JP5915978B2 - Metal-supported carbon material and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、金属担持炭素材料およびその製造方法に関する。より詳細には、燃料電池用の水素吸蔵材料や電極触媒に適用して好適な金属担持炭素材料およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a metal-supported carbon material and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a metal-supported carbon material suitable for application to a hydrogen storage material for a fuel cell or an electrode catalyst, and a method for producing the same.
多量の水素の吸蔵は燃料電池自動車の実用化に必要不可欠な技術であり、これまでに水素吸蔵合金、化学水素化物、吸着系材料などの水素吸蔵材料の研究が活発に行なわれてきた。水素吸蔵合金および化学水素化物は、吸着系材料と比較して吸蔵量が大きく、水素吸蔵能が5重量%を超えるものが得られているものの、水素の放出に加熱が必要であること、寿命が短いことなどの問題がある。一方、吸着系材料としては、例えば活性炭やカーボンナノチューブをはじめとする炭素材料が挙げられる。吸着系材料では、物理吸着を利用するために水素の吸蔵・放出過程で加熱は不要であるが、水素吸蔵合金や化学水素化物と比較して吸蔵量が少ないという問題がある。そこで近年、物理吸着に加えてスピルオーバーを利用した水素吸蔵方式が注目されている。 The storage of a large amount of hydrogen is an indispensable technology for the practical application of fuel cell vehicles, and research on hydrogen storage materials such as hydrogen storage alloys, chemical hydrides, and adsorbent materials has been actively conducted. Hydrogen storage alloys and chemical hydrides have a large storage capacity compared to adsorption materials and have a hydrogen storage capacity of more than 5% by weight. There are problems such as being short. On the other hand, examples of the adsorption material include carbon materials such as activated carbon and carbon nanotubes. Adsorption-based materials do not require heating during the hydrogen storage / release process in order to use physical adsorption, but have a problem that the storage amount is small compared to hydrogen storage alloys and chemical hydrides. Therefore, in recent years, a hydrogen storage method using spillover in addition to physical adsorption has attracted attention.
スピルオーバーとは、固体表面上に白金などの金属を担持すると、気相中の水素分子が金属の作用により金属表面上で水素原子に解離し、固体表面上に流出する現象である。流出した水素原子が固体表面に吸着されるため、水素を分子のまま吸着させる物理吸着と組み合わせて水素吸蔵能を向上させることができると考えられる。例えば、非特許文献1では、高表面積の活性炭に白金ナノ粒子を担持させると、常温における水素吸蔵能が担持前に比べて大幅に増大することが報告されており、これは、物理吸着に加えてスピルオーバーの効果によるものとされている。 Spillover is a phenomenon in which, when a metal such as platinum is supported on a solid surface, hydrogen molecules in the gas phase are dissociated into hydrogen atoms on the metal surface by the action of the metal and flow out onto the solid surface. Since the outflowing hydrogen atoms are adsorbed on the solid surface, it is considered that the hydrogen storage capacity can be improved in combination with physical adsorption in which hydrogen is adsorbed as molecules. For example, Non-Patent Document 1 reports that when platinum nanoparticles are supported on activated carbon with a high surface area, the hydrogen storage capacity at room temperature is greatly increased compared to that before support, which is in addition to physical adsorption. This is due to the effect of spillover.
しかしながら、燃料電池自動車の実用化のためには、より多量の水素を吸蔵できる水素吸蔵材料が求められている。したがって、水素吸蔵量をさらに向上させるためには物理吸着に加えてスピルオーバー現象による原子状水素の吸着を促進させる必要があるが、スピルオーバーの機構についてはまだ詳細には解明されておらずスピルオーバー現象による原子状水素の吸着による水素吸蔵量を増大させる事は困難である。 However, a hydrogen storage material capable of storing a larger amount of hydrogen is required for the practical application of fuel cell vehicles. Therefore, in order to further improve the hydrogen storage capacity, it is necessary to promote the adsorption of atomic hydrogen by the spillover phenomenon in addition to the physical adsorption, but the mechanism of the spillover has not been elucidated yet, and the spillover phenomenon It is difficult to increase the amount of hydrogen occluded by the adsorption of atomic hydrogen.
そこで本発明は、スピルオーバーによる水素吸蔵特性が改善された金属担持炭素材料を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a metal-supported carbon material having improved hydrogen storage characteristics due to spillover.
本発明者らは、上記の課題に鑑み、鋭意研究を積み重ねた。その過程で、炭素材料に担持される金属の形態を制御することでスピルオーバー活性が向上しうることを見出し、本発明を完成させた。 In view of the above problems, the present inventors have made extensive studies. In the process, the inventors found that spillover activity can be improved by controlling the form of the metal supported on the carbon material, and completed the present invention.
すなわち本発明は、細孔を有する炭素材料に金属粒子が担持されてなる金属担持炭素材料であって、担持される金属粒子の平均粒径が3nm以下であり、担持される金属粒子の50%以上の粒径が1nm以下である、金属担持炭素材料である。 That is, the present invention is a metal-supported carbon material in which metal particles are supported on a carbon material having pores, and the average particle size of the supported metal particles is 3 nm or less, and 50% of the supported metal particles. This is a metal-supported carbon material having a particle size of 1 nm or less.
本発明によれば、高いスピルオーバー効果が得られ、水素吸蔵量が向上した水素吸蔵材料が得られうる。 According to the present invention, a high spillover effect can be obtained, and a hydrogen storage material with improved hydrogen storage capacity can be obtained.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
<金属担持炭素材料>
本発明の一実施形態は、細孔を有する炭素材料に金属粒子が担持されてなる金属担持炭素材料であって、担持される金属粒子の平均粒径が3nm以下であり、担持される金属粒子の50%以上の粒径が1nm以下である、金属担持炭素材料である。
<Metal-supported carbon material>
One embodiment of the present invention is a metal-supported carbon material in which metal particles are supported on a carbon material having pores, and the supported metal particles have an average particle size of 3 nm or less, and the supported metal particles Is a metal-supported carbon material having a particle diameter of 50% or more of 1 nm or less.
本実施形態による金属担持炭素材料は、図1のように、炭素材料の表面の少なくとも一部に金属粒子が担持されている。水素分子は金属粒子に接触して解離し、解離した水素原子が炭素材料にトラップされる。 As shown in FIG. 1, the metal-supported carbon material according to the present embodiment has metal particles supported on at least a part of the surface of the carbon material. Hydrogen molecules dissociate in contact with metal particles, and the dissociated hydrogen atoms are trapped in the carbon material.
本実施形態による金属担持炭素材料は、担持される金属粒子の平均粒径が3nm以下であり、担持される金属粒子の50%以上が、粒径が1nm以下の粒子である。ここで、例えば前記金属がPtである場合、平均粒径3nmの粒子に含まれるPt粒子数は約612個であり、平均粒径1nmの粒子に含まれるPt粒子数は約10個である。金属粒子の平均粒径が3nmより大きい場合、または粒径が1nm以下の金属粒子が全粒子数の50%よりも少ない場合、十分なスピルオーバー活性が得られない。好ましくは、前記金属粒子の平均粒径は1nm以下である。平均粒径の下限値は特に限定されないが、高いスピルオーバー活性を得る観点から、例えば、0.28nmである。また、より好ましくは、粒径が1nm以下の粒子が全粒子数の70%以上であり、より好ましくは90%以上であり、さらに好ましくは95%以上であり、特に好ましくは99%以上である。金属粒子の粒径は、CO吸着または超高性能透過型電子顕微鏡を用いて測定することができる。 In the metal-supported carbon material according to the present embodiment, the average particle size of the supported metal particles is 3 nm or less, and 50% or more of the supported metal particles are particles having a particle size of 1 nm or less. Here, for example, when the metal is Pt, the number of Pt particles contained in particles having an average particle diameter of 3 nm is about 612, and the number of Pt particles contained in particles having an average particle diameter of 1 nm is about 10. When the average particle size of the metal particles is larger than 3 nm, or when the number of metal particles having a particle size of 1 nm or less is less than 50% of the total number of particles, sufficient spillover activity cannot be obtained. Preferably, the average particle diameter of the metal particles is 1 nm or less. The lower limit of the average particle diameter is not particularly limited, but is, for example, 0.28 nm from the viewpoint of obtaining high spillover activity. More preferably, the number of particles having a particle size of 1 nm or less is 70% or more of the total number of particles, more preferably 90% or more, still more preferably 95% or more, and particularly preferably 99% or more. . The particle size of the metal particles can be measured using CO adsorption or an ultra-high performance transmission electron microscope.
なお、本明細書中、粒径は、透過型電子顕微鏡などの観察手段を用いて観察される粒子(観察面)の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち最大の距離を意味する。平均粒径の値としては、透過型電子顕微鏡などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒径の平均値として算出される値を用いる。 In the present specification, the particle diameter means the maximum distance among the distances between any two points on the outline of the particle (observation surface) observed using an observation means such as a transmission electron microscope. As the value of the average particle diameter, a value calculated as an average value of particle diameters of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a transmission electron microscope is used.
好ましくは、前記金属粒子は、XAFSから求められる金属原子の平均配位数が5.5以下であり、平均粒径が1.2nm以下である。上記範囲であれば、本発明の効果がより顕著に得られうる。前記金属原子の平均配位数は、より好ましくは4.1以下であり、さらに好ましくは4.0以下である。また、前記金属粒子の平均粒径は、より好ましくは0.70nm以下であり、さらに好ましくは0.65nm以下である。なお、金属原子の平均配位子数および金属粒子の平均粒径は、後述の実施例に記載の方法で求めることができる。 Preferably, the metal particles have an average coordination number of metal atoms determined from XAFS of 5.5 or less and an average particle size of 1.2 nm or less. If it is the said range, the effect of this invention can be acquired more notably. The average coordination number of the metal atoms is more preferably 4.1 or less, and even more preferably 4.0 or less. The average particle diameter of the metal particles is more preferably 0.70 nm or less, and further preferably 0.65 nm or less. In addition, the average ligand number of a metal atom and the average particle diameter of a metal particle can be calculated | required by the method as described in the below-mentioned Example.
本実施形態の金属担持炭素材料において、前記金属粒子は前記炭素材料の表面の少なくとも一部に担持されていればよい。また、前記金属粒子は前記炭素材料の細孔内に導入されていてもよい。 In the metal-supported carbon material of the present embodiment, the metal particles may be supported on at least a part of the surface of the carbon material. The metal particles may be introduced into the pores of the carbon material.
担持する金属は、機能性を付与するという観点で8〜10族の金属が用いられうる。また、前記金属は単体だけではなく、2種類以上の金属が担持されていてもよい。中でも、水素吸蔵材料として用いる場合には、Pt、Pd、Ir、Rh、Co、Ni、Ru、Feを用いることが好ましく、Pt、Pd、Niを用いることがさらに好ましく、Ptが特に好ましい。 The metal to carry | support can use a 8-10 group metal from a viewpoint of providing functionality. In addition, the metal is not limited to a single substance, and two or more kinds of metals may be supported. Among them, when used as a hydrogen storage material, Pt, Pd, Ir, Rh, Co, Ni, Ru, and Fe are preferably used, Pt, Pd, and Ni are more preferably used, and Pt is particularly preferable.
前記金属は、前記金属を担持させる材料に対して、好ましくは0.01〜50wt%、より好ましくは0.01〜15wt%の濃度範囲内で担持する。ここで前記金属を担持させる材料は、炭素材料、または、前記炭素材料に官能基もしくは配位子などが導入されている場合、これらの官能基または配位子などが導入された炭素材料でありうる。担持されている金属が0.01wt%以上であれば、金属の機能を十分に得ることができる。一方、担持されている金属が50wt%以下である場合には、炭素材料の細孔機能を維持し、高いBET表面積が得られうる。 The metal is supported within a concentration range of preferably 0.01 to 50 wt%, more preferably 0.01 to 15 wt% with respect to the material for supporting the metal. Here, the material for supporting the metal is a carbon material, or when a functional group or a ligand is introduced into the carbon material, a carbon material into which the functional group or a ligand is introduced. sell. If the supported metal is 0.01 wt% or more, the metal function can be sufficiently obtained. On the other hand, when the supported metal is 50 wt% or less, the pore function of the carbon material can be maintained and a high BET surface area can be obtained.
