向にある。  [0021] The average pore diameter of such a carbon porous body is preferably 2 to 50 nm, particularly preferably 2 to 20 nm! /. If the average pore diameter of the carbon porous body is less than 2 nm, the pore size tends to be smaller than the size of the supported component, and the adsorptivity tends to decrease. There is a tendency for the specific surface area to decrease and the adsorptivity to decrease. Further, when the average pore diameter of the carbon porous body exceeds 20 nm, there is a tendency that inconvenience is likely to occur when a part of the supporting component is supported.
[0022] また、担持成分の担持量の低減を防止する観点から、本発明にカゝかるカーボン多 孔体の平均細孔径は担持成分の分子径以上であることが好ましぐ担持成分の分子 径の 1〜1. 25倍程度であることがより好ましい。本発明に力かるカーボン多孔体の 平均細孔径が、前述のような大きさであると、担持成分がその分子径に合わせた細 孔内に固定されることから、熱により担持成分が失活する際に生じてしまう構造変化 を細孔外壁が抑制するため、担持成分の失活を防ぐことができ、熱的安定性が向上 する傾向にある。 [0022] In addition, from the viewpoint of preventing a reduction in the amount of the supported component, the average pore size of the carbon porous body according to the present invention is preferably equal to or larger than the molecular size of the supported component. More preferably, it is about 1 to 1.25 times the diameter. When the average pore diameter of the carbon porous material that is useful in the present invention is as described above, the supported component is finely matched to the molecular diameter. Because it is fixed in the pores, the outer wall of the pores suppress structural changes that occur when the supported component is deactivated by heat, so that the deactivated supported component can be prevented and the thermal stability is improved. Tend to.
[0023] また、本発明に力かるカーボン多孔体としては、細孔径分布領域が 2ηπ!〜 lOOnm の範囲における全細孔容量を基準として、平均細孔径の ± 25%の範囲における細 孔容量が 60%以上であるものが好ましい。細孔径の均一性がこれより悪いと酸化還 元酵素等の担持成分の担持に最適な細孔径以外の細孔の成分が多くなり、酸ィ匕還 元酵素の安定性及び活性が十分に向上しな ヽ傾向にある。  [0023] Further, as a carbon porous body that is useful in the present invention, the pore size distribution region is 2ηπ! Based on the total pore volume in the range of ~ lOOnm, those having a pore volume in the range of ± 25% of the average pore diameter of 60% or more are preferable. If the uniformity of the pore size is worse than this, there will be more pore components other than the optimum pore size for supporting the oxidative reduction enzyme and other supporting components, and the stability and activity of the acid reduction enzyme will be sufficiently improved. There is a tendency to ヽ.
[0024] また、本発明に力かるカーボン多孔体の比表面積は、 100m2/g以上であることが 好ましぐ 500〜1000m2Zgであることが更に好ましい。カーボン多孔体の比表面積 力 Sl00m2Zg未満の場合には、担持成分との接触面積の低下及び担持成分を取り 込む細孔の減少が生じ、吸着性が低いものとなってしまう傾向にある。 [0024] The specific surface area of the porous carbon material according to the present invention is preferably 100 m 2 / g or more, more preferably 500 to 1000 m 2 Zg. When the specific surface area force of the carbon porous body is less than Sl00m 2 Zg, the contact area with the supporting component is reduced and the pores taking in the supporting component are reduced, so that the adsorptivity tends to be low.
[0025] さらに、本発明にかかるカーボン多孔体の細孔容量は、上記比表面積及び平均細 孔径によっても変動するため特に制限されないが、 0. l〜50mlZgであることが好ま しく、 0. 2〜2. 5mlZgであることがより好ましい。  [0025] Further, the pore volume of the carbon porous body according to the present invention is not particularly limited because it varies depending on the specific surface area and the average pore diameter, but is preferably 0.1 to 50 mlZg, and 0.2. More preferably, it is -2.5 mlZg.
[0026] また、担持成分の担持量の低減を防止する観点から、本発明にカゝかるカーボン多 孔体の細孔のうちの前記酸化還元酵素の分子径以上の細孔径を有する細孔の全容 量が、担持された前記酸ィ匕還元酵素の全体積以上であることが好ましい。  [0026] From the viewpoint of preventing a reduction in the amount of the supported component, among the pores of the carbon porous body according to the present invention, pores having a pore diameter equal to or larger than the molecular diameter of the oxidoreductase are used. The total volume is preferably equal to or greater than the total volume of the supported acid reductase.
[0027] 本発明にかかるカーボン多孔体の比表面積、平均細孔径及び細孔容量は、以下 に述べる方法により求めることができる。すなわち、カーボン多孔体を所定の容器に 入れて液体窒素温度(一 196°C)に冷却し、容器内に窒素ガスを導入して定容量法 又は重量法によりその吸着量を求める。次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に 増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットして窒素吸着等温線を得 る。この窒素吸着等温線を用い、 SPE (Subtracting Pore Effect)法により比表面積 、平均細孔径及び細孔容量を算出することができる(K.Kaneko, C.Ishii, M.Ruike, [0027] The specific surface area, average pore diameter and pore volume of the carbon porous body according to the present invention can be determined by the methods described below. That is, the carbon porous body is put in a predetermined container, cooled to liquid nitrogen temperature (196 ° C.), nitrogen gas is introduced into the container, and the adsorption amount is obtained by a constant volume method or a gravimetric method. Next, the pressure of the introduced nitrogen gas is gradually increased, and the nitrogen gas adsorption isotherm is obtained by plotting the nitrogen gas adsorption amount with respect to each equilibrium pressure. Using this nitrogen adsorption isotherm, the specific surface area, average pore diameter and pore volume can be calculated by the SPE (Subtracting Pore Effect) method (K.Kaneko, C.Ishii, M.Ruike,
H.Kuwabara, Carbon 30, 1075, 1986)。上記 SPE法とは、 α —プロット法、 tープ s H. Kuwabara, Carbon 30, 1075, 1986). The above SPE method is α-plot method, t-top s
ロット法等によってミクロ細孔解析を行 、、ミクロ細孔の強 、ポテンシャル場の効果を 取り除いて比表面積等を算出する方法であり、ミクロ細孔性多孔体の比表面積等の 算出にお 、て BET法よりも精度の高 、方法である。 This is a method to calculate the specific surface area etc. by removing the effect of the micropore strength and potential field by performing micropore analysis by the lot method etc. The calculation is more accurate than the BET method.
[0028] また、前記メソポーラスカーボン粒子とは、 2〜100nmの細孔径分布における細孔 容量の全体を基準として、 2〜: LOnmの細孔径分布における細孔容量が 80%以上で あり、粒子内にメソ細孔を有するカーボン粒子である。なお、このような細孔径分布を 測定する方法としては XRD及び窒素吸着法により測定する方法が挙げられる。  [0028] Further, the mesoporous carbon particles are based on the whole pore volume in the pore size distribution of 2 to 100 nm, 2 to: the pore volume in the pore size distribution of LOnm is 80% or more, The carbon particles have mesopores. Examples of methods for measuring such pore size distribution include XRD and nitrogen adsorption methods.
[0029] このようなメソポーラスカーボン粒子を製造する方法は特に限定されず、例えば、以 下のような方法を採用することができる。すなわち、シリカ、チタ-ァ等の多孔質粒子 に対して、ショ糖、フルフリルアルコール等の有機分子を吸着、含浸させた後に、不 活性雰囲気下で炭素化する。その後、フッ酸や、 NaOHZEtOH等によりシリカ等の 铸型となった粒子を溶解、除去することでシリカ等の多孔質粒子を铸型とするメソポ 一ラスカーボン粒子が製造できる。例えば铸型となる多孔質粒子としては、シリカメソ 多孔体の MCM— 48が使用できる。  [0029] The method for producing such mesoporous carbon particles is not particularly limited, and for example, the following method can be employed. That is, porous particles such as silica and titer are adsorbed and impregnated with organic molecules such as sucrose and furfuryl alcohol, and then carbonized in an inert atmosphere. Thereafter, mesoporous carbon particles having porous particles such as silica in a bowl shape can be produced by dissolving and removing the particles in a bowl shape such as silica with hydrofluoric acid or NaOHZEtOH. For example, silica mesoporous MCM-48 can be used as a porous porous particle.