炭素材料としては、細孔を有するものであれば特に制限はなく、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子などが用いられうるが、物理吸着による水素吸蔵能は表面積が大きいほど高くなるため、水素吸蔵能を高めるためには特にゼオライト鋳型カーボン(ZTC)のようなミクロポーラス炭素材料が好ましく用いられうる。ZTCは、球面状の細いグラフェンシートが3次元状に規則的につながった構造を有し、超高表面積であるため、水素吸蔵特性に優れる。 The carbon material is not particularly limited as long as it has pores, and carbon particles such as carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite can be used. In order to increase the hydrogen storage capacity, a microporous carbon material such as zeolite template carbon (ZTC) can be preferably used. ZTC has a structure in which spherical, thin graphene sheets are regularly connected in a three-dimensional manner and has an ultra-high surface area, and thus has excellent hydrogen storage characteristics.
図2に、ミクロポーラス炭素材料としてのゼオライト鋳型カーボンの一例を模式的に示す。ゼオライト鋳型カーボン2は、ゼオライト1を鋳型として得られたゼオライト炭素2である。より詳細には、ゼオライト鋳型カーボン2の作製には、まず、図2(a)に示すゼオライト1のミクロ孔1aに炭素源である有機化合物を導入した後に加熱処理して図2(b)に示すゼオライト1とゼオライト炭素2との複合体3を調製する。その後にゼオライト1のみを除去することによって、ゼオライト鋳型カーボン2が得られる(図2(c))。ゼオライト鋳型カーボン2は、鋳型として用いたゼオライト1の構造的特徴が反映された、3次元の長周期規則構造と内部にミクロ細孔2aとを有する。 FIG. 2 schematically shows an example of zeolite-templated carbon as a microporous carbon material. Zeolite template carbon 2 is zeolite carbon 2 obtained using zeolite 1 as a template. More specifically, the zeolite-templated carbon 2 is produced by first introducing an organic compound as a carbon source into the micropores 1a of the zeolite 1 shown in FIG. A composite 3 of the indicated zeolite 1 and zeolite carbon 2 is prepared. Thereafter, only zeolite 1 is removed to obtain zeolite-templated carbon 2 (FIG. 2 (c)). The zeolite-templated carbon 2 has a three-dimensional long-period regular structure reflecting the structural characteristics of the zeolite 1 used as a template, and micropores 2a inside.
ゼオライト鋳型カーボン2は、その製造にあたり、使用する鋳型材である特定の3次元規則構造を有するゼオライト1が備える構造的特徴を反映した多孔性炭素材料である。ゼオライト鋳型カーボン2は、直径が0.1〜2nmの範囲内にある細孔(ミクロ細孔2a)が網目状に連結した構造を有する。具体的には、ゼオライト鋳型カーボン2は、0.5〜100nmの範囲内の3次元長周期規則構造を有すると共に、ミクロ細孔2aを有する。より具体的には、ゼオライト鋳型カーボン2は、3次元長周期規則構造を構成する炭素鎖と炭素鎖の間の距離が、好ましくは0.5〜100nmであり、より好ましくは0.7〜50nmであり、さらに好ましくは0.7〜2nmである。このように、ゼオライト鋳型カーボン2は、炭素鎖と炭素鎖の間の距離が任意の間隔で3次元的に長周期にわたって規則的に繰り返した構造を有する炭素材料である。なお、IUPAC(国際純正及び応用化学連合)では、直径2nm以下の細孔をミクロ細孔(micropore)、直径2〜50nmの細孔をメソ細孔(mesopore)、直径50nm以上の細孔をマクロ細孔(macropore)と定義している。ミクロ細孔を有する物質を総称してミクロ(マイクロ)ポーラス材料と称している。 Zeolite template carbon 2 is a porous carbon material that reflects the structural characteristics of zeolite 1 having a specific three-dimensional regular structure, which is a template material used in the production thereof. The zeolite template carbon 2 has a structure in which pores (micropores 2a) having a diameter in the range of 0.1 to 2 nm are connected in a network. Specifically, the zeolite-templated carbon 2 has a three-dimensional long-period regular structure in the range of 0.5 to 100 nm and has micropores 2a. More specifically, the zeolite-templated carbon 2 has a distance between carbon chains constituting the three-dimensional long-period ordered structure, preferably 0.5 to 100 nm, more preferably 0.7 to 50 nm. More preferably, it is 0.7-2 nm. Thus, the zeolite template carbon 2 is a carbon material having a structure in which the distance between the carbon chains is regularly repeated over a long period three-dimensionally at an arbitrary interval. In IUPAC (International Genuine and Applied Chemistry Union), pores with a diameter of 2 nm or less are micropores, pores with a diameter of 2-50 nm are mesopores, and pores with a diameter of 50 nm or more are macro. It is defined as a pore. Substances having micropores are collectively referred to as a microporous material.
本実施形態において、前記炭素材料は、化学修飾されていないものであってもよく、エッジ部分の少なくとも一部に官能基が導入されてなるエッジ修飾炭素材料であってもよい。官能基を導入する場合、前記官能基は、例えば、前記炭素材料のエッジ部分の少なくとも一部に導入され、アミジン構造を有する官能基が用いられうる。 In the present embodiment, the carbon material may not be chemically modified, or may be an edge-modified carbon material in which a functional group is introduced into at least a part of the edge portion. When the functional group is introduced, the functional group is introduced into at least a part of the edge portion of the carbon material, for example, and a functional group having an amidine structure can be used.
本明細書中、アミジン構造は、1つの炭素原子に二重結合を介して1つの窒素原子が結合し、単結合を介して1つの窒素原子が結合した構造である。アミジン構造は強塩基で求核性を示すため、後述するようにアミジン構造部分にさらにリン配位子を導入し、金属錯体を導入することができる。本発明に用いられるアミジン構造を有する官能基としては、例えば、下記化学式1で表される官能基が挙げられる。 In the present specification, the amidine structure is a structure in which one nitrogen atom is bonded to one carbon atom through a double bond, and one nitrogen atom is bonded through a single bond. Since the amidine structure is a strong base and exhibits nucleophilicity, as described later, a phosphorus ligand can be further introduced into the amidine structure portion to introduce a metal complex. As a functional group which has an amidine structure used for this invention, the functional group represented by following Chemical formula 1 is mentioned, for example.
式中、Ra、RbおよびRcは独立して、水素原子、置換もしくは非置換の炭素数1〜10のアルキル基または置換もしくは非置換の炭素数3〜6のシクロアルキル基であり、RaとRbとが結合して環を形成してもよく、RbとRcとが結合して環を形成してもよい。 In the formula, R a , R b and R c are each independently a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 6 carbon atoms, R a and R b may combine to form a ring, or R b and R c may combine to form a ring.
アルキル基は、直鎖であっても、分岐であってもよい。アルキル基またはシクロアルキル基は、置換であっても非置換であってもよい。アルキル基の有する炭素数は、特に限定されないが、好ましくは1〜10個、より好ましくは1〜5個である。シクロアルキル基の有する炭素数は、特に限定されないが、好ましくは3〜6個である。アルキル基またはシクロアルキル基の置換基も特に制限されないが、例えば、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、シアノ基、ハロゲン原子などが挙げられる。アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、などが挙げられる。シクロアルキル基としては、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基などが挙げられる。これら以外のアルキル基またはシクロアルキル基が用いられてもよい。RaとRbとが結合して環を形成する場合、または、RbとRcとが結合して環を形成する場合、当該環は好ましくは5〜6員環であり、より好ましくは5員環である。 The alkyl group may be linear or branched. The alkyl group or cycloalkyl group may be substituted or unsubstituted. Although carbon number which an alkyl group has is not specifically limited, Preferably it is 1-10 pieces, More preferably, it is 1-5 pieces. Although carbon number which a cycloalkyl group has is not specifically limited, Preferably it is 3-6. The substituent of the alkyl group or cycloalkyl group is not particularly limited, and examples thereof include a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, a cyano group, and a halogen atom. Specific examples of the alkyl group include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, hexyl group, heptyl group. Octyl group, nonyl group, decyl group, and the like. Examples of the cycloalkyl group include a cyclopropyl group, a cyclopentyl group, and a cyclohexyl group. Alkyl groups or cycloalkyl groups other than these may be used. When R a and R b are combined to form a ring, or when R b and R c are combined to form a ring, the ring is preferably a 5- to 6-membered ring, more preferably It is a 5-membered ring.
中でも、下記化学式で表される官能基が好適に用いられうる。 Among these, a functional group represented by the following chemical formula can be preferably used.
上記アミジン構造を有する官能基が導入されてなる炭素材料は親水性を有するため、水蒸気をはじめとする極性を有するガス、酸性ガス、含酸素炭化水素蒸気等の吸着剤として有用である。また、電気二重層キャパシタ(EDLC)の電極として応用した場合にも性能の向上が期待できる。一般に、EDLCの電解液は極性が大きく、電極表面との親和性(濡れ性)を考慮すると親水性を示す電極が望まれる。活性炭、ミクロポーラス炭素材料も含めて炭素材料は疎水性が強く、キャパシタ等へ応用する場合に親和性(濡れ性)を改変する。このため、EDLCの直接的な性能に関与しない二次的な表面改質処理を行うことがある。これに対し、上記アミジン構造を有する官能基が導入されてなる炭素材料は二次的な表面改質処理を行う必要がなく、そのまま用いることが可能となる。このため、よりすぐれた効果が期待できる。その他、水蒸気の吸脱着を利用する吸着式ヒートポンプにおいて、吸着剤として現在使用されているゼオライトと比べて大幅な性能向上が可能なため、装置の小型化等、性能向上が期待できる。 Since the carbon material into which the functional group having the amidine structure is introduced has hydrophilicity, it is useful as an adsorbent for polar gases such as water vapor, acid gas, oxygen-containing hydrocarbon vapor and the like. Further, when applied as an electrode of an electric double layer capacitor (EDLC), an improvement in performance can be expected. In general, the electrolyte solution of EDLC has a large polarity, and considering the affinity (wetting property) with the electrode surface, an electrode exhibiting hydrophilicity is desired. Carbon materials, including activated carbon and microporous carbon materials, are highly hydrophobic and modify the affinity (wetting properties) when applied to capacitors and the like. For this reason, secondary surface modification treatment that does not involve the direct performance of EDLC may be performed. On the other hand, the carbon material into which the functional group having the amidine structure is introduced does not need to be subjected to secondary surface modification treatment and can be used as it is. For this reason, a better effect can be expected. In addition, in an adsorption heat pump that uses adsorption / desorption of water vapor, since performance can be significantly improved as compared with zeolite currently used as an adsorbent, performance improvement such as downsizing of the apparatus can be expected.
上記炭素材料、または本実施形態の金属担持炭素材料は、そのBET表面積が1500m2/g以上であることが好ましい。例えばゼオライト鋳型カーボンを用いた炭素材料、または金属担持炭素材料は、3次元長周期規則構造とミクロ細孔とを有することによりBET表面積が大きい。一般に吸着材への適用に関しては、BET表面積が大きいことが好ましい。また、吸着する分子サイズにも影響されるが、ミクロ孔が存在することも重要であると考えられる。これに対して、メソ孔は前述した用途への適用に際してはあまり効果がないと考えられる。このため、所望の高い機能を発現させるためには、相対的にミクロ孔が多く存在することが重要であり、なるべくメソ孔は少ない方が良いと考えられる。この目安として、BET表面積は1500m2/g以上であることが好ましい。また、2000m2/g以上であることがより好ましく、さらには2500m2/g以上であることが好ましい。さらにより好ましくは、BET表面積は3000m2/g以上であり、特に好ましくは3500m2/g以上である。BET表面積が1500m3/g以上である場合には、高い水素吸蔵能が得られうる。BET表面積は窒素吸脱着測定によって求めることができる。 The carbon material or the metal-supported carbon material of the present embodiment preferably has a BET surface area of 1500 m 2 / g or more. For example, a carbon material using zeolite-templated carbon or a metal-supported carbon material has a large BET surface area because it has a three-dimensional long-period ordered structure and micropores. In general, for application to adsorbents, a large BET surface area is preferred. The presence of micropores is also considered important, although it is affected by the size of molecules to be adsorbed. On the other hand, it is considered that mesopores are not very effective when applied to the aforementioned uses. For this reason, in order to express a desired high function, it is important that a relatively large number of micropores are present, and it is considered that it is better to have as few mesopores as possible. As a guide, the BET surface area is preferably 1500 m 2 / g or more. Moreover, it is more preferable that it is 2000 m < 2 > / g or more, Furthermore, it is preferable that it is 2500 m < 2 > / g or more. Even more preferably, the BET surface area is 3000 m 2 / g or more, particularly preferably 3500 m 2 / g or more. When the BET surface area is 1500 m 3 / g or more, a high hydrogen storage capacity can be obtained. The BET surface area can be determined by nitrogen adsorption / desorption measurement.