[0030] また、前記カーボンゲルとは、以下の(i)〜 (ii)の条件を満たすものである。  [0030] The carbon gel satisfies the following conditions (i) to (ii).
(i) X線回折測定 (XRD)において、スキャン領域 2 0 =0. 5〜10° (CuK 線)にお V、て X線回折ピークが認められな 、。  (i) In X-ray diffraction measurement (XRD), V and X-ray diffraction peaks are not observed in the scan region 20 = 0.5 to 10 ° (CuK line).
(ii)吸脱着等温線力も計算された細孔径分布において、分布ピークトップの細孔径 値が lnm以上 lOnm未満の範囲に存在する場合には前記細孔径値 (d)に対して d 士 2nmの細孔径領域に全細孔容量の 60%以上が含まれており、また分布ピークトツ プの細孔径値が lOnm以上 50nm以下の範囲に存在する場合には該細孔径値 (D) に対して(0. 75 X D)〜(1. 25 X D) nmの細孔径領域に全細孔容量の 60%以上が 含まれる。  (ii) In the pore size distribution in which the adsorption / desorption isotherm force is also calculated, if the pore size value at the top of the distribution peak is in the range of 1 nm or more and less than lOnm, d is 2 nm with respect to the pore size value (d). When the pore size region contains 60% or more of the total pore volume and the pore size value of the distribution peak top is in the range of lOnm or more and 50nm or less, the pore size value (D) More than 60% of the total pore volume is included in the pore diameter region of (0.75 XD) to (1.25 XD) nm.
[0031] ここで、 X線回折ピークは、そのピーク角度に相当する d値の周期構造が試料中に あることを意味する。したがって、スキャン領域 2 Θ =0. 5〜10° (CuK 線)におい て 1本以上のピークが認められる炭素系多孔体は、細孔が 0. 9〜17. 7nmの周期で 規則的に配列している、いわゆるメソポーラスカーボン (MPC)である。そして、担体 力 のようなメソポーラスカーボンの場合、担持される成分に対する安定性及び活性 化の十分な向上が達成されない傾向にある。  [0031] Here, the X-ray diffraction peak means that a periodic structure having a d value corresponding to the peak angle is present in the sample. Therefore, carbon-based porous materials with one or more peaks in the scan region 2 Θ = 0.5 to 10 ° (CuK line) are regularly arranged with a period of 0.9 to 17.7 nm. This is so-called mesoporous carbon (MPC). In the case of mesoporous carbon such as carrier strength, there is a tendency that sufficient improvement in stability and activation with respect to the supported component is not achieved.
[0032] 前記カーボンゲルは、スキャン領域 2 0 =0. 5〜10° (CuK 線)において X線回 折ピークが認められないものであり、その細孔が周期的配列構造を有しておらず、相 互に連結した 3次元的ネットワーク構造を有して 、る。このようなカーボンゲルを担体 として用いることにより、その理由は定かではないが、担持成分に対する安定性及び 活性ィ匕が驚くべきことに向上する。 [0032] The carbon gel has an X-ray rotation in a scan region 20 = 0.5 to 10 ° (CuK line). Folded peaks are not observed, and the pores do not have a periodic array structure, but have a three-dimensional network structure connected to each other. By using such a carbon gel as a carrier, the reason and the activity are surprisingly improved, although the reason is not clear.
[0033] なお、 X線回折測定 (XRD)にお 、てバックグラウンドノイズ強度に対するピーク強 度の比が 3未満のものは X線回折ピークと認めない。すなわち、「スキャン領域 2 0 = 0. 5〜10° (CuK 線)において X線回折ピークが認められない」とは、スキャン領域 2 Θ =0. 5〜10° (CuK 線)において、バックグラウンドノイズ強度に対するピーク 強度の比が 3以上の X線回折ピークは 1本も観測されないことをいう。  [0033] In X-ray diffraction measurement (XRD), a peak intensity ratio with respect to background noise intensity of less than 3 is not recognized as an X-ray diffraction peak. That is, “X-ray diffraction peaks are not observed in the scan region 2 0 = 0.5 to 10 ° (CuK line)” means that the background in the scan region 2 Θ = 0.5 to 10 ° (CuK line). No X-ray diffraction peak with a ratio of peak intensity to noise intensity of 3 or more is observed.
[0034] また、前記カーボンゲルは、前記一次粒子力もなる凝集体であり、吸脱着等温線か ら計算された細孔径分布において、(ii 1)分布ピークトップの細孔径値が lnm以上 lOnm未満の範囲に存在する場合には該細孔径値 (d)に対して d士 2nmの細孔径 領域に全細孔容量の 60%以上が含まれており、また、(ii— 2)分布ピークトップの細 孔径値が lOnm以上 50nm以下の範囲に存在する場合には前記細孔径値 (D)に対 して(0. 75 X D)〜(1. 25 X D) nmの細孔径領域に全細孔容量の 60%以上が含ま れるものである。細孔径の均一性がこれより悪いと、酵素等の担持に最適な細孔径以 外の細孔の成分が多くなり、得られる効果が低減する。  [0034] Further, the carbon gel is an aggregate having the primary particle force, and in the pore size distribution calculated from the adsorption / desorption isotherm, (ii 1) the pore size value of the distribution peak top is not less than lnm and less than lOnm. In the range of the pore diameter value (d), the pore diameter region of d 2 nm contains 60% or more of the total pore volume, and (ii-2) the distribution peak top When the pore diameter value of s is in the range of lOnm or more and 50 nm or less, all pores are in the pore diameter region of (0.75 XD) to (1.25 XD) nm with respect to the pore diameter value (D). It contains more than 60% of capacity. If the uniformity of the pore diameter is worse than this, the number of pore components other than the optimum pore diameter for supporting an enzyme or the like increases, and the obtained effect is reduced.
[0035] さらに、前記カーボンゲルの前記分布ピークトップの細孔径値は l〜20nmであるこ とが好ましい。カーボンゲルの前記細孔径値が lnm未満では、細孔の大きさが担持 成分の大きさよりも小さくなることが多くなり、吸着性が低下してしまい、他方、 50nm を超えると、比表面積の低下を招き、吸着性が低下してしまう。また、カーボンゲルの 前記細孔径値が 20nmを超えると、担持成分を担持する際に不都合が生じ易くなる 傾向にある。  [0035] Further, the pore size value of the distribution peak top of the carbon gel is preferably 1 to 20 nm. When the pore size value of the carbon gel is less than 1 nm, the pore size is often smaller than the size of the supported component, and the adsorptivity is reduced. On the other hand, when it exceeds 50 nm, the specific surface area is reduced. And the adsorptivity decreases. Further, if the pore diameter value of the carbon gel exceeds 20 nm, there is a tendency that inconvenience is likely to occur when the supporting component is supported.
[0036] また、前記カーボンゲルとしては、平均粒径が 2〜50nmの一次粒子力 なるものが 好ましぐより好ましくは平均粒径力 〜20nmの一次粒子力もなるものである。カー ボンゲルを構成する一次粒子の平均粒径が 2nm未満では、細孔の大きさが担持成 分の大きさよりも小さくなることが多くなり、吸着性が低下してしまい、他方、 50nmを 超えると、比表面積の低下を招き、吸着性が低下してしまう。 [0037] このようなカーボンゲルを製造する方法は特に制限されず、従来公知の方法を採 用して適宜製造することが可能である。このようなカーボンゲルの製造方法としては、 例えば、以下に説明する方法が挙げられる。 [0036] The carbon gel is preferably one having an average particle size of primary particle force of 2 to 50 nm, more preferably an average particle size of 20 nm. If the average particle size of the primary particles constituting the carbon gel is less than 2 nm, the size of the pores is often smaller than the size of the supported component, and the adsorptivity is reduced, whereas if the average particle size exceeds 50 nm. The specific surface area is reduced and the adsorptivity is reduced. [0037] The method for producing such a carbon gel is not particularly limited, and can be suitably produced by employing a conventionally known method. Examples of a method for producing such a carbon gel include the method described below.
[0038] すなわち、先ず、例えば、文献(R. W. Pekala, C. T. Alviso, F. M. Kong, an d S. S. Hulsey, J. Non— cryst. Solids vol. 145, p. 90 (1992年))に記載 の方法に準じて有機ゲルを合成する。すなわち、レゾルシノール等のフエノール類と ホルムアルデヒド等のアルデヒド類をアルカリ触媒又は酸触媒の存在下で反応させ、 熟成させてフエノール榭脂からなる有機ゲルを得る。次に、得られた有機ゲルを乾燥 させた後、不活性雰囲気下で焼成して炭素化せしめることにより、カーボンゲルを得 ることが可能である。  [0038] That is, first, according to the method described in the literature (RW Pekala, CT Alviso, FM Kong, and SS Hulsey, J. Non-cryst. Solids vol. 145, p. 90 (1992)). To synthesize an organic gel. That is, phenols such as resorcinol and aldehydes such as formaldehyde are reacted in the presence of an alkali catalyst or an acid catalyst, followed by aging to obtain an organic gel composed of phenol resin. Next, after drying the obtained organic gel, it is possible to obtain a carbon gel by baking it in an inert atmosphere and carbonizing it.
[0039] (酸化還元酵素) [0039] (oxidoreductase)
本発明に力かる酸ィ匕還元酵素は、本発明の電極材料を正極側の材料として用いる 力 あるいは負極側の材料として用いるかによつて、それに見合う好適な酵素を適宜 選択して用いる。  A suitable enzyme suitable for the present invention is appropriately selected depending on whether the electrode material of the present invention is used as the positive electrode material or the negative electrode material.
[0040] 本発明の電極材料を正極側の材料として用いる場合には、本発明にカゝかる酸ィ匕還 元酵素は反応により電子を受け取ることができる酵素であれば特に制限されず、プロ トンと酸素を基質に水を生ずる反応を触媒することが可能なラッカーゼゃビリルビン ォキシダーゼが特に好まし 、。  [0040] When the electrode material of the present invention is used as a material on the positive electrode side, the acid-reducing enzyme according to the present invention is not particularly limited as long as it is an enzyme that can receive electrons by reaction. Especially preferred is laccase bilirubin oxidase, which can catalyze the reaction that produces water using tons and oxygen as substrates.
[0041] 一方、本発明の電極材料を負極側の材料として用いる場合には、本発明にかかる 酸化還元酵素は反応により電子を放出できる酵素であれば特に制限されず、アルコ ールを酸ィ匕して電子を放出する反応を触媒することが可能なアルコールデヒドロゲナ ーゼ、アルデヒドやギ酸を酸化するアルデヒドデヒドロゲナーゼゃギ酸デヒドロゲナー ゼ等を挙げることができる。また、このような負極側の電極材料に用いられる酸ィ匕還 元酵素としては、電子を供給する原料に応じて対応するォキシダーゼゃデヒドロゲナ ーゼ等の酸化酵素を利用でき、具体的には、アルコールを原料とするアルコールォ キシダーゼ、ギ酸などの有機酸を原料とする有機酸デヒドロゲナーゼ、糖を原料とす るグルコースォキシダーゼやグルコースデヒドロゲナーゼ等の糖ォキシダーゼゃ糖デ ヒドロゲナーゼが好適である。更には、水素を原料とするヒドロゲナーゼも好適に用い ることがでさる。 [0041] On the other hand, when the electrode material of the present invention is used as a negative electrode material, the oxidoreductase according to the present invention is not particularly limited as long as it is an enzyme capable of releasing an electron by reaction, and alcohol is converted to acid. Examples thereof include alcohol dehydrogenase capable of catalyzing a reaction that releases electrons, aldehyde dehydrogenase that oxidizes aldehyde and formic acid, and formate dehydrogenase. In addition, as such an acid-reducing enzyme used for the electrode material on the negative electrode side, a corresponding oxidase such as oxidase or dehydrogenase can be used according to the raw material for supplying electrons. Specifically, Alcohol oxidase using alcohol as a raw material, organic acid dehydrogenase using organic acid such as formic acid as a raw material, and glucose oxidase such as glucose oxidase and glucose dehydrogenase using saccharide as a raw material are preferable. Furthermore, hydrogenase from hydrogen is also preferably used. It can be done.
[0042] (電極材料)  [0042] (Electrode material)
上述のように、本発明の電極材料は、カーボン多孔体と、前記カーボン多孔体に担 持された酸ィ匕還元酵素とを備えるものである。  As described above, the electrode material of the present invention comprises a carbon porous body and an acid reductase supported on the carbon porous body.
[0043] 本発明の電極材料において、カーボン多孔体に担持されている酸ィ匕還元酵素の 量は、酵素活性が示されれば特に制限されないが、得られる電極材料において酸化 還元酵素が十分な活性を示すようになるという観点から、カーボン多孔体 100質量部 に対して酸化還元酵素の担持量が 0. 01〜80質量部程度であることが好ま 、。  [0043] In the electrode material of the present invention, the amount of acid reductase supported on the carbon porous body is not particularly limited as long as the enzyme activity is shown, but the obtained electrode material has sufficient oxidoreductase. From the viewpoint of exhibiting activity, it is preferable that the loading amount of the oxidoreductase is about 0.01 to 80 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon porous body.
[0044] また、カーボン多孔体に酸化還元酵素を担持せしめて本発明の電極材料を得る方 法も特に制限されず、昇華法、含浸法等の方法を採用することが可能であるが、以 下の含浸法がより好適である。すなわち、先ず、酸ィ匕還元酵素を沈殿が生じない濃 度 (好ましくは 0. lmgZml〜1000mgZml)となるように水又は緩衝液に溶解させ る。そして、その溶液が凍結することなぐまた酸化還元酵素が変性することのない温 度 (好ましくは 0°C〜50°C)でカーボン多孔体を懸濁させて、少なくとも 5分以上、好 ましくは 30分以上酸ィ匕還元酵素とカーボン多孔体とを接触させることによりカーボン 多孔体の細孔内に酸ィ匕還元酵素が固定化されて本発明の電極材料が得られる。  [0044] In addition, the method for obtaining the electrode material of the present invention by supporting an oxidoreductase on a carbon porous body is not particularly limited, and methods such as a sublimation method and an impregnation method can be employed. The following impregnation method is more preferred. That is, first, the acid reductase is dissolved in water or a buffer solution so as to have a concentration at which precipitation does not occur (preferably 0.1 mgZml to 1000 mgZml). Then, suspend the porous carbon body at a temperature (preferably 0 ° C to 50 ° C) that does not freeze the solution and does not denature the oxidoreductase, and it is preferable for at least 5 minutes or more. In this case, the acid reductase is immobilized in the pores of the carbon porous body by contacting the acid reductase with the carbon porous body for 30 minutes or more to obtain the electrode material of the present invention.