上記炭素材料、または本実施形態による金属担持炭素材料は、ミクロ細孔2aの占める容積が、例えば0.6cm3/g以上であり、好ましくは0.8cm3/g以上であり、1.0cm3/g以上であることがさらに好ましい。ミクロ細孔2aの占める容積は、1.2cm3/g以上であることがさらにより好ましく、1.5cm3/g以上であることが特に好ましい。ミクロ細孔の占める容積が0.6cm3/g以上、特には1.0cm3/g以上である場合には、十分な水素吸蔵性能が得られうる。ミクロ細孔の占める容積は窒素吸脱着測定によって求めることができる。 In the carbon material or the metal-supported carbon material according to the present embodiment, the volume occupied by the micropores 2a is, for example, 0.6 cm 3 / g or more, preferably 0.8 cm 3 / g or more, and 1.0 cm. More preferably, it is 3 / g or more. The volume occupied by the micropores 2a is still more preferably 1.2 cm 3 / g or more, and particularly preferably 1.5 cm 3 / g or more. When the volume occupied by the micropores is 0.6 cm 3 / g or more, particularly 1.0 cm 3 / g or more, sufficient hydrogen storage performance can be obtained. The volume occupied by the micropores can be determined by nitrogen adsorption / desorption measurement.
炭素材料、または本実施形態の金属担持炭素材料は、その構造的特徴として2次元積層規則性が少ないほど、吸着力が高くなる。例えば、粉末X線回折測定を行った場合には、得られるX線回折パターンは、2次元積層規則性を示す通常26°付近に現れる回折ピークはできるだけ少ないほうが好ましい。この26°付近に現れる回折ピークの存在は、無孔質の炭素層の増加を意味し、BET表面積の低下を意味する。 The carbon material or the metal-supported carbon material of the present embodiment has a higher adsorptive power as the two-dimensional stacking regularity is smaller as a structural feature. For example, when powder X-ray diffraction measurement is performed, it is preferable that the obtained X-ray diffraction pattern has as few diffraction peaks as possible that usually appear in the vicinity of 26 ° indicating two-dimensional stacking regularity. The presence of diffraction peaks appearing near 26 ° means an increase in the nonporous carbon layer and a decrease in the BET surface area.
本実施形態に係る金属担持炭素材料は、−40℃から150℃の範囲で水素を吸蔵放出させることができる。従来、金属担持されていない炭素材料は、温度上昇と共に水素吸蔵量が低下する場合があったが、本実施形態に係る金属担持炭素材料は温度上昇と共に吸蔵能が向上する。また、平均粒径が2〜3nmの粒子状の金属を担持させた場合に比較して、水素分子の解離吸着が促進され、水素吸蔵能が向上しうる。そのため、前記金属担持炭素材料を水素吸蔵材料として用いると、高効率の水素の吸蔵及び放出が可能となる。 The metal-supported carbon material according to this embodiment can occlude and release hydrogen in the range of −40 ° C. to 150 ° C. Conventionally, a carbon material that is not metal-supported has a case where the hydrogen occlusion amount decreases as the temperature rises. However, the metal-supported carbon material according to the present embodiment improves the occlusion ability as the temperature increases. Moreover, compared with the case where a particulate metal having an average particle diameter of 2 to 3 nm is supported, dissociative adsorption of hydrogen molecules is promoted, and the hydrogen storage ability can be improved. Therefore, when the metal-supported carbon material is used as a hydrogen storage material, highly efficient storage and release of hydrogen becomes possible.
また、本実施形態に係る金属担持炭素材料は、10MPaまでの高圧水素吸脱着測定を行った場合のスピルオーバー効果による水素吸蔵量(全水素吸蔵量から物理吸着による水素吸蔵量を差し引いた値)が、例えば炭素材料の重量に対して0.1%以上であり、好ましくは0.2%以上である。 In addition, the metal-supported carbon material according to the present embodiment has a hydrogen storage amount (a value obtained by subtracting the hydrogen storage amount by physical adsorption from the total hydrogen storage amount) due to the spillover effect when high-pressure hydrogen absorption / desorption measurement up to 10 MPa is performed. For example, it is 0.1% or more with respect to the weight of the carbon material, and preferably 0.2% or more.
<金属担持炭素材料の製造方法>
本実施形態による金属担持炭素材料は、細孔を有する炭素材料を準備する段階と、前記炭素材料に金属錯体を導入する段階と、前記金属錯体を導入した炭素材料を熱処理するか、または水素と接触させることによって金属錯体を還元し、金属粒子が担持された金属担持炭素材料を得る段階と、を有する方法によって製造することができる。
<Method for producing metal-supported carbon material>
The metal-supported carbon material according to the present embodiment includes a step of preparing a carbon material having pores, a step of introducing a metal complex into the carbon material, a heat treatment of the carbon material into which the metal complex has been introduced, or hydrogen. And reducing the metal complex by contacting to obtain a metal-supported carbon material on which metal particles are supported.
一般に、炭素材料にナノサイズの金属粒子を導入する方法としては、Pt(NO2)2(NH3)2やH2PtCl6などの金属錯体を水素化ホウ素ナトリウムなどの還元剤を利用して還元する方法が用いられている。しかしながら、このような方法では平均粒径が3nm以下の金属粒子を粒径を制御して作製することは容易ではない。 In general, as a method for introducing nano-sized metal particles into a carbon material, a metal complex such as Pt (NO 2 ) 2 (NH 3 ) 2 or H 2 PtCl 6 is used using a reducing agent such as sodium borohydride. A reduction method is used. However, with such a method, it is not easy to produce metal particles having an average particle size of 3 nm or less while controlling the particle size.
一方で本実施形態の方法によれば、はじめに炭素材料に金属を錯体として導入することで、金属を原子レベルで炭素材料の表面に担持させる。その後熱処理または水素に接触させることで、金属原子を配位子から脱離させる。脱離した金属原子は、複数の原子が寄り集まって(シンタリング)数原子〜数十原子程度のナノクラスターを形成しうる。そのため、金属を高分散で炭素材料に導入することができ、さらに水素化ホウ素ナトリウムなどの還元剤を用いて金属を還元する場合と比較して金属原子が過度に凝集することを抑制することができる。また、煩雑な実験操作を回避できる利点がある。 On the other hand, according to the method of the present embodiment, the metal is first supported on the surface of the carbon material at the atomic level by introducing the metal into the carbon material as a complex. Thereafter, the metal atoms are desorbed from the ligand by heat treatment or contact with hydrogen. The detached metal atoms can form a nanocluster having several atoms to several tens of atoms by gathering (sintering) a plurality of atoms. Therefore, it is possible to introduce the metal into the carbon material with high dispersion, and to suppress excessive aggregation of metal atoms as compared with the case of reducing the metal using a reducing agent such as sodium borohydride. it can. Moreover, there is an advantage that complicated experimental operation can be avoided.
(細孔を有する炭素材料を準備する段階)
原料となる炭素材料(炭素材料前駆体)の入手経路については特に制限はない。商業的に入手可能な商品を用いてもよいし、自ら調製してもよい。以下、ゼオライト鋳型カーボンなどのミクロポーラス炭素材料を用いる場合を説明する。
(Step of preparing a carbon material having pores)
There are no particular restrictions on the route for obtaining the carbon material (carbon material precursor) as a raw material. Commercially available products may be used or prepared by themselves. Hereinafter, the case where a microporous carbon material such as zeolite-templated carbon is used will be described.
まず、上記した構造的な特徴を有するミクロポーラス炭素材料を得るためには、構造内部に空孔を有し、この空孔が網目状に連結した構造を有する多孔質材料を鋳型として用いる。そして、この多孔質材料の表面及びミクロ細孔内部に加熱条件下で有機化合物を導入し、加熱することによって有機化合物を炭化し、多孔質材料に炭素を堆積させる。有機化合物の炭化・炭素の堆積は、例えば化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法により行う。次に、鋳型である多孔質材料を除去する。この方法により、ミクロ細孔を有するミクロポーラス炭素材料を容易に製造することができる。 First, in order to obtain a microporous carbon material having the above-mentioned structural characteristics, a porous material having a structure in which pores are connected inside the structure and connected in a mesh form is used as a template. Then, an organic compound is introduced into the surface of the porous material and inside the micropores under heating conditions, and the organic compound is carbonized by heating to deposit carbon on the porous material. Carbonization / deposition of an organic compound is performed by, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method. Next, the porous material which is a template is removed. By this method, a microporous carbon material having micropores can be easily produced.
鋳型として用いる多孔質材料は、ミクロ細孔内部に有機化合物が導入できること、CVD法の際に元の構造を安定に保つこと、生成したミクロポーラス炭素材料と分離できることが必要である。このため、例えば多孔質酸化物等の耐熱性に優れ、且つ、酸やアルカリで溶解する材料が望ましい。また、既に述べたように、ミクロポーラス炭素材料は鋳型の形態を転写した状態で合成される。このため、鋳型として用いる多孔質材料は、結晶(構造)が十分に発達し、粒径の揃った構造及び組成が均一な材料であることが望ましい。多孔質材料の備えるべき材料物性と、得られるミクロポーラス炭素材料の物性を考慮すると、多孔質材料としてゼオライトを用いることが好ましい。ゼオライトは、シリカ構造のケイ素(Si)の一部がアルミニウム(Al)で置換されたアルミノケイ酸塩であり、骨格自体が負電荷を持つことから構造内にカチオンが分布した構造を有する。また、ゼオライトは、Si/Alモル比、カチオンの種類や量、及びカチオンに水和した水分子の数によって多様な結晶構造を有し、例えば細孔が2次元的に連結した構造や3次元的に連結した構造等の、多様な大きさの細孔を有する多孔質材料である。代表的なゼオライトとしては、ケージ又はスーパーケージといった空隙構造を有するものが挙げられ、ゼオライトの中でもFAU型ゼオライト、FAU型ゼオライトの中でもY型ゼオライトを用いることが望ましい。多孔質材料の除去は、生成したミクロポーラス炭素材料を分離できる方法であれば如何なる方法を用いても良い。例えば、ゼオライトは酸で溶解可能であり、例えば、塩酸やフッ化水素酸を用いることで容易に溶解できる。 The porous material used as the template needs to be able to introduce an organic compound into the micropores, to keep the original structure stable during the CVD method, and to be separable from the generated microporous carbon material. For this reason, for example, a material that is excellent in heat resistance, such as a porous oxide, and is soluble in an acid or alkali is desirable. Further, as already described, the microporous carbon material is synthesized with the form of the template transferred. For this reason, it is desirable that the porous material used as a template is a material in which crystals (structures) are sufficiently developed and the structure and composition are uniform in particle size. Considering the material properties that the porous material should have and the physical properties of the resulting microporous carbon material, it is preferable to use zeolite as the porous material. Zeolite is an aluminosilicate in which a part of silicon (Si) having a silica structure is replaced with aluminum (Al), and the skeleton itself has a negative charge, so that cations are distributed in the structure. Zeolite has a variety of crystal structures depending on the Si / Al molar ratio, the type and amount of cation, and the number of water molecules hydrated to the cation, for example, a structure in which pores are two-dimensionally connected or three-dimensional. It is a porous material having pores of various sizes, such as a connected structure. Typical zeolites include those having a void structure such as a cage or a super cage. Among zeolites, it is desirable to use YAU zeolite among FAU zeolite and FAU zeolite. For removing the porous material, any method may be used as long as the produced microporous carbon material can be separated. For example, zeolite can be dissolved with an acid, and can be easily dissolved by using, for example, hydrochloric acid or hydrofluoric acid.
有機化合物を炭化して炭素を堆積するために用いるCVD法は、鋳型等の基板上に特定の元素又は元素組成からなる薄膜(例えば炭素からなる薄膜)を作る工業的手法である。通常、原料物質を含むガスに熱や光によってエネルギーを与えたり、高周波でプラズマ化することにより、化学反応や熱分解によって原料物質がラジカル化して反応性に富むようになり、基板上に原料物質が吸着して堆積することを利用する技術である。温度を上げて原料物質を堆積させるものを熱CVD法、化学反応や熱分解を促進させるために光を照射するものを光CVD法、ガスをプラズマ状態に励起する方法をプラズマCVD法と区別することもある。 The CVD method used for carbonizing an organic compound to deposit carbon is an industrial method for producing a thin film (for example, a thin film made of carbon) made of a specific element or element composition on a substrate such as a mold. Normally, by applying energy to the gas containing the raw material by heat or light, or by making it into plasma at a high frequency, the raw material becomes radical due to chemical reaction or thermal decomposition and becomes highly reactive. This is a technology that uses adsorption and deposition. Distinguishing materials from which the source material is deposited by raising the temperature is differentiated from the thermal CVD method, irradiating light to promote chemical reaction and thermal decomposition, the photo CVD method, and the method of exciting the gas to the plasma state is distinguished from the plasma CVD method. Sometimes.
CVD法で用いる有機化合物は、常温で気体であるか、又は気化できるものが好ましい。気化の方法は、沸点以上に熱する方法や雰囲気を減圧にする方法等がある。用いる有機化合物は、当業者に知られた炭素源物質の中から適宜選択して使用できる。特に、加熱により熱分解する化合物が好ましい。例えば、CVD法で鋳型として用いる多孔質材料の骨格上(例えばシリカゲル骨格上)に炭素を堆積することができる化合物が好ましい。 The organic compound used in the CVD method is preferably a gas that can be vaporized or vaporized at room temperature. The vaporization method includes a method of heating above the boiling point, a method of reducing the atmosphere, and the like. The organic compound to be used can be appropriately selected from carbon source materials known to those skilled in the art. Particularly preferred are compounds that are thermally decomposed by heating. For example, a compound capable of depositing carbon on a skeleton of a porous material used as a template in the CVD method (for example, on a silica gel skeleton) is preferable.
また、用いる有機化合物は、水素を含む有機化合物でも良い。この有機化合物は、不飽和又は飽和の有機化合物でも良く、これらの混合物でも良い。用いる有機化合物は、二重結合及び/又は三重結合を有する不飽和直鎖又は分枝鎖の炭化水素、飽和直鎖又は分枝鎖の炭化水素等が含まれて良く、飽和環式炭化水素や芳香族炭化水素等を含んでいても良い。有機化合物は、例えば、アセチレン、メチルアセチレン、エチレン、プロピレン、イソプレン、シクロプロパン、メタン、エタン、プロパン、ベンゼン、ビニル化合物、エチレンオキサイド等があげられる。中でも、用いる有機化合物は、多孔質のミクロ細孔内に入り込むことが可能なもの、例えばアセチレン、エチレン、メタン、エタン等を用いることが望ましい。有機化合物は、より高温でのCVDに用いるものと、より低温でCVDに用いるものとでは互いに同一のものであっても異なっていても良い。例えば、低温でのCVDではアセチレン、エチレン等を使用し、高温でのCVDにはプロピレン、イソプレン、ベンゼン等を使用しても良い。 The organic compound used may be an organic compound containing hydrogen. The organic compound may be an unsaturated or saturated organic compound or a mixture thereof. The organic compound to be used may include unsaturated linear or branched hydrocarbons having a double bond and / or triple bond, saturated linear or branched hydrocarbons, etc. Aromatic hydrocarbons and the like may be included. Examples of the organic compound include acetylene, methylacetylene, ethylene, propylene, isoprene, cyclopropane, methane, ethane, propane, benzene, a vinyl compound, ethylene oxide, and the like. Among them, it is desirable to use an organic compound that can enter the porous micropores, such as acetylene, ethylene, methane, ethane, and the like. The organic compound used for CVD at a higher temperature may be the same as or different from that used for CVD at a lower temperature. For example, acetylene, ethylene, or the like may be used for CVD at a low temperature, and propylene, isoprene, benzene, or the like may be used for CVD at a high temperature.
多孔質材料のミクロ細孔内部に有機化合物を導入する際は、多孔質材料を予め減圧にしても良く、系自体を減圧下にしても良い。多孔質材料は安定であるので、CVDにより炭素が堆積する方法であれば如何なる方法を用いても良い。通常は、多孔質材料の骨格上に有機化合物の化学反応又は熱分解で生成した炭素を堆積(又は吸着)させ、多孔質材料と炭素を含むミクロポーラス炭素材料からなる複合体を得る。CVDを行う際は、加熱温度は、使用する有機化合物によって適宜適切な温度を選択できる。通常は、400〜1500℃であることが好ましい。加熱温度は、450〜1100℃であることがより好ましく、500〜900℃であることが更に好ましい。また、550〜800℃であることがより好ましく、575〜750℃、更には600〜700℃の範囲内にすることが望ましい。加熱温度はCVD処理時間及び/又は反応系内の圧力に応じて適宜適切な温度を選択することもできる。CVDの処理時間は、十分に炭素堆積が得られる時間とすることが好ましく、使用する有機化合物や温度によって適宜適切な時間を選択できる。 When the organic compound is introduced into the micropores of the porous material, the porous material may be previously depressurized or the system itself may be depressurized. Since the porous material is stable, any method may be used as long as carbon is deposited by CVD. Usually, carbon produced by chemical reaction or thermal decomposition of an organic compound is deposited (or adsorbed) on the skeleton of the porous material to obtain a composite composed of the porous material and a microporous carbon material containing carbon. When performing CVD, the heating temperature can be appropriately selected depending on the organic compound used. Usually, it is preferable that it is 400-1500 degreeC. As for heating temperature, it is more preferable that it is 450-1100 degreeC, and it is still more preferable that it is 500-900 degreeC. Moreover, it is more preferable that it is 550-800 degreeC, and it is desirable to set it as the range of 575-750 degreeC, and also 600-700 degreeC. The heating temperature can be appropriately selected depending on the CVD processing time and / or the pressure in the reaction system. The CVD treatment time is preferably set to a time sufficient for carbon deposition, and an appropriate time can be selected depending on the organic compound used and the temperature.
CVDは、減圧又は真空下、加圧下、若しくは不活性ガス雰囲気下で行うことができる。不活性ガス雰囲気下で行う場合には、不活性ガスとしては例えばN2ガス、ヘリウム、ネオン、アルゴン等があげられる。CVD法では、通常、気体状の有機化合物をキャリアガスと共に多孔質材料に接触させるように流通させながら加熱し、容易に気相で多孔質材料上に炭素を堆積させることができる。キャリアガスの種類、流速、流量及び加熱温度は使用する有機化合物や多孔質材料の種類によって適宜調節する。キャリアガスは、例えば上記の不活性ガス等があげられる。爆発限界を考慮して、酸素ガス又は水素ガスとの混合物等であっても良い。 CVD can be performed under reduced pressure or under vacuum, under pressure, or in an inert gas atmosphere. When performed in an inert gas atmosphere, examples of the inert gas include N 2 gas, helium, neon, and argon. In the CVD method, usually, a gaseous organic compound can be heated while flowing in contact with the porous material together with the carrier gas, and carbon can be easily deposited on the porous material in the gas phase. The type, flow rate, flow rate, and heating temperature of the carrier gas are appropriately adjusted depending on the type of organic compound and porous material used. Examples of the carrier gas include the above-described inert gas. Considering the explosion limit, it may be a mixture with oxygen gas or hydrogen gas.
CVD法により多孔質材料のミクロ細孔内部に炭素を堆積させる条件として、ミクロ細孔中の炭素の充填量は10〜40wt%の範囲内であることが好ましい。また、炭素の充填量は多孔質材料の重量を基準として15〜30wt%の範囲内に制御することがより好ましい。炭素の充填量が10wt%以上であれば、炭素骨格形成に必要な量の炭素が導入されるため、安定な規則性構造が得られうる。炭素の充填量が40wt%以下であれば、必要以上の炭素が付着することなく、ミクロ細孔容積及びBET表面積が維持されうる。 As a condition for depositing carbon inside the micropores of the porous material by the CVD method, the filling amount of carbon in the micropores is preferably in the range of 10 to 40 wt%. Moreover, it is more preferable to control the filling amount of carbon within a range of 15 to 30 wt% based on the weight of the porous material. If the filling amount of carbon is 10 wt% or more, an amount of carbon necessary for forming the carbon skeleton is introduced, so that a stable regular structure can be obtained. If the filling amount of carbon is 40 wt% or less, the micropore volume and the BET surface area can be maintained without adhering more carbon than necessary.
CVDによる炭素の堆積(吸着)後、多孔質材料とミクロポーラス炭素系材料の複合体を、CVD温度より高い温度で更に加熱しても良い。この加熱温度は、使用する有機化合物によって適宜選択できるが、通常は700〜1500℃である。加熱温度は、750〜1200℃であることが好ましく、800〜1100℃であることがより好ましい。また、825〜1000℃であることが好ましく、850〜950℃、更には875〜925℃の範囲内にすることが好ましい。また、加熱温度は、加熱時間及び/又は反応系内の圧力に応じて適宜選択することもできる。また、加熱時間は生成物を分析し、その結果に基づいて十分な炭素堆積に要求される時間を設定することができる。 After deposition (adsorption) of carbon by CVD, the composite of the porous material and the microporous carbon material may be further heated at a temperature higher than the CVD temperature. Although this heating temperature can be suitably selected according to the organic compound to be used, it is usually 700 to 1500 ° C. The heating temperature is preferably 750 to 1200 ° C, and more preferably 800 to 1100 ° C. Moreover, it is preferable that it is 825-1000 degreeC, and it is preferable to set it as the range of 850-950 degreeC, and also 875-925 degreeC. The heating temperature can also be appropriately selected according to the heating time and / or the pressure in the reaction system. The heating time can be set to a time required for sufficient carbon deposition based on the result of analyzing the product.
また、多孔質材料とミクロポーラス炭素材料の複合体に更に有機化合物を導入して加熱し、更に炭素を堆積させても良い。この場合には、CVD法により得られたミクロポーラス炭素材料の構造がより安定する。炭化は、CVD法によって行っても良く、他の加熱方法で行っても良い。また、加熱温度はCVD温度より高温であっても良く、低温であっても良い。また、導入する有機化合物は、CVD法で導入した有機化合物と同じであっても良く、異なっていても良い。この操作は、複数回行っても構わない。 Further, an organic compound may be further introduced into the composite of the porous material and the microporous carbon material and heated to further deposit carbon. In this case, the structure of the microporous carbon material obtained by the CVD method is more stable. Carbonization may be performed by a CVD method or another heating method. Moreover, the heating temperature may be higher than the CVD temperature or may be lower. Further, the organic compound to be introduced may be the same as or different from the organic compound introduced by the CVD method. This operation may be performed a plurality of times.
多孔質材料の表面及びミクロ細孔内に有機化合物を導入してCVDを行う前に、有機化合物を含浸して炭化しても良い。含浸する有機化合物は、多孔質材料のミクロ細孔径より小さな分子サイズを有する有機化合物であれば使用できる。具体的には、有機化合物は、炭化歩留まりの高いフルフリルアルコール等の熱重合性モノマーを用いることが好ましい。有機化合物の含浸方法は、モノマーが液体であればそのまま、固体であれば溶媒に溶解して多孔質材料と接触させる等、公知の手段を採用することができる。なお、多孔質材料の表面に残った過剰なモノマーは、予め洗浄等で除去することが好ましい。例えば、多孔質材料を室温減圧下でフルフリルアルコールと接触させた後、混合物を大気圧に戻すことにより、多孔質材料のミクロ細孔内にフルフリルアルコールを導入することができる。また、多孔質材料の表面に付着した余分なアルコールは、有機溶剤による洗浄で除去できる。 Before introducing the organic compound into the surface and the micropores of the porous material and performing CVD, the organic compound may be impregnated and carbonized. As the organic compound to be impregnated, any organic compound having a molecular size smaller than the micropore diameter of the porous material can be used. Specifically, the organic compound is preferably a thermopolymerizable monomer such as furfuryl alcohol having a high carbonization yield. As the method for impregnating the organic compound, known means can be employed, for example, if the monomer is liquid, or if it is solid, it is dissolved in a solvent and brought into contact with the porous material. In addition, it is preferable to remove the excess monomer remaining on the surface of the porous material in advance by washing or the like. For example, furfuryl alcohol can be introduced into the micropores of the porous material by bringing the porous material into contact with furfuryl alcohol under reduced pressure at room temperature and then returning the mixture to atmospheric pressure. Moreover, excess alcohol adhering to the surface of the porous material can be removed by washing with an organic solvent.