[0045] 上記溶液にカーボン多孔体を懸濁させる際の濃度は特に制限されないが、 0. 1〜 lOOOmgZml程度とすることが好ましい。また、上記担持工程の後に、更に、遠心分 離等を行ってカーボン多孔体複合材料を溶液と分離して取り出す工程を有して 、て もよぐまた、乾燥等を行って液体成分を除去した状態のカーボン多孔体複合材料を 得る工程を有して 、てもよ!/、。  [0045] The concentration when the carbon porous body is suspended in the above solution is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to lOOOOmgZml. Further, after the supporting step, there is a step of further separating the porous carbon composite material from the solution by performing centrifugal separation or the like, and removing the liquid component by performing drying or the like. It is possible to have a step of obtaining the carbon porous composite material in a state of being!
[0046] また、本発明の電極材料は、前記カーボン多孔体に担持された電子伝達物質を更 に備えることが好ましい。前記カーボン多孔体に酸ィ匕還元酵素に加えて電子伝達物 質を更に担持させることで、電子伝達物質と酸化還元酵素とが相俟って、より効率的 な電子伝導が可能となる傾向にある。このような電子伝達物質としては、チトクローム C、フェレドキシン等の電子伝達タンパク質、オスミウム (Os)錯体、ルテニウム (Ru) 錯体等の金属錯体、電子伝達機能を有する有機化合物等が挙げられる。なお、本発 明の電極材料にぉ 、ては、前記カーボン多孔体に担持させる電子伝達物質の量が 酸ィ匕還元酵素の量よりも過剰であることが好ま 、。 [0046] The electrode material of the present invention preferably further comprises an electron transfer substance supported on the carbon porous body. By further supporting an electron transfer substance in addition to the acid reductase on the carbon porous body, the electron transfer substance and the oxidoreductase combine to tend to enable more efficient electron conduction. is there. Examples of such electron transfer materials include electron transfer proteins such as cytochrome C and ferredoxin, metal complexes such as osmium (Os) complex and ruthenium (Ru) complex, and organic compounds having an electron transfer function. Note that the electrode material of the present invention has an amount of the electron transfer material carried on the porous carbon body. It is preferred to be in excess of the amount of acid reductase.
[0047] また、カーボン多孔体に電子伝達物質を担持せしめる方法としては、前述のような カーボン多孔体に酸化還元酵素を担持せしめる方法と同様の方法を採用することが できる。また、カーボン多孔体に電子伝達物質と酸化還元酵素とを同時に担持させ てもよい。 [0047] As a method for supporting the electron transfer substance on the carbon porous body, a method similar to the method for supporting the oxidoreductase on the carbon porous body as described above can be employed. Further, the electron transfer substance and the oxidoreductase may be simultaneously supported on the carbon porous body.
[0048] また、本発明の電極材料にぉ 、ては、前記カーボン多孔体が細孔を有し、前記酸 化還元酵素のうちの少なくとも一部が前記細孔内に担持されていることが好ましい。 このようなカーボン多孔体の細孔内に担持させる酸ィ匕還元酵素の量は特に制限され ず、目的とする電極材料の設計に応じて適宜調整することができ、所望の発電に必 要な量とすることが好ま 、。  [0048] Further, in the electrode material of the present invention, it is preferable that the carbon porous body has pores and at least a part of the oxidoreductase is supported in the pores. preferable. The amount of the acid reductase supported in the pores of such a carbon porous body is not particularly limited and can be appropriately adjusted according to the design of the target electrode material, and is necessary for desired power generation. Prefer to be in quantity.
[0049] 次に、本発明のエネルギー変換デバイスについて説明する。すなわち、本発明の エネルギー変換デバイスは、上記本発明の電極材料を備えるものである。このような エネルギー変換デバイスとしては、バイオセンサー、燃料電池、太陽電池等が挙げら れる。  [0049] Next, the energy conversion device of the present invention will be described. That is, the energy conversion device of the present invention comprises the electrode material of the present invention. Examples of such energy conversion devices include biosensors, fuel cells, and solar cells.
[0050] このようなバイオセンサーとしては、例えば、生体成分等の検出を行うための検出部 に上記本発明の電極材料を備えるものが挙げられる。このように、バイオセンサーに 上記本発明の電極材料を備えることで、酵素と電極間の電子移動が効率的に行なわ れるため高感度のセンシングが可能となる。また、このようなノィォセンサーの製造方 法は特に制限されず、公知の製造方法を適宜採用することができる。なお、前記生 体成分とは、一般に生体の範疇に含まれる生物そのもの及びこれらを構成して 、る あらゆる組織や細胞のことを意味し、更には、そのようなものを原料として製造、加工 された食品等についても生体成分に含まれるものとする。また、このようなバイオセン サ一としては、検出したい生体中の成分に合わせて、上記本発明の電極材料中に含 有される酸化還元酵素を選択すればょ ヽ。  [0050] Examples of such a biosensor include a sensor provided with the electrode material of the present invention in a detection unit for detecting a biological component or the like. In this way, by providing the biosensor with the electrode material of the present invention, electron transfer between the enzyme and the electrode is efficiently performed, so that highly sensitive sensing is possible. Moreover, the manufacturing method of such a nanosensor is not particularly limited, and a known manufacturing method can be appropriately employed. The biological components generally mean living organisms included in the category of living organisms and all tissues and cells constituting these, and are further manufactured and processed using such materials as raw materials. Foods etc. are also included in biological components. Moreover, as such a biosensor, it is only necessary to select the oxidoreductase contained in the electrode material of the present invention according to the component in the living body to be detected.
[0051] また、前記燃料電池又は前記太陽電池としては、例えば、前記燃料電池用又は前 記太陽電池用の電極に上記本発明の電極材料を備えるものが挙げられる。  [0051] Examples of the fuel cell or the solar cell include those having the electrode material of the present invention on the electrode for the fuel cell or the solar cell.
[0052] このような燃料電池用又は前記太陽電池用の電極は、例えば、上記本発明の電極 材料を所定の形状を有する電極用の芯材の表面に修飾させて得ることができる。ま た、このような芯材としては特に制限されず、燃料電池や太陽電池の電極に用いるこ とができる種々の材料を用いることができる。また、芯材の表面に本発明の電極材料 を修飾させて電極を得る方法は特に制限されないが、例えば、本発明の電極材料を 有機溶剤に分散させて得られる懸濁液を、前記芯材の表面に塗布して芯材の表面 に本発明の電極材料を修飾させて方法や、前記芯材の表面にカーボン多孔体を懸 濁させた溶液を塗布し、前記芯材の表面にカーボン多孔体を修飾させた後、その力 一ボン多孔体に酸化還元酵素を担持させて電極を製造する方法等を挙げることがで きる。 [0052] Such an electrode for a fuel cell or the solar cell can be obtained, for example, by modifying the electrode material of the present invention on the surface of an electrode core material having a predetermined shape. Ma Such a core material is not particularly limited, and various materials that can be used for electrodes of fuel cells and solar cells can be used. Further, the method for obtaining the electrode by modifying the electrode material of the present invention on the surface of the core material is not particularly limited. For example, a suspension obtained by dispersing the electrode material of the present invention in an organic solvent is used as the core material. A method in which the electrode material of the present invention is modified on the surface of the core material and a solution in which a porous carbon body is suspended is applied to the surface of the core material, and a carbon porous material is applied to the surface of the core material. Examples thereof include a method for producing an electrode by modifying the body and then supporting the oxidoreductase on the strong porous body.
実施例  Example
[0053] 以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより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。  Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[0054] (合成例 1〜5:カーボンゲルの合成)  [0054] (Synthesis Examples 1 to 5: Synthesis of carbon gel)
先ず、文献(R. W. Pekala, C. T. Alviso, F. M. Kong, and S. S. Hulsey, J. Non-cryst. Solids vol. 145, p. 90 (1992年))【こ記載の方法【こ準じて有機 ゲルの合成を行った。すなわち、レゾルシノール 5. 5g (和光純薬)及び炭酸ナトリウ ム 26. 5mg (和光純薬)を蒸留水 16. 9gに溶解し、その後 37%ホルムアルデヒド水 溶液 8. lg (和光純薬)を加え、攪拌混合した。混合溶液は薄黄色透明となった。な お、各成分のモル比は以下の通りである。  First, the literature (RW Pekala, CT Alviso, FM Kong, and SS Hulsey, J. Non-cryst. Solids vol. 145, p. 90 (1992)) went. That is, resorcinol 5.5g (Wako Pure Chemical Industries) and sodium carbonate 26.5mg (Wako Pure Chemical Industries) were dissolved in 16.9g of distilled water, and then 37% formaldehyde aqueous solution 8.lg (Wako Pure Chemical Industries) was added. Stir and mix. The mixed solution became light yellow and transparent. The molar ratio of each component is as follows.