用いる有機化合物は、多孔質材料のミクロ細孔内に挿入可能な大きさを有し、且つ、炭化時に炭素としてミクロ細孔内に残留するものであれば特に制限は無く用いることができる。例えば、有機化合物として、酢酸ビニル・アクリロニトリル・塩化ビニル等のビニル化合物、塩化ビニリデン・メタクリル酸メチル等のビニリデン化合物、無水マレイン酸等のビニレン化合物、エチレンオキサイド等のエポキシ誘導体があげられる。また、グルコース・サッカロース等の糖類、脂肪族多価アルコール類、レゾルシノール・カテコール等の芳香族多価アルコール(ジオール)類、チオフェン等の含窒素複素環化合物、ピリジン・ピリミジン等の含窒素複素環化合物も利用することができる。 The organic compound to be used can be used without particular limitation as long as it has a size that can be inserted into the micropores of the porous material and remains in the micropores as carbon during carbonization. Examples of the organic compound include vinyl compounds such as vinyl acetate, acrylonitrile, and vinyl chloride, vinylidene compounds such as vinylidene chloride and methyl methacrylate, vinylene compounds such as maleic anhydride, and epoxy derivatives such as ethylene oxide. In addition, sugars such as glucose and saccharose, aliphatic polyhydric alcohols, aromatic polyhydric alcohols (diols) such as resorcinol and catechol, nitrogen-containing heterocyclic compounds such as thiophene, nitrogen-containing heterocyclic compounds such as pyridine and pyrimidine Can also be used.
炭素材料のエッジ部分などに官能基を導入する場合、その方法は特に制限されない。例えば、炭素材料をアミジン構造を有するアゾ化合物(例えば、水溶性アゾ重合開始剤)と反応させて、アミジン構造を有する官能基を導入する方法が好ましく用いられうる。具体的には、水溶性アゾ重合開始剤を用いてラジカルを生成させ、炭素材料のエッジと反応させる方法が好ましく用いられうる。このような方法によれば、例えば炭素材料としてZTCなどを用いた場合、ZTCの構造規則性を低下させることなくエッジ部分に目的の親水性官能基を導入することができる。 When a functional group is introduced into the edge portion of the carbon material, the method is not particularly limited. For example, a method of introducing a functional group having an amidine structure by reacting a carbon material with an azo compound having an amidine structure (for example, a water-soluble azo polymerization initiator) can be preferably used. Specifically, a method of generating a radical using a water-soluble azo polymerization initiator and reacting with the edge of the carbon material can be preferably used. According to such a method, for example, when ZTC or the like is used as the carbon material, the target hydrophilic functional group can be introduced into the edge portion without lowering the structural regularity of ZTC.
また、通常、ZTCを調製する際に、ZTCの前駆体としてゼオライトと炭素との複合体を調製した後、ゼオライトをフッ化水素酸などで処理して取り除く工程を必要とする。しかしながら、親水性官能基を導入する工程は、上記のゼオライトを取り除く工程で同時に行うことができる。そのため、親水性官能基を導入するために反応ステップを増やす必要がなく、複雑な実験操作も必要としない。さらに、多くの水溶性アゾ重合開始剤は工業的にも利用されているため比較的安価で使用できる。 Further, usually, when preparing ZTC, it is necessary to prepare a composite of zeolite and carbon as a precursor of ZTC and then remove the zeolite by treatment with hydrofluoric acid or the like. However, the step of introducing the hydrophilic functional group can be performed simultaneously with the step of removing the zeolite. Therefore, it is not necessary to increase the reaction step in order to introduce a hydrophilic functional group, and complicated experimental operation is not required. Furthermore, since many water-soluble azo polymerization initiators are used industrially, they can be used at a relatively low cost.
ここで、アミジン構造を導入するために用いられうる水溶性アゾ重合開始剤としては、特に制限されないが、例えば、下記式に示される化合物が好ましく用いられうる。 Here, the water-soluble azo polymerization initiator that can be used for introducing the amidine structure is not particularly limited, but for example, a compound represented by the following formula can be preferably used.
炭素材料とアミジン構造を有するアゾ化合物とを反応させる条件は特に制限されない。好ましくは、反応容器に窒素置換しながらアミジン構造を有するアゾ化合物および炭素材料を加え、加熱、攪拌しながら反応させる。反応温度は用いられる水溶性アゾ重合開始剤の10時間半減期温度に応じて、ラジカルが十分発生するように選択されうる。例えば、水溶性アゾ重合開始剤である、水中の10時間半減期温度が44℃であるVA−044を用いる場合、反応温度は、例えば0〜85℃であり、好ましくは30〜70℃であり、より好ましくは40〜65℃である。反応時間は、例えば、0.5〜10時間であり、好ましくは1〜6時間である。 The conditions for reacting the carbon material with the azo compound having an amidine structure are not particularly limited. Preferably, an azo compound having an amidine structure and a carbon material are added to the reaction vessel while purging with nitrogen, and the reaction is performed while heating and stirring. The reaction temperature can be selected so that radicals are sufficiently generated depending on the 10-hour half-life temperature of the water-soluble azo polymerization initiator used. For example, when VA-044, which is a water-soluble azo polymerization initiator and has a 10-hour half-life temperature in water of 44 ° C., the reaction temperature is, for example, 0 to 85 ° C., preferably 30 to 70 ° C. More preferably, it is 40-65 degreeC. The reaction time is, for example, 0.5 to 10 hours, preferably 1 to 6 hours.
アミジン構造を有するアゾ化合物の使用量は、特に制限されないが、炭素材料の質量に対して、例えば10〜10000質量%であり、好ましくは100〜5000質量%であり、より好ましくは100〜500質量%である。上記範囲であれば、炭素材料のBET表面積の大きな減少がなく、炭素材料の構造を維持しながら、アミジン構造を有する官能基を効率的に炭素材料のエッジに導入することができる。 Although the usage-amount of the azo compound which has an amidine structure is not restrict | limited especially, it is 10-10000 mass% with respect to the mass of a carbon material, Preferably it is 100-5000 mass%, More preferably, it is 100-500 mass. %. If it is the said range, there will be no big reduction of the BET surface area of a carbon material, and the functional group which has an amidine structure can be efficiently introduce | transduced into the edge of a carbon material, maintaining the structure of a carbon material.
なお、エッジ修飾ZTCを製造する場合、ZTCを原料として用いて水溶性アゾ重合開始剤と反応させてもよいが、ゼオライトと炭素との複合体を原料として用い、フッ化水素酸などの酸溶液中で水溶性アゾ重合開始剤と反応させ、アミジン構造の導入とゼオライトの除去を同時に行ってもよい。ZTCを原料として用いる場合は、例えば、一般的なガラスフラスコ中で蒸留水とZTCとをよく混合し、不活性ガスをバブリングさせてから水溶性アゾ重合開始剤を添加して反応させることでエッジ修飾ZTCを製造することができる。 In addition, when manufacturing edge modification ZTC, you may make it react with a water-soluble azo polymerization initiator using ZTC as a raw material, but it uses acid and solution, such as a hydrofluoric acid, using the composite of a zeolite and carbon as a raw material. In the reaction, it may be reacted with a water-soluble azo polymerization initiator to simultaneously introduce the amidine structure and remove the zeolite. When ZTC is used as a raw material, for example, by mixing well distilled water and ZTC in a general glass flask, bubbling an inert gas, and then adding a water-soluble azo polymerization initiator to react. Modified ZTC can be produced.
(炭素材料に金属錯体を導入する段階)
炭素材料に金属錯体を導入する方法も特に制限されない。例えば(1)炭素材料をリン化合物と反応させてリン配位子を有する炭素材料を得る段階と、前記リン配位子を有する炭素材料を金属化合物と反応させて、前記リン配位子に金属を配位させる段階と、を含む方法;または、(2)炭素材料と金属錯体とを反応させる方法;が挙げられる。
(Introducing a metal complex into a carbon material)
The method for introducing the metal complex into the carbon material is not particularly limited. For example, (1) a step of reacting a carbon material with a phosphorus compound to obtain a carbon material having a phosphorus ligand, and a reaction of the carbon material having a phosphorus ligand with a metal compound, Or (2) a method of reacting a carbon material with a metal complex.
以下、上記(1)、(2)の方法について説明する。 Hereinafter, the methods (1) and (2) will be described.
(1)炭素材料をリン化合物と反応させてリン配位子を有する炭素材料を得る段階と、前記リン配位子を有する炭素材料を金属化合物と反応させて、前記リン配位子に金属を配位させる段階と、を含む方法
この方法では、はじめに炭素材料にリン配位子を導入し、次いでリン配位子に触媒となる金属を含む金属錯体を導入して反応させる。この反応は、金属錯体の配位子が配位力の強いリン配位子と置き換わる配位子交換反応によって進行しうる。その結果、金属原子にリン配位子が配位した錯体として担持させることができる。
(1) reacting a carbon material with a phosphorus compound to obtain a carbon material having a phosphorus ligand; reacting the carbon material having a phosphorus ligand with a metal compound; In this method, a phosphorus ligand is first introduced into a carbon material, and then a metal complex containing a metal serving as a catalyst is introduced into the phosphorus ligand and reacted. This reaction can proceed by a ligand exchange reaction in which the ligand of the metal complex is replaced with a phosphorus ligand having strong coordination power. As a result, it can be supported as a complex in which a phosphorus ligand is coordinated to a metal atom.
この際、用いられるリン配位子を導入するためのリン化合物としては、特に制限されないが、好ましくは下記化学式で表されるリン化合物が好ましく用いられうる。 At this time, the phosphorus compound for introducing the phosphorus ligand to be used is not particularly limited, but a phosphorus compound represented by the following chemical formula may be preferably used.
式中、Ph1およびPh2は同一であっても異なっていてもよく、置換または非置換のフェニル基であり、Xは、ハロゲン原子である。ハロゲン原子としては、Cl、Brが好ましく、Clがより好ましい。Ph1またはPh2の置換基としては、特に制限されないが、例えば炭素数1〜8のアルキル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルキル基である。 In the formula, Ph 1 and Ph 2 may be the same or different, and are substituted or unsubstituted phenyl groups, and X is a halogen atom. As the halogen atom, Cl and Br are preferable, and Cl is more preferable. Examples of the substituent of Ph 1 or Ph 2, is not particularly limited, for example, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, an alkoxy group, a halogenated alkyl group.
前記リン化合物の例としては、クロロジフェニルホスフィン、クロロビス(3,5−ジメチルフェニル)ホスフィン、クロロビス(4−メトキシフェニル)ホスフィン、クロロビス[4−(トリフルオロメチル)フェニル]ホスフィン、クロロジ(p−トリル)ホスフィン、ビス(3,5−ジ−tert−ブチル−4−メトキシフェニル)クロロホスフィン、クロロビス[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ホスフィンなどが挙げられる。上記のようなリン化合物を用いると、配位子としてPPh1Ph2を有する錯体が導入されうる。 Examples of the phosphorus compound include chlorodiphenylphosphine, chlorobis (3,5-dimethylphenyl) phosphine, chlorobis (4-methoxyphenyl) phosphine, chlorobis [4- (trifluoromethyl) phenyl] phosphine, and chlorodi (p-tolyl). ) Phosphine, bis (3,5-di-tert-butyl-4-methoxyphenyl) chlorophosphine, chlorobis [3,5-bis (trifluoromethyl) phenyl] phosphine, and the like. When such a phosphorus compound is used, a complex having PPh 1 Ph 2 as a ligand can be introduced.