レゾルシノール:炭酸ナトリウム:ホルムアルデヒド = 200: 1: 400  Resorcinol: Sodium carbonate: Formaldehyde = 200: 1: 400
次いで、上記のようにして調製した溶液を更に水で希釈することにより、細孔径の制 御しつつ有機ゲルを得た。すなわち、上記のようにして調製した原液を体積比で 0. 1 から 3倍 (体積比)に希釈した溶液を調製し (合成例 1:希釈倍率 0. 1倍、合成例 2 :希 釈倍率 0. 5倍、合成例 3 :希釈倍率 1倍、合成例 4 :希釈倍率 3倍、合成例 5 :希釈倍 率 2倍)、これらの溶液をバイアル瓶に入れて密栓し、室温で 24時間、 50°Cで 24時 間、更に 90°Cで 72時間静置することで、水和された有機ゲルを得た。  Next, the solution prepared as described above was further diluted with water to obtain an organic gel while controlling the pore diameter. That is, prepare a solution by diluting the stock solution prepared as described above from 0.1 to 3 times by volume (volume ratio) (Synthesis example 1: dilution factor 0.1 times, synthesis example 2: dilution factor). 0. 5 times, Synthesis example 3: Dilution ratio 1 time, Synthesis example 4: Dilution ratio 3 times, Synthesis example 5: Dilution ratio 2 times), put these solutions in vials, seal tightly, and keep at room temperature for 24 hours The hydrated organic gel was obtained by standing at 50 ° C. for 24 hours and then at 90 ° C. for 72 hours.
[0055] 次に、得られた有機ゲルを、以下のようにして乾燥せしめた。すなわち、先ず、有機 ゲル中の水分を除去するために交換溶媒であるアセトン (和光純薬)中に水和された 有機ゲルを浸漬した。有機ゲル中の水分がアセトン中に拡散することで、ゲル中の水 分は完全にアセトンに置換された。この際、置換溶媒であるアセトンを数度にわたり、 新品と交換することにより、さらに水分の置換率が向上した。続いて、浸漬溶媒を n— ペンタン (和光純薬)に変更し、上記と同様にして有機ゲル中のアセトン力 —ペンタ ンに完全に入れ替わるまで、溶媒交換—浸漬を繰り返した。そして、 n—ペンタンに 溶媒置換された有機ゲルを風乾することで、乾燥有機ゲルを得た。 [0055] Next, the obtained organic gel was dried as follows. That is, first, a hydrated organic gel was immersed in acetone (Wako Pure Chemicals) as an exchange solvent in order to remove moisture in the organic gel. The water in the gel diffuses into the acetone and the water in the gel The minutes were completely replaced with acetone. At this time, the substitution rate of water was further improved by exchanging acetone as a substitution solvent several times with a new one. Subsequently, the immersion solvent was changed to n-pentane (Wako Pure Chemical Industries), and the solvent exchange-immersion was repeated in the same manner as above until the acetone power in the organic gel—pentane was completely replaced. And the dried organic gel was obtained by air-drying the organic gel solvent-substituted by n-pentane.
[0056] 次 、で、得られた乾燥有機ゲルを、以下のようにして炭素化せしめてカーボンゲル を得た。すなわち、乾燥有機ゲルを窒素気流下 (流量 300mlZmin)、 1000°Cでカロ 熱することで、ゲルの炭素化を行った。加熱時間は 6時間とした。  [0056] Next, the obtained dried organic gel was carbonized as follows to obtain a carbon gel. That is, the carbonization of the gel was carried out by heating the dried organic gel under a nitrogen stream (flow rate 300 mlZmin) at 1000 ° C. The heating time was 6 hours.
[0057] <X線回折測定 (XRD) >  [0057] <X-ray diffraction measurement (XRD)>
合成例 1〜5で得られたカーボンゲル及び比較合成例 1で得られたメソポーラス力 一ボンにつ 、て X線回折を測定したところ、合成例 1〜5で得られたカーボンゲルに おいてはスキャン領域 2 0 =0. 5〜10° (CuK 線)における X線回折ピークは確認 されなかった。このこと力ら、合成例 1〜5で得られたカーボンゲルにおいては細孔が 周期的配列構造を有しておらず、細孔が相互連結した構造になっており、 3次元的 なネットワーク構造を有して 、ることが確認された。  The carbon gel obtained in Synthesis Examples 1 to 5 and the mesoporous force obtained in Comparative Synthesis Example 1 were measured for X-ray diffraction, and the carbon gels obtained in Synthesis Examples 1 to 5 were measured. X-ray diffraction peak in the scan region 20 = 0.5 to 10 ° (CuK line) was not confirmed. Because of this, the carbon gels obtained in Synthesis Examples 1 to 5 have a structure in which the pores do not have a periodic array structure, but the pores are interconnected, and a three-dimensional network structure. It has been confirmed that
[0058] <細孔径分布等の測定 >  <Measurement of pore size distribution, etc.>
合成例 1〜5で得られたカーボンゲルにっ ヽて窒素吸着測定を行!ヽ、得られた窒 素吸着等温線に基づいてカーボンゲルの細孔径分布を求めた。その結果、合成例 1 Nitrogen adsorption measurements were performed on the carbon gels obtained in Synthesis Examples 1 to 5, and the pore size distribution of the carbon gel was determined based on the obtained nitrogen adsorption isotherms. As a result, Synthesis Example 1
〜5で得られたカーボンゲルの細孔径は 2〜約 40nmの範囲のみに分布しており、平 均細孔径の ± 25%の範囲における細孔容量が 60%以上であり、且つ平均細孔径 の士 2nmの範囲に全細孔容量の 60%以上が含まれて 、ることが確認され、その分 布形状力 均一性の高い細孔を有していることが確認された。また、合成例 1〜5で 得られたカーボンゲルの平均細孔径は表 1に示す通りであった。 The pore size of the carbon gel obtained in ~ 5 is distributed only in the range of 2 to about 40 nm, the pore volume in the range of ± 25% of the average pore diameter is 60% or more, and the average pore diameter It was confirmed that 60% or more of the total pore volume was included in the range of 2 nm, and it was confirmed that the distribution shape force had highly uniform pores. The average pore diameters of the carbon gels obtained in Synthesis Examples 1 to 5 were as shown in Table 1.
[0059] [表 1] 希釈倍率 平均細子 L径 比表 E¾ [0059] [Table 1] Dilution factor Average fine particle L diameter Ratio table E¾
(体積比) (nm) (m V g ) 合成例 1 0. 1倍 3. 9 545 合成例 2 0. 5倍 8. 0 393 合成例 3 1倍 10. 1 656 合成例 4 3倍 36. 3 653 合成例 5 2倍 22. 0 850  (Volume ratio) (nm) (m V g) Synthesis example 1 0. 1 times 3. 9 545 Synthesis example 2 0.5 times 8. 0 393 Synthesis example 3 1 times 10. 1 656 Synthesis example 4 3 times 36. 3 653 Synthesis example 5 2 times 22. 0 850
[0060] (実施例 1〜4) [0060] (Examples 1 to 4)
合成例 1〜4で得られたカーボンゲルを用いて、本発明の電極材料を製造した。す なわち、先ず、酵素としてピリルビンォキシダーゼ (BOD)を蒸留水に溶解し、 0. 7m gZmlの酵素溶液を調整した。次に、各カーボンゲル 12. 5mgに、それぞれ酵素溶 液 0. 5mlをカ卩え、 4°Cの温度条件下において緩やかに一晩混和して前記酵素を各 カーボンゲルに固定ィ匕した。その後、酵素を固定したカーボンゲルを遠心分離により 酵素溶液から分離、回収し、 5mlの蒸留水で 3回洗浄を繰り返して本発明の電極材 料 (実施例 1:合成例 1で得られたカーボンゲルを使用、実施例 2 :合成例 2で得られ たカーボンゲルを使用、実施例 3 :合成例 3で得られたカーボンゲルを使用、実施例 4:合成例 4で得られたカーボンゲルを使用)を得た。  The electrode material of the present invention was manufactured using the carbon gel obtained in Synthesis Examples 1 to 4. That is, first, pyrilvinoxydase (BOD) was dissolved in distilled water as an enzyme to prepare a 0.7 mgZml enzyme solution. Next, 0.5 ml of the enzyme solution was added to 12.5 mg of each carbon gel, and gently mixed overnight at 4 ° C to immobilize the enzyme on each carbon gel. Thereafter, the carbon gel on which the enzyme is immobilized is separated and collected from the enzyme solution by centrifugation, and washed three times with 5 ml of distilled water to repeat the electrode material of the present invention (Example 1: Carbon obtained in Synthesis Example 1). Example 2: Using the carbon gel obtained in Synthesis Example 2, Example 3: Using the carbon gel obtained in Synthesis Example 3, Example 4: Using the carbon gel obtained in Synthesis Example 4 Use).
[0061] <酵素の固定化量の測定 >  [0061] <Measurement of immobilized amount of enzyme>
固定ィ匕された酵素量を、固定ィ匕前後の酵素溶液中の酵素量を 280nmの吸光度に より求め、カーボンゲルに固定化された酵素量を算出した。酵素の分子量から推定さ れる酵素の分子径 (BOD : 6. 4nm)より大きな平均細孔径を有する実施例 2〜4で得 られた電極材料においては、添加したほぼ全量の酵素が固定ィ匕されていることが確 f*i¾ れ 。  The amount of enzyme immobilized was determined by calculating the amount of enzyme in the enzyme solution before and after immobilization based on the absorbance at 280 nm, and the amount of enzyme immobilized on the carbon gel was calculated. In the electrode materials obtained in Examples 2 to 4 having an average pore diameter larger than the molecular diameter of the enzyme (BOD: 6.4 nm) estimated from the molecular weight of the enzyme, almost the entire amount of the enzyme added was immobilized. It is certain that f * i¾.
[0062] <固定化された酵素の熱安定性試験 >  [0062] <Thermal stability test of immobilized enzyme>
実施例 2〜4で得られた電極材料を用いて、カーボン多孔体に固定ィ匕された BOD の熱安定性を評価した。 12. 5mgの各電極材料を、それぞれ lmlの 50mMリン酸緩 衝 (pH7. 5)に懸濁し、 60°Cで所定時間(5〜60分)熱処理した後、氷中で十分冷 却し、その後、遠心分離により各電極材料を回収した。 BOD fixed on a porous carbon body using the electrode materials obtained in Examples 2-4 The thermal stability of was evaluated. 12. 5 mg of each electrode material is suspended in 1 ml of 50 mM phosphate buffer (pH 7.5), heat-treated at 60 ° C for a specified time (5-60 minutes), then cooled sufficiently in ice, Thereafter, each electrode material was collected by centrifugation.
[0063] 次に、回収された各電極材料に、基質溶液(2. 5mMフエロシアンィ匕ナトリウム、 50 mMリン酸緩衝液 (pH7. 5)、酸素飽和)を 2. 5ml添加し、 37°Cで 25分間撹拌した 後、冷却し、上清の 420nmの吸光度を測定することにより残存活性 (加熱処理前の 活性を 100%とする相対活性)を求めた。得られた結果を表 2に示す。  [0063] Next, 2.5 ml of a substrate solution (2.5 mM ferrocyan sodium, 50 mM phosphate buffer (pH 7.5), oxygen saturation) was added to each of the collected electrode materials, and the temperature was 37 ° C. After stirring for 25 minutes, the mixture was cooled and the absorbance at 420 nm of the supernatant was measured to determine the residual activity (relative activity with 100% of the activity before heat treatment). Table 2 shows the results obtained.
[0064] 表 2の結果力 も明らかなように、実施例 2〜4で得られたいずれの電極材料も十分 な熱安定性があることが確認された。また、酵素分子の大きさにあった細孔を有する 合成例 2及び合成例 3で得られたカーボンゲルに酵素を固定ィ匕した電極材料 (実施 例 2〜3)においては、固定ィ匕された酵素の熱安定性がより高いものとなることが確認 された。  [0064] As can be seen from the results shown in Table 2, it was confirmed that any of the electrode materials obtained in Examples 2 to 4 had sufficient thermal stability. In addition, in the electrode materials (Examples 2 to 3) in which the enzyme was immobilized on the carbon gels obtained in Synthesis Example 2 and Synthesis Example 3 having pores corresponding to the size of the enzyme molecule, the immobilization was performed. It was confirmed that the thermal stability of the enzyme was higher.
[0065] [表 2]  [0065] [Table 2]
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[0066] (実施例 5) [0066] (Example 5)
先ず、合成例 2で得られたカーボンゲル 20mgを、 10%ポリビュルジフルオリドを含 有する n—メチルピロリドン (NMP)に懸濁させた懸濁液を得た。次に、 φ 6Z Φ 3ダラ ッシーカーボン (GC)筒型電極の表面に前記懸濁液を 10 1ずつ 3回スピンコート(1 500rpm)してカーボン多孔体修飾電極を得た。次いで、得られたカーボン多孔体修 飾電極を 5 μ Μ酵素(BOD)水溶液に 4°Cの温度条件下で一晚浸漬した後、 MilliQ 水で 3回洗浄して、電極表面に修飾されたカーボン多孔体 (カーボンゲル)に BODを 固定ィ匕せしめ、電極の表面において本発明の電極材料を製造し、本発明の電極材 料が表面に修飾された電極を得た。 First, a suspension was prepared by suspending 20 mg of the carbon gel obtained in Synthesis Example 2 in n-methylpyrrolidone (NMP) containing 10% polybutydifluoride. Next, the suspension was spin-coated (1 500 rpm) by 10 1 times on the surface of a φ6Zφ3 Dallas carbon (GC) cylindrical electrode to obtain a carbon porous body modified electrode. Next, the carbon porous body decorated electrode obtained was immersed in a 5 μΜ enzyme (BOD) aqueous solution at 4 ° C for a while, then MilliQ After washing with water three times, the BOD is fixed on a carbon porous body (carbon gel) modified on the electrode surface, and the electrode material of the present invention is produced on the surface of the electrode. A modified electrode was obtained.
[0067] (実施例 6)  [0067] (Example 6)
5 μ Μ酵素(BOD)水溶液の代わりに 5 μ Μアルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)水 溶液を用いた以外は実施例 5と同様にして、電極表面に修飾されたカーボン多孔体 (カーボンゲル)に ADHを固定化せしめ、電極の表面において本発明の電極材料を 製造し、本発明の電極材料が表面に修飾された電極を得た。  ADH was applied to the carbon porous body (carbon gel) modified on the electrode surface in the same manner as in Example 5 except that 5 μΜ alcohol dehydrogenase (ADH) aqueous solution was used instead of 5 μΜ enzyme (BOD) aqueous solution. The electrode material of the present invention was manufactured on the surface of the electrode, and an electrode having the surface modified with the electrode material of the present invention was obtained.