炭素材料とリン化合物とを反応させる条件についても特に制限されない。好ましくは、あらかじめ真空加熱乾燥させて放冷した炭素材料と、リン化合物とを、窒素置換しながら、好ましくはアミン存在下で反応させる。反応温度、反応時間については特に制限されない。好ましくは、はじめに炭素材料に溶媒に溶解させたアミンを含浸させ、これにリン化合物を、例えば−100〜10℃、好ましくは−100〜5℃で少しずつ添加して混合する。その後、反応溶液の温度を、例えば0〜100℃、好ましくは10〜30℃に上昇させ、攪拌しながら反応させる。反応温度を上昇させた後の反応時間は、好ましくは0.5〜72時間であり、より好ましくは2〜24時間であり、さらに好ましくは12〜24時間である。 There are no particular restrictions on the conditions for reacting the carbon material and the phosphorus compound. Preferably, the carbon material that has been dried by heating under vacuum and allowed to cool is reacted with the phosphorus compound, preferably in the presence of an amine, while purging with nitrogen. The reaction temperature and reaction time are not particularly limited. Preferably, the carbon material is first impregnated with an amine dissolved in a solvent, and a phosphorus compound is added thereto little by little at, for example, −100 to 10 ° C., preferably −100 to 5 ° C., and mixed. Thereafter, the temperature of the reaction solution is raised to, for example, 0 to 100 ° C., preferably 10 to 30 ° C., and reacted while stirring. The reaction time after raising the reaction temperature is preferably 0.5 to 72 hours, more preferably 2 to 24 hours, and further preferably 12 to 24 hours.
この際、溶媒としては、特に限定されないが、非プロトン性極性溶媒が好ましく用いられうる。非プロトン性極性溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ヘキサメチルリン酸トリアミド(HMPT)、ジメチルホルムアミド(DMF)、アセトン、アセトニトリルなどが挙げられる。中でも、THFが好ましい。 In this case, the solvent is not particularly limited, but an aprotic polar solvent can be preferably used. Examples of the aprotic polar solvent include tetrahydrofuran (THF), dimethyl sulfoxide (DMSO), hexamethylphosphoric triamide (HMPT), dimethylformamide (DMF), acetone, acetonitrile, and the like. Of these, THF is preferable.
アミンとしては、3級アミンを用いることが好ましい。3級アミンとしては、特に制限されないが、例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ−n−プロピルアミン、トリイソプロピルアミン、トリ−n−ブチルアミン、ジエチルメチルアミン(N,N−ジエチルメチルアミン)、ジメチルエチルアミン(N,N−ジメチルエチルアミン)などが挙げられる。中でも、トリエチルアミンが好ましい。 As the amine, a tertiary amine is preferably used. The tertiary amine is not particularly limited, and examples thereof include trimethylamine, triethylamine, tri-n-propylamine, triisopropylamine, tri-n-butylamine, diethylmethylamine (N, N-diethylmethylamine), dimethylethylamine ( N, N-dimethylethylamine) and the like. Of these, triethylamine is preferable.
リン化合物の使用量も特に制限されないが、好ましくは、炭素材料1gに対して0.1〜50mmolであり、より好ましくは1〜20mmolである。上記範囲であれば、反応が効率的に進行しうる。 Although the usage-amount of a phosphorus compound is not restrict | limited, Preferably, it is 0.1-50 mmol with respect to 1 g of carbon materials, More preferably, it is 1-20 mmol. If it is the said range, reaction can advance efficiently.
リン配位子を有する炭素材料を得た後、好ましくはこれを洗浄して真空加熱乾燥した後、金属錯体と反応させる。用いられる金属錯体についても特に制限されない。好ましい白金錯体としては、例えば、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)、(2,2’−ビピリジン)ジクロロ白金(II)、(エチレンジアミン)ヨード白金ダイマー、ジクロロ(1,10−フェナントロリン)白金(II)、ジクロロ(エチレンジアミン)白金(II)、ジクロロビス(ジメチルスルフィド)白金(II)、ジクロロビス(エチレンジアミン)白金(II)、トリクロロ(エチレン)白金(II)酸塩(例えばトリクロロ(エチレン)白金(II)酸カリウム)、ヘキサヒドロキシ白金(IV)酸塩(例えばヘキサヒドロキシ白金(IV)酸ナトリウム)、cis−ビス(アセトニトリル)ジクロロ白金(II)、cis−ジアンミンテトラクロロ白金(IV)、cis−ジクロロビス(ピリジン)白金(II)、cis−ジアンミン白金(II)ジクロリド、cis−ジクロロビス(ジエチルスルフィド)白金(II)、cis−ジクロロビス(トリエチルホスフィン)白金(II)、cis−ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)白金(II)、cis−ビス(ベンゾニトリル)ジクロロ白金(II)、trans−ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)白金(II)、trans−ジクロロビス(トリエチルホスフィン)白金(II)、エチレンビス(トリフェニルホスフィン)白金(0)、ジアミンジニトリト白金(II)、白金(0)−1,3−ジビニル−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン錯体、白金(0)−2,4,6,8−テトラメチル−2,4,6,8−テトラビニルシクロテトラシロキサン錯体、白金(II)アセチルアセトナート、硝酸テトラアンミン白金(II)、ジクロロ(1,2−ジアミノシクロヘキサン)白金(II)、ジクロロ(1,5−シクロオクタジエン)白金(II)、ジクロロ(ジシクロペンタジエニル)白金(II)、テトラアンミン白金(II)クロリド、テトラキス(トリフェニルホスフィン)白金(0)、トリメチル(メチルシクロペンタジエニル)白金(IV)、ビス(トリ−tert−ブチルホスフィン)白金(0)、ヘキサクロロ白金(IV)酸塩(例えばヘキサクロロ白金(IV)酸カリウム、ヘキサクロロ白金(IV)酸テトラブチルアンモニウム)、ヨウ化白金、塩化白金、などが挙げられる。 After obtaining a carbon material having a phosphorus ligand, it is preferably washed and dried under vacuum heating and then reacted with a metal complex. The metal complex used is not particularly limited. Preferred platinum complexes include, for example, (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II), (2,2′-bipyridine) dichloroplatinum (II), (ethylenediamine) iodoplatinum dimer, dichloro (1,10- Phenanthroline) platinum (II), dichloro (ethylenediamine) platinum (II), dichlorobis (dimethylsulfide) platinum (II), dichlorobis (ethylenediamine) platinum (II), trichloro (ethylene) platinum (II) acid salt (for example, trichloro (ethylene) ) (Potassium platinum (II) acid), hexahydroxyplatinum (IV) acid salt (for example, sodium hexahydroxyplatinum (IV)), cis-bis (acetonitrile) dichloroplatinum (II), cis-diamminetetrachloroplatinum (IV) Cis-Dichlorobis (pyridine) Gold (II), cis-diammineplatinum (II) dichloride, cis-dichlorobis (diethyl sulfide) platinum (II), cis-dichlorobis (triethylphosphine) platinum (II), cis-dichlorobis (triphenylphosphine) platinum (II) Cis-bis (benzonitrile) dichloroplatinum (II), trans-dichlorobis (triphenylphosphine) platinum (II), trans-dichlorobis (triethylphosphine) platinum (II), ethylenebis (triphenylphosphine) platinum (0) , Diaminedinitritoplatinum (II), platinum (0) -1,3-divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane complex, platinum (0) -2,4,6,8-tetramethyl- 2,4,6,8-tetravinylcyclotetrasiloxane complex, white (II) Acetylacetonate, tetraammineplatinum nitrate (II), dichloro (1,2-diaminocyclohexane) platinum (II), dichloro (1,5-cyclooctadiene) platinum (II), dichloro (dicyclopentadienyl) ) Platinum (II), tetraammine platinum (II) chloride, tetrakis (triphenylphosphine) platinum (0), trimethyl (methylcyclopentadienyl) platinum (IV), bis (tri-tert-butylphosphine) platinum (0) Hexachloroplatinum (IV) acid salt (for example, potassium hexachloroplatinum (IV), tetrabutylammonium hexachloroplatinum (IV)), platinum iodide, platinum chloride, and the like.
好ましいパラジウム錯体としては、例えば、塩化パラジウム、クロロ(1,5−シクロオクタジエン)メチルパラジウム(II)、ジクロロ(1,5−シクロオクタジエン)パラジウム(II)、ビシクロ([2.2.1]ヘプタ−2,5−ジエン)ジクロロパラジウム(II)、(エチレンジアミン)パラジウム(II)クロリドなどが挙げられる。 Preferable palladium complexes include, for example, palladium chloride, chloro (1,5-cyclooctadiene) methylpalladium (II), dichloro (1,5-cyclooctadiene) palladium (II), bicyclo ([2.2.1 Hepta-2,5-diene) dichloropalladium (II), (ethylenediamine) palladium (II) chloride, and the like.
前記リン配位子を有する炭素材料と金属錯体とを反応させる条件についても特に制限されない。好ましくは、前記リン配位子を有する炭素材料と金属錯体とを窒素雰囲気中で撹拌または還流しながら反応させる。反応温度は、例えば0〜150℃であり、好ましくは20〜100℃である。反応時間は、例えば、0.5〜72時間であり、好ましくは1〜12時間である。 The conditions for reacting the carbon material having the phosphorus ligand with the metal complex are not particularly limited. Preferably, the carbon material having a phosphorus ligand is reacted with a metal complex in a nitrogen atmosphere while stirring or refluxing. The reaction temperature is, for example, 0 to 150 ° C., preferably 20 to 100 ° C. The reaction time is, for example, 0.5 to 72 hours, preferably 1 to 12 hours.
金属錯体の使用量も特に制限されないが、好ましくは、リン配位子1モルに対して0.001〜10モルであり、より好ましくは0.01〜5モルである。上記範囲であれば、反応が効率的に進行しうる。反応後、濾過、洗浄し、真空加熱乾燥して、金属担持炭素材料を得ることができる。導入されたリン配位子に対する金属錯体の導入率は、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析と31P−NMR測定から見積もることができる。 The amount of the metal complex used is not particularly limited, but is preferably 0.001 to 10 mol, more preferably 0.01 to 5 mol, relative to 1 mol of the phosphorus ligand. If it is the said range, reaction can advance efficiently. After the reaction, it is filtered, washed, and dried under vacuum heating to obtain a metal-supported carbon material. The introduction rate of the metal complex with respect to the introduced phosphorus ligand can be estimated from inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopic analysis and 31 P-NMR measurement.
(2)炭素材料と金属錯体とを反応させる方法
この方法では、金属錯体を直接炭素材料に導入して反応させる。導入する金属錯体の配位子の配位力によっては、導入する金属錯体の配位子の一以上が脱離したり、溶媒分子と置換されうる。
(2) Method of reacting carbon material and metal complex In this method, the metal complex is directly introduced into the carbon material and reacted. Depending on the coordination power of the ligand of the metal complex to be introduced, one or more of the ligands of the metal complex to be introduced can be eliminated or replaced with solvent molecules.
炭素材料と金属錯体とを反応させる条件についても特に制限されない。好ましくは、あらかじめ真空加熱乾燥させて放冷した炭素材料と、金属錯体とを溶媒中で撹拌または還流しながら反応させる。反応温度、反応時間については特に制限されない。反応温度は、例えば0〜100℃、好ましくは10〜30℃である。反応時間は、例えば0.5〜72時間であり、好ましくは2〜24時間である。 The conditions for reacting the carbon material and the metal complex are not particularly limited. Preferably, the carbon material that has been dried by heating under vacuum and allowed to cool is reacted with the metal complex in a solvent while stirring or refluxing. The reaction temperature and reaction time are not particularly limited. The reaction temperature is, for example, 0 to 100 ° C, preferably 10 to 30 ° C. The reaction time is, for example, 0.5 to 72 hours, preferably 2 to 24 hours.
溶媒としては、金属錯体が溶解するものであれば特に制限されず、上記(1)の方法と同様の溶媒が用いられうる。 The solvent is not particularly limited as long as it dissolves the metal complex, and the same solvent as in the method (1) can be used.
用いる金属錯体としても、特に制限されないが、例えば、下記化学式2で表される金属錯体が好ましく用いられうる。 Although it does not restrict | limit especially as a metal complex to be used, For example, the metal complex represented by following Chemical formula 2 may be used preferably.
式中、Mは8〜10族の金属から選択され、
式中、R1、R2はそれぞれ独立して水素原子、置換もしくは非置換の炭素数1〜10のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜18のアリール基であり、
L1およびL2は単座配位子であり、それぞれ独立して、アセトニトリル、ベンゾニトリル、THF、ジエチルスルフィド、ジメチルスルフィド、およびピリジンからなる群から選択される;または、
L1およびL2は連結して二座配位子を形成し、前記二座配位子は、ジシクロペンタジエン、1,5−シクロオクタジエン、ノルボルナジエン、2,2’−ビピリジン、1,10−フェナントロリン、エチレンジアミン、N,N,N’N’−テトラメチルエチレンジアミン、およびtrans,trans−ジベンジリデンアセトンからなる群から選択される。
Where M is selected from Group 8-10 metals;
In the formula, R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms,
L 1 and L 2 are monodentate ligands, each independently selected from the group consisting of acetonitrile, benzonitrile, THF, diethyl sulfide, dimethyl sulfide, and pyridine; or
L 1 and L 2 form a bidentate ligand linked, the bidentate ligand, dicyclopentadiene, 1,5-cyclooctadiene, Norubo Le Najien, 2,2'-bipyridine, 1 , 10-phenanthroline, ethylenediamine, N, N, N′N′-tetramethylethylenediamine, and trans, trans-dibenzylideneacetone.
ここで、アルキル基は、直鎖であっても、分岐であってもよい。アルキル基の置換基も特に制限されないが、例えば、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、シアノ基、ハロゲン原子などが挙げられる。アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、などが挙げられる。アリール基としては、具体的には、フェニル基、ビフェニリル基、ナフチル基などが挙げられ、アリール基の置換基も特に制限されないが、例えばハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルキル基などが挙げられる。 Here, the alkyl group may be linear or branched. The substituent of the alkyl group is not particularly limited, and examples thereof include a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, a cyano group, and a halogen atom. Specific examples of the alkyl group include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, hexyl group, heptyl group. Octyl group, nonyl group, decyl group, and the like. Specific examples of the aryl group include a phenyl group, a biphenylyl group, a naphthyl group, and the substituent of the aryl group is not particularly limited. For example, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, an alkoxy group, Examples include halogenated alkyl groups.
中でも、R1、R2がアルキル基である金属錯体は、アルキル基が協奏的に脱離することで金属錯体が還元されやすく、好適である。特に、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチルパラジウム(II)などが好ましく用いられうる。 Among them, a metal complex in which R 1 and R 2 are alkyl groups is preferable because the metal complex is easily reduced by the concerted elimination of the alkyl groups. In particular, (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II), (1,5-cyclooctadiene) dimethylpalladium (II) and the like can be preferably used.
金属錯体の使用量も特に制限されないが、好ましくは、炭素材料に対して、例えば0.01〜100wt%であり、より好ましくは0.01〜30wt%である。上記範囲であれば、反応が効率的に進行しうる。 The amount of the metal complex used is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 100 wt%, and more preferably 0.01 to 30 wt%, based on the carbon material. If it is the said range, reaction can advance efficiently.
反応後、濾過、洗浄し、真空加熱乾燥して、金属担持炭素材料を得ることができる。金属錯体の導入率は、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析から見積もることができる。 After the reaction, it is filtered, washed, and dried under vacuum heating to obtain a metal-supported carbon material. The introduction rate of the metal complex can be estimated from inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy.
(金属錯体を導入した炭素材料を熱処理するかまたは水素に接触させて金属粒子が担持された金属担持炭素材料を得る段階)
上記の段階で作製した金属錯体を導入した炭素材料を熱処理するか、または水素に接触させることで、金属錯体が還元され、0価の金属となる。そして、この0価の金属が凝集して平均粒径が3nm以下であり、1nm以下の粒子が全粒子数の50%以上である金属粒子(金属クラスター)となる。本実施形態の方法によれば、はじめに金属を錯体として導入するため、金属粒子を高分散で担持させることができる。また、還元剤を用いて金属粒子を得る方法と比較して穏やかに反応が進行しうるため、所定の粒径を有し、粒径がそろった金属粒子を有する金属担持炭素材料が得られうる。
(Step of obtaining a metal-supported carbon material on which metal particles are supported by heat-treating a carbon material into which a metal complex has been introduced or contacting it with hydrogen)
When the carbon material into which the metal complex produced in the above step is introduced is heat-treated or brought into contact with hydrogen, the metal complex is reduced to become a zero-valent metal. These zero-valent metals aggregate to form metal particles (metal clusters) having an average particle size of 3 nm or less and particles of 1 nm or less being 50% or more of the total number of particles. According to the method of this embodiment, since metal is first introduced as a complex, metal particles can be supported in a highly dispersed state. In addition, since the reaction can proceed gently compared with a method of obtaining metal particles using a reducing agent, a metal-supported carbon material having a predetermined particle diameter and metal particles having a uniform particle diameter can be obtained. .
熱処理または水素と接触させる処理によって平均粒径が3nm以下であり、1nm以下の粒子が全粒子数の50%以上である金属粒子が生成する機構は明らかではないが、例えば、上記の化学式2で表される金属錯体の場合、加熱によって、下記式のような機構で平均粒径が3nm以下であり、1nm以下の粒子が全粒子数の50%以上である金属粒子(金属クラスター)が生じうると考えられる。 Although the mechanism by which metal particles having an average particle diameter of 3 nm or less and particles having a particle diameter of 1 nm or less are 50% or more of the total number of particles by heat treatment or hydrogen contact is not clear, In the case of the represented metal complex, heating may produce metal particles (metal clusters) having an average particle size of 3 nm or less and a particle size of 1 nm or less of 50% or more of the total number of particles by a mechanism such as the following formula. it is conceivable that.
熱処理の方法は特に制限されない。例えば、金属錯体を導入した炭素材料を真空加熱乾燥した後、好ましくは不活性ガス雰囲気下で加熱する。熱処理の温度は、例えば100〜400℃であり、好ましくは150〜400℃であり、より好ましくは200〜350℃であり、さらに好ましくは200〜300℃である。熱処理の温度が100℃以上であれば金属錯体が効率的に分解され、金属粒子が生成されうる。また、熱処理の温度が400℃以下であれば、金属粒子が過度に大きくなることを抑制できる。そのため平均粒径が3nm以下であり、1nm以下の粒子が全粒子数の50%以上である金属粒子(金属クラスター)が効率的に得られうる。熱処理の時間は、例えば、0.1〜10時間であり、より好ましくは0.5〜2時間である。上記範囲であれば本実施形態の金属クラスターが安定して得られうる。なお、上記熱処理は、複数回行ってもよい。 The heat treatment method is not particularly limited. For example, the carbon material into which the metal complex has been introduced is vacuum-heated and dried, and then preferably heated in an inert gas atmosphere. The temperature of heat processing is 100-400 degreeC, for example, Preferably it is 150-400 degreeC, More preferably, it is 200-350 degreeC, More preferably, it is 200-300 degreeC. If the temperature of heat processing is 100 degreeC or more, a metal complex will be decompose | disassembled efficiently and a metal particle may be produced | generated. Moreover, if the temperature of heat processing is 400 degrees C or less, it can suppress that a metal particle becomes large too much. Therefore, metal particles (metal clusters) having an average particle size of 3 nm or less and particles having a size of 1 nm or less of 50% or more of the total number of particles can be efficiently obtained. The time of heat processing is 0.1 to 10 hours, for example, More preferably, it is 0.5 to 2 hours. If it is the said range, the metal cluster of this embodiment can be obtained stably. Note that the heat treatment may be performed a plurality of times.
また、上記の化学式2で表される金属錯体の場合、水素処理によって、下記式のような機構で平均粒径が3nm以下であり、1nm以下の粒子が全粒子数の50%以上である金属粒子(金属クラスター)が生じうると考えられる。 Further, in the case of the metal complex represented by the above chemical formula 2, by hydrogen treatment, a metal having an average particle size of 3 nm or less and a particle size of 1 nm or less is 50% or more of the total number of particles by the mechanism as shown in the following formula It is thought that particles (metal clusters) can be generated.
水素処理の条件も特に制限されない。例えば、金属錯体を導入した炭素材料を真空加熱乾燥した後、窒素などの不活性ガスを導入する。その後、水素ガスを、例えば10〜1000cc/min、好ましくは20〜200cc/minで流通させて、例えば0〜150℃、好ましくは20〜100℃の温度で、例えば、0.1〜10時間、より好ましくは0.5〜5時間、水素と接触させる。水素と接触させるときの温度が0℃以上、または水素と接触させる時間が0.1時間以上であれば金属錯体が効率的に分解され、金属粒子が生成されうる。また、水素と接触させるときの温度が150℃以下、または水素と接触させる時間が10時間以下であれば、金属粒子が過度に大きくなることを抑制できる。そのため上記の条件であれは適当な粒径を有し、粒径のばらつきが少ない金属クラスターが効率的に得られうる。なお、上記水素処理は、同じ温度、または異なる温度で複数回行ってもよい。例えば温度を段階的に上げながら複数回の水素処理を行ってもよい。水素処理を複数回行う場合は、水素と接触させる時間の合計が上記範囲であることが好ましい。また、少なくとも1回の水素処理において、水素と接触させるときの温度が上記範囲であることが好ましい。なお、後述するように金属錯体を導入した炭素材料の水素吸脱着測定のサイクル中に水素に接触し、徐々に金属錯体を生成する場合もある。このような場合は上記の水素処理に代えて、水素吸脱着測定のサイクルを水素と接触させる工程として行ってもよい。 The conditions for the hydrogen treatment are not particularly limited. For example, after the carbon material into which the metal complex has been introduced is dried by heating under vacuum, an inert gas such as nitrogen is introduced. Thereafter, hydrogen gas is circulated at, for example, 10 to 1000 cc / min, preferably 20 to 200 cc / min, and at a temperature of 0 to 150 ° C., preferably 20 to 100 ° C., for example, for 0.1 to 10 hours, More preferably, it is contacted with hydrogen for 0.5 to 5 hours. If the temperature when contacting with hydrogen is 0 ° C. or higher or the time when contacting with hydrogen is 0.1 hour or longer, the metal complex can be efficiently decomposed and metal particles can be generated. Moreover, if the temperature at the time of making it contact with hydrogen is 150 degrees C or less or the time to make it contact with hydrogen is 10 hours or less, it can suppress that a metal particle becomes large too much. Therefore, even under the above conditions, a metal cluster having an appropriate particle size and little variation in particle size can be obtained efficiently. Note that the hydrogen treatment may be performed a plurality of times at the same temperature or at different temperatures. For example, the hydrogen treatment may be performed a plurality of times while raising the temperature stepwise. When the hydrogen treatment is performed a plurality of times, the total time for contacting with hydrogen is preferably in the above range. Moreover, it is preferable that the temperature when making it contact with hydrogen is the said range in at least 1 time of hydrogen treatment. As will be described later, the metal complex may be gradually formed by contact with hydrogen during the hydrogen adsorption / desorption measurement cycle of the carbon material introduced with the metal complex. In such a case, instead of the hydrogen treatment described above, the hydrogen adsorption / desorption measurement cycle may be performed as a step of contacting with hydrogen.
<水素吸蔵材料>
本実施形態による金属担持炭素材料は、高い水素吸蔵能を有し、100℃以下の温度で水素の吸蔵、放出が可能である。また、水素の吸蔵、放出に化学反応を伴わないため、耐久性に優れる。そのため、特に燃料電池自動車用の水素吸蔵材料に好適に用いられうる。
<Hydrogen storage material>
The metal-supported carbon material according to the present embodiment has a high hydrogen storage capacity, and can store and release hydrogen at a temperature of 100 ° C. or lower. In addition, since no chemical reaction is involved in the storage and release of hydrogen, the durability is excellent. Therefore, it can be suitably used particularly as a hydrogen storage material for fuel cell vehicles.
<触媒材料>
本実施形態による金属担持炭素材料は、金属を高活性な状態で担持できる。また、数原子〜数十原子程度の金属クラスターとすることで金属の使用量を低減できる。そのため、触媒金属の質量当たりの活性が向上した触媒材料が得られうる。本実施形態による金属担持炭素材料は、例えば燃料電池用電極触媒などの各種触媒に好適に用いられうる。
<Catalyst material>
The metal-supported carbon material according to the present embodiment can support a metal in a highly active state. Moreover, the metal usage-amount can be reduced by setting it as a metal cluster of about several atoms-dozens of atoms. Therefore, a catalyst material with improved activity per mass of catalyst metal can be obtained. The metal-supported carbon material according to the present embodiment can be suitably used for various catalysts such as a fuel cell electrode catalyst.