[0068] (比較例 1)  [0068] (Comparative Example 1)
また、 5 μ Μ酵素(BOD)水溶液の代わりに 5 μ Μ電子伝達タンパク質(チトクロー ム C)水溶液を用いた以外は実施例 5と同様にして、電極表面に修飾されたカーボン 多孔体 (カーボンゲル)にチトクローム Cを固定化せしめ、電極表面において、カーボ ンゲルにチトクローム Cを担持させた比較のための電極材料を製造し、比較のための 電極材料が表面に修飾された電極を得た。  In addition, a carbon porous body (carbon gel) modified on the electrode surface was prepared in the same manner as in Example 5 except that a 5 μΜ electron transfer protein (cytochrome C) aqueous solution was used instead of the 5 μΜ enzyme (BOD) aqueous solution. The electrode material for comparison was prepared by immobilizing cytochrome C on the electrode surface, and carrying the cytochrome C on carbon gel on the electrode surface, and an electrode having the electrode material for comparison modified on the surface was obtained.
[0069] <電極の電気特性試験 >  [0069] <Electrical property test of electrode>
実施例 5及び比較例 1で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用い、酸素 あるいはアルゴン飽和した 0. 1Mリン酸緩衝液 (ρΗ7. 0)を電解質として、サイクリツ クボルタムグラム法(実施例 5:電位 0〜600mVとの間で電位掃引(掃引速度 20mV Z秒)、比較例 1:電位 0〜600mVとの間で電位掃引(掃引速度 20mVZ秒))により 各電極の電気特性を測定した。実施例 5で得られた電極材料が表面に修飾された電 極を用いて得られたサイクリックボルタムグラムを図 1に示し、比較例 1で得られた電 極材料が表面に修飾された電極を用いて得られたサイクリックボルタムグラムを図 2に 示す。  Using the electrode material obtained in Example 5 and Comparative Example 1 whose surface was modified, and using 0.1 M phosphate buffer (ρΗ7.0) saturated with oxygen or argon as an electrolyte, the cyclic voltamgram method (Example) 5: Electric potential of each electrode was measured by electric potential sweep (sweep speed 20mV Z seconds) between electric potentials 0-600mV, Comparative Example 1: Potential sweep (sweep speed 20mVZ seconds) between electric potentials 0-600mV . The cyclic voltamgram obtained using the electrode whose surface was modified with the electrode material obtained in Example 5 is shown in FIG. 1, and the electrode material obtained in Comparative Example 1 was modified on the surface. Figure 2 shows the cyclic voltammogram obtained using the electrode.
[0070] 図 1に示すサイクリックボルタムグラム力らも明らかなように、カーボンゲルに BODを 固定ィ匕した本発明の電極材料 (実施例 5)を表面に修飾させた電極にお!ヽては、酵 素の基質となる酸素が存在しないときには還元電流は観測されないが、酸素の存在 下においては還元電流が観測された。このような結果から、本発明の電極材料 (実施 例 5)においては、酵素と電極との間に直接電子移動が起きて還元電流が効率よく流 れることが確認された。 [0070] As is apparent from the cyclic voltamgram force shown in FIG. 1, the electrode material of the present invention (Example 5) in which BOD is fixed to a carbon gel is modified on the surface! On the other hand, no reduction current was observed in the absence of oxygen as an enzyme substrate, but a reduction current was observed in the presence of oxygen. From these results, in the electrode material of the present invention (Example 5), direct electron transfer occurs between the enzyme and the electrode, and the reduction current efficiently flows. It was confirmed that
[0071] 一方、図 2に示すサイクリックボルタムグラム力もも明らかなように、カーボンゲルに チトクローム Cを固定ィ匕した比較のための電極材料 (比較例 1)を表面に修飾させた 電極においては、酸素の存在下においても還元電流は観測されなかった。このような 結果から、比較のための電極材料 (比較例 1)においては、基質となる酸素と反応す る酵素が存在しな 、ため、電子伝達タンパク質のみでは還元電流が流れな 、ことが 確認された。  [0071] On the other hand, as can be seen from the cyclic voltamgram force shown in FIG. 2, in the electrode whose surface was modified with a comparative electrode material (Comparative Example 1) in which cytochrome C was fixed on carbon gel. No reduction current was observed even in the presence of oxygen. From these results, it was confirmed that in the electrode material for comparison (Comparative Example 1), there is no enzyme that reacts with oxygen as a substrate, and therefore no reduction current flows only with the electron transfer protein. It was done.
[0072] 次に、実施例 6で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用い、 1%アルコー ルを含有する 0. 1Mリン酸緩衝液 (pH7. 0)或いはアルコールを含有しない 0. IM ン酸緩衝液 (pH7. 0)を電解質として、サイクリックボルタムグラム法により電気特性を 測定した。  [0072] Next, the electrode material obtained in Example 6 was used on an electrode whose surface was modified, and contained 1% alcohol. 0.1M phosphate buffer (pH 7.0) or no alcohol. Electrical characteristics were measured by cyclic voltamgram method using IM acid buffer (pH 7.0) as electrolyte.
[0073] 測定の結果、 1%アルコールを含有する 0. 1Mリン酸緩衝液 (pH7. 0)を電解質と した場合には特徴的な酸ィ匕電流が観測された。一方、アルコールを含有しない 0. 1 Mリン酸緩衝液 (pH7. 0)を電解質とした場合には電流が認められな力つた。このよ うな結果から、本発明の電極材料 (実施例 6)においては、酵素と電極との間に直接 電子移動が起きて酸化電流が効率よく流れることが確認された。  [0073] As a result of the measurement, when 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) containing 1% alcohol was used as the electrolyte, a characteristic acid-acid current was observed. On the other hand, when 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) containing no alcohol was used as the electrolyte, no current was observed. From these results, it was confirmed that in the electrode material of the present invention (Example 6), direct electron transfer occurred between the enzyme and the electrode, and the oxidation current flowed efficiently.
[0074] (実施例 7)  [Example 7]
先ず、合成例 5で得られたカーボンゲル 10mgを、 0. 1%ポリビニルジフルオリドを 含有する n—メチルピロリドン (NMP) 20 1に懸濁させた懸濁液を得た。次に、直径 5mmの QCM電極の表面に前記懸濁液 1 μ 1を塗布し、 60°Cで乾燥して、 PVDFを バインダーとしたカーボン多孔体修飾電極を得た。次いで、得られたカーボン多孔体 修飾電極を 5 μ Μ酵素(BOD)水溶液に 4°Cの温度条件下で一晚浸漬した後、 Milli Q水で 3回洗浄して、電極表面に修飾されたカーボン多孔体(カーボンゲル)に BOD を固定ィ匕せしめ、電極の表面において本発明の電極材料を製造し、本発明の電極 材料が表面に修飾された電極を得た。  First, 10 mg of the carbon gel obtained in Synthesis Example 5 was suspended in n-methylpyrrolidone (NMP) 201 containing 0.1% polyvinyl difluoride. Next, 1 μl of the suspension was applied to the surface of a QCM electrode having a diameter of 5 mm and dried at 60 ° C. to obtain a carbon porous body modified electrode using PVDF as a binder. Next, the obtained carbon porous body modified electrode was immersed in a 5 μΜ enzyme (BOD) aqueous solution at 4 ° C for a while and then washed three times with Milli Q water to modify the electrode surface. BOD was fixed on a carbon porous body (carbon gel) to produce the electrode material of the present invention on the surface of the electrode, and an electrode having the surface modified with the electrode material of the present invention was obtained.
[0075] (比較例 2)  [0075] (Comparative Example 2)
合成例 5で得られたカーボンゲル lOmgの代わりに、カーボンブラック(ケッチェンブ ラック)を用いた以外は実施例 7と同様にして比較としての電極を得た。 [0076] <電極の電気特性試験 > A comparative electrode was obtained in the same manner as in Example 7 except that carbon black (ketchen black) was used instead of the carbon gel lOmg obtained in Synthesis Example 5. <Electric property test of electrode>
実施例 7及び比較例 2で得られた電極材料が表面に修飾された電極を用い、電解 質として 50mMリン酸バッファー (pH7. 0)を用いて、電解質溶液を静止あるいは撹 拌しながらサイクリックボルタムグラム法 (電位 0〜600mVとの間で電位掃引(掃引速 度 20mVZ秒))により各電極の電気特性を測定した。得られたサイクリックボルタム グラムを図 3に示し、図 3に示すサイクリックボルタグラムの電流 200〜100 μ Αの 範囲を拡大して示すサイクリックボルタグラムを図 4に示す。  Using the electrode obtained by modifying the electrode material obtained in Example 7 and Comparative Example 2 on the surface, and using 50 mM phosphate buffer (pH 7.0) as the electrolyte, the electrolyte solution is cyclically stirred or stirred. The electrical characteristics of each electrode were measured by the voltamgram method (potential sweep between potentials 0 and 600 mV (sweep speed 20 mVZ sec)). The obtained cyclic voltagram is shown in Fig. 3, and the cyclic voltagram showing the cyclic voltagram shown in Fig. 3 in an enlarged range of 200 to 100 µΑ is shown in Fig. 4.
[0077] 図 3及び図 4に示すサイクリックボルタムグラムからも明らかなように、静止状態にお ける酸化電流は、カーボンゲルを用いて実施例 7で得られた電極がカーボンブラック を用いて比較例 2で得られた電極の約 3倍であることが確認された。また、カーボンブ ラックを用いて比較例 2で得られた電極にぉ 、ては攪拌しても電流値は変わらなかつ たのに対して、カーボンゲルを用いて実施例 7で得られた電極においては、電解質 溶液を攪拌して反応基質となる溶存酸素量を増やすことによって、更に大きな酸ィ匕 電流が流れ、比較例 2で得られた電極の約 10倍の酸化電流が流れることが確認され た。  [0077] As is apparent from the cyclic voltammograms shown in Figs. 3 and 4, the oxidation current in a stationary state is obtained by using carbon black for the electrode obtained in Example 7 using carbon gel. It was confirmed that it was about 3 times the electrode obtained in Comparative Example 2. In addition, the current value did not change even when the electrode obtained in Comparative Example 2 using carbon black was stirred, whereas in the electrode obtained in Example 7 using carbon gel, By stirring the electrolyte solution and increasing the amount of dissolved oxygen as a reaction substrate, it was confirmed that a larger acid current flows and an oxidation current about 10 times that of the electrode obtained in Comparative Example 2 flows. .
[0078] このような結果から、カーボンブラックを用いて得られた電極 (比較例 2)においては 、酵素と電極担体との間の電子移動が反応律速となっているのに対して、カーボンゲ ルを用いて得られた電極 (実施例 7)においては、反応基質の物質移動が反応律速 となって!/、ると考えられ、電極材料にカーボン多孔体としてカーボンゲルを利用する ことで、より効率的に酵素と電極間の電子移動が成し遂げられることが確認された。 産業上の利用可能性  [0078] From these results, in the electrode obtained using carbon black (Comparative Example 2), the electron transfer between the enzyme and the electrode carrier is reaction-controlled, whereas the carbon gel is used. In the electrode obtained by using (Example 7), it is considered that the mass transfer of the reaction substrate becomes the reaction rate-determining rate! / It was confirmed that the electron transfer between the enzyme and the electrode was efficiently achieved. Industrial applicability
[0079] 以上説明したように、本発明によれば、担持成分の十分な安定性と優れた活性とを 得ることができ、担体と担持成分との間の効率的な電子伝導が可能な電極材料を提 供することが可能となる。 [0079] As described above, according to the present invention, an electrode capable of obtaining sufficient stability and excellent activity of the carrier component and capable of efficient electron conduction between the carrier and the carrier component. Materials can be provided.
[0080] したがって、本発明の電極材料は、燃料電池の電極に用いる材料等として有用で ある。 Therefore, the electrode material of the present invention is useful as a material used for an electrode of a fuel cell.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
[1] カーボン多孔体と、前記カーボン多孔体に担持された酸化還元酵素とを備える、電 極材料。  [1] An electrode material comprising a carbon porous body and an oxidoreductase supported on the carbon porous body.
[2] 前記カーボン多孔体が、比表面積が 100m2Zg以上であり、且つ、細孔径分布領域 力 S2nm〜100nmの範囲における全細孔容量を基準として、平均細孔径の ± 25% の範囲における細孔容量が 60%以上のものである、請求項 1に記載の電極材料。 [2] The carbon porous body has a specific surface area of 100 m 2 Zg or more and a pore diameter distribution region in a range of ± 25% of the average pore diameter based on the total pore volume in the range of S2 nm to 100 nm. 2. The electrode material according to claim 1, having a pore capacity of 60% or more.
[3] 前記カーボン多孔体力 スキャン領域 2 Θ =0. 5〜10° (CuK 線)において X線回 折ピークが認められず、吸脱着等温線カゝら計算された細孔径分布において、分布ピ ークトップの細孔径値が lnm以上 lOnm未満の範囲に存在する場合には該細孔径 値 (d)に対して d± 2nmの細孔径領域に全細孔容量の 60%以上が含まれており、ま た分布ピークトップの細孔径値が lOnm以上 50nm以下の範囲に存在する場合には 該細孔径値 (D)に対して(0. 75 X D)〜(1. 25 X D) nmの細孔径領域に全細孔容 量の 60%以上が含まれるカーボンゲルである、請求項 1に記載の電極材料。  [3] X-ray diffraction peak is not recognized in the carbon porous body force scan region 2 Θ = 0.5 to 10 ° (CuK line), and the distribution peak When the pore diameter value of the top is in the range of 1 nm or more and less than lOnm, the pore diameter value of d ± 2 nm with respect to the pore diameter value (d) contains 60% or more of the total pore volume, In addition, when the pore size value of the distribution peak top is in the range of lOnm or more and 50nm or less, the pore diameter range of (0.75 XD) to (1.25 XD) nm with respect to the pore diameter value (D). 2. The electrode material according to claim 1, wherein the electrode material is a carbon gel containing 60% or more of the total pore capacity.
[4] 前記カーボンゲル力 分布ピークトップの細孔径値が l〜20nmのものである、請求 項 3に記載の電極材料。  [4] The electrode material according to claim 3, wherein the carbon gel force distribution peak top has a pore diameter value of 1 to 20 nm.
[5] 前記カーボンゲル力 平均粒径が 2〜50nmの一次粒子力もなるものである、請求項 3に記載の電極材料。  [5] The electrode material according to claim 3, wherein the carbon gel force has an average particle size of primary particle force of 2 to 50 nm.
[6] 前記酸化還元酵素が、ラッカーゼ及びピリルビンォキシターゼカ なる群力 選択さ れる少なくとも 1種の酵素である、請求項 1に記載の電極材料。  6. The electrode material according to claim 1, wherein the oxidoreductase is at least one enzyme selected from the group power of laccase and pyrilbinoxytase.
[7] 前記カーボン多孔体に担持された電子伝達物質を更に備える、請求項 1に記載の電 極材料。  7. The electrode material according to claim 1, further comprising an electron transfer material supported on the carbon porous body.
[8] 前記カーボン多孔体が細孔を有し、前記酸ィ匕還元酵素のうちの少なくとも一部が前 記細孔内に担持されて ヽる、請求項 1に記載の電極材料。  [8] The electrode material according to [1], wherein the carbon porous body has pores, and at least a part of the acid reductase is supported in the pores.
[9] 請求項 1〜8のうちのいずれか一項に記載の電極材料を備える、エネルギー変換デ バイス。 [9] An energy conversion device comprising the electrode material according to any one of claims 1 to 8.
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