本発明の作用効果を以下の実施例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The effects of the present invention will be described with reference to the following examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
<参考例1:ZTCの調製>
乾燥したゼオライト(NaY5.5)にフルフリルアルコール(FA)を含浸した。これを、150℃で8時間熱処理してFAを重合させ、PFA/ゼオライト複合体とした。これをN2雰囲気下5℃/minで850℃まで昇温し、次いで700℃で1時間プロピレンCVDを行った。その後N2雰囲気下5℃/minで900℃まで昇温して3時間保持し、炭素/ゼオライト複合体を調製した。最後に、この複合体を47wt%のフッ素水素酸100mlに投入後、5時間攪拌してフッ化水素酸処理し、鋳型であるゼオライトを溶解除去してミクロポーラス炭素材料(MPC)であるZTCを得た。
<Reference Example 1: Preparation of ZTC>
The dried zeolite (NaY5.5) was impregnated with furfuryl alcohol (FA). This was heat-treated at 150 ° C. for 8 hours to polymerize FA to obtain a PFA / zeolite composite. This was heated to 850 ° C. at 5 ° C./min in an N 2 atmosphere, and then propylene CVD was performed at 700 ° C. for 1 hour. Thereafter, the temperature was raised to 900 ° C. at 5 ° C./min in an N 2 atmosphere and held for 3 hours to prepare a carbon / zeolite composite. Finally, the composite was put into 100 ml of 47 wt% hydrofluoric acid, stirred for 5 hours and treated with hydrofluoric acid to dissolve and remove the zeolite as a template to remove ZTC as a microporous carbon material (MPC). Obtained.
得られた試料のBET表面積SBETは3690m2/gであった。 The obtained sample had a BET surface area S BET of 3690 m 2 / g.
<金属錯体を導入した炭素材料の調製>
(実施例1:ZTC−Ptの調製)
参考例1で調製したZTCについて、アセトニトリル中で(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)と反応させ、下記式のようなPt錯体を導入した炭素材料を得た。
<Preparation of carbon material with metal complex introduced>
(Example 1: Preparation of ZTC-Pt)
ZTC prepared in Reference Example 1 was reacted with (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) in acetonitrile to obtain a carbon material into which a Pt complex represented by the following formula was introduced.
具体的には、200mlの二口フラスコにマグネチックスターラーバーと参考例1で調製したZTC1.0gとを入れ、シリコンゴム製セプタムと三方コックとを取り付け、150℃に加熱してZTCを6時間真空加熱乾燥した。乾燥後、フラスコを放冷した後に恒温槽を用いてフラスコを25℃に保持した。続いて、あらかじめ調製した(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)/アセトニトリル溶液40ml(Pt:0.089mmol)をシリンジを用いてセプタムから注入し、6時間撹拌した。なお、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)/アセトニトリル溶液は、以下のように調製したものを用いた。100mlの二口ナス型フラスコにマグネチックスターラーバーを入れ、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)を32.8mg加えた。次に、脱水アセトニトリル(和光純薬工業株式会社製)を44ml加え、数分間撹拌して(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)を溶解させて(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)/アセトニトリル溶液を調製した。 Specifically, a magnetic stirrer bar and 1.0 g of ZTC prepared in Reference Example 1 were placed in a 200 ml two-necked flask, a silicone rubber septum and a three-way cock were attached, and heated to 150 ° C. for 6 hours. Vacuum-dried. After drying, the flask was allowed to cool and then kept at 25 ° C. using a thermostatic bath. Subsequently, 40 ml (Pt: 0.089 mmol) of a (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) / acetonitrile solution prepared in advance was injected from the septum using a syringe and stirred for 6 hours. The (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) / acetonitrile solution used was prepared as follows. A magnetic stir bar was placed in a 100 ml two-necked eggplant type flask, and 32.8 mg of (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) was added. Next, 44 ml of dehydrated acetonitrile (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added and stirred for several minutes to dissolve (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) (1,5-cyclooctadiene). A dimethylplatinum (II) / acetonitrile solution was prepared.
6時間撹拌した後、反応溶液を0.1μmのメンブレンフィルター(ADVANTEC社製H010A047A、φ=47mm)を用いて濾過し、その後、200mlのアセトニトリル(和光純薬工業株式会社製)、続いて100mlのテトラヒドロフラン(和光純薬工業株式会社製)を用いて洗浄した。洗浄した試料をマグネチックスターラーバーと共に200mlの二口フラスコに入れ、三方コックとガラス栓とを取り付けて100℃で6時間真空加熱乾燥した。得られた試料をZTC−Ptとする。 After stirring for 6 hours, the reaction solution was filtered using a 0.1 μm membrane filter (H010A047A manufactured by ADVANTEC, φ = 47 mm), and then 200 ml of acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), followed by 100 ml of Washing was performed using tetrahydrofuran (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). The washed sample was put into a 200 ml two-necked flask together with a magnetic stirrer bar, a three-way cock and a glass stopper were attached, and dried under vacuum heating at 100 ° C. for 6 hours. Let the obtained sample be ZTC-Pt.
得られた試料のICP分析値は、Pt:13.3wt%であった。また、SBET:2570m2/gであった。 The ICP analysis value of the obtained sample was Pt: 13.3 wt%. In addition, S BET was 2570 m 2 / g.
(実施例2:ZTC−P−Ptの調製)
参考例1で調製したZTCについて、ジフェニルホスフィン配位子を導入し、その後ジフェニルホスフィン配位子を導入したZTCをアセトニトリル中で(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)と反応させ、下記式のようなPt錯体を導入した炭素材料を得た。
(Example 2: Preparation of ZTC-P-Pt)
About ZTC prepared in Reference Example 1, diphenylphosphine ligand was introduced, and then ZTC into which diphenylphosphine ligand was introduced was reacted with (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) in acetonitrile, The carbon material which introduce | transduced Pt complex like a following formula was obtained.
具体的には、50mlの二口ナス型フラスコにマグネチックスターラーバーと参考例1で調製したZTC300mgとを入れ、フラスコの口にそれぞれシリコンゴム製セプタムと三方コックとを取り付けた。スターラーバーを用いて撹拌しながら150℃に加熱してZTCを6時間真空加熱乾燥した。乾燥後、フラスコを室温まで放冷した。次に乾燥させたZTCの入ったフラスコを減圧した状態で、あらかじめ調製したTHF/トリエチルアミン溶液20mlをシリンジを用いてセプタムから注入して室温で10分間撹拌した。ここで、THF/トリエチルアミン溶液は、窒素置換した50mlの二口ナス型フラスコに脱水THF(和光純薬工業株式会社製)25mlとトリエチルアミン(和光純薬工業株式会社製)0.536gを加えて室温で数分間撹拌して調製したものを用いた。続いて恒温槽を用いてフラスコを0℃に冷却して30分間撹拌後、フラスコ内に窒素を1atmになるまでパージしてから、クロロジフェニルホスフィン(和光純薬工業株式会社製)0.788gをシリンジを用いてフラスコ内に加えて10分間撹拌した。その後、恒温槽の温度を25℃に設定し、25℃に達してからさらに15時間撹拌して反応させた。その後、メンブレンフィルター(0.1μm、ADVANTEC社製T010A047A)で濾過し、さらに150mlのTHFでよく洗浄した。次いで試料を2000mlのイオン交換水中で30分間撹拌して良く洗浄し、メンブレンフィルター(0.1μm、ADVANTEC社製H010A047A)で濾過した後、試料を150℃で6時間減圧乾燥させた。この試料をZTC−Pと表す。 Specifically, a magnetic stirrer bar and 300 mg of ZTC prepared in Reference Example 1 were placed in a 50 ml two-necked eggplant type flask, and a silicone rubber septum and a three-way cock were attached to the mouths of the flasks, respectively. While stirring using a stirrer bar, the ZTC was heated to 150 ° C. and dried under vacuum heating for 6 hours. After drying, the flask was allowed to cool to room temperature. Next, in a state where the dried flask containing ZTC was decompressed, 20 ml of a THF / triethylamine solution prepared in advance was injected from the septum using a syringe and stirred at room temperature for 10 minutes. Here, the THF / triethylamine solution was added to a nitrogen-substituted 50 ml two-necked eggplant type flask by adding 25 ml of dehydrated THF (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 0.536 g of triethylamine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) at room temperature. And prepared by stirring for a few minutes. Subsequently, after the flask was cooled to 0 ° C. using a thermostatic bath and stirred for 30 minutes, the flask was purged with nitrogen until 1 atm, and 0.788 g of chlorodiphenylphosphine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added. It added to the flask using the syringe and stirred for 10 minutes. Thereafter, the temperature of the thermostatic bath was set to 25 ° C., and after reaching 25 ° C., the mixture was further stirred for 15 hours to be reacted. Thereafter, the mixture was filtered through a membrane filter (0.1 μm, T010A047A manufactured by ADVANTEC), and further washed well with 150 ml of THF. Next, the sample was thoroughly washed by stirring in 2000 ml of ion exchange water for 30 minutes, filtered through a membrane filter (0.1 μm, H010A047A manufactured by ADVANTEC), and then the sample was dried under reduced pressure at 150 ° C. for 6 hours. This sample is designated as ZTC-P.
シュレンク管に上記で調製したZTC−Pを120mgとマグネチックスターラーバーとを入れ、シュレンク管の口にシリコンゴム製セプタムを取り付けた。スターラーバーを用いて撹拌しながらZTC−Pを150℃で6時間真空加熱乾燥し、その後室温まで放冷した。続いて乾燥したZTC−Pの入ったシュレンク管を減圧した状態で、あらかじめ調製した(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)/アセトニトリル溶液4.8ml(Pt:1.5mmol/(1g−ZTC−P))をシリンジを用いてセプタムから注入し、10分間撹拌した。なお、(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)/アセトニトリル溶液は、20mlの一口ナス型フラスコに(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)(アルドリッチ社製)を60mg加えてフラスコ内を窒素置換し、脱水アセトニトリル(和光純薬工業株式会社製)を4.8ml加えて室温で数分間撹拌して調製したものを用いた。 120 mg of ZTC-P prepared above and a magnetic stirrer bar were placed in a Schlenk tube, and a silicone rubber septum was attached to the mouth of the Schlenk tube. While stirring using a stir bar, ZTC-P was vacuum-heated and dried at 150 ° C. for 6 hours, and then allowed to cool to room temperature. Subsequently, 4.8 ml of a (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) / acetonitrile solution (Pt: 1.5 mmol / (1 g) prepared in advance in a state where the dried Schlenk tube containing ZTC-P was decompressed. -ZTC-P)) was injected from the septum using a syringe and stirred for 10 minutes. As for the (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) / acetonitrile solution, 60 mg of (1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) (manufactured by Aldrich) was added to a 20 ml one-necked eggplant type flask. The flask was purged with nitrogen, and 4.8 ml of dehydrated acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added and the mixture prepared by stirring for several minutes at room temperature was used.
次にシュレンク管に還流冷却管を取り付けて100℃に加熱したオイルバスでフラスコを加熱し、12時間還流した。12時間後、還流を止めてシュレンク管を放冷してから、反応溶液を0.1μmのメンブレンフィルター(ADVANTEC社製H010A047A、φ=47mm)を用いて濾過し、その後、50mlのアセトニトリル(和光純薬工業株式会社製)、続いて50mlのジエチルエーテルを用いて洗浄した。洗浄した試料を100℃で6時間真空加熱乾燥した。得られた試料をZTC−P−Ptと表す。 Next, a reflux condenser was attached to the Schlenk tube, and the flask was heated in an oil bath heated to 100 ° C. and refluxed for 12 hours. After 12 hours, the reflux was stopped and the Schlenk tube was allowed to cool. Then, the reaction solution was filtered using a 0.1 μm membrane filter (ADVANTEC H010A047A, φ = 47 mm), and then 50 ml of acetonitrile (Wako Pure). Washed with 50 ml of diethyl ether. The washed sample was vacuum-heated and dried at 100 ° C. for 6 hours. The obtained sample is represented as ZTC-P-Pt.
得られた試料のICP分析から、試料中に含まれるリンは1.48wt%であり、Ptは10.3wt%であることがわかった。また、SBET:1860m2/gであった。 From the ICP analysis of the obtained sample, it was found that phosphorus contained in the sample was 1.48 wt% and Pt was 10.3 wt%. In addition, S BET was 1860 m 2 / g.
(実施例3:ZTC−Pt(comp)の調製)
下記反応式(1)、(2)にしたがってエッジ修飾ミクロポーラス炭素材料を調製した。
(Example 3: Preparation of ZTC-Pt (comp))
An edge-modified microporous carbon material was prepared according to the following reaction formulas (1) and (2).
具体的には、PTFE製4口フラスコ(500ml)に46wt%フッ化水素酸(200g)を加え、溶解している酸素ガスを取り除くために事前に窒素ガスを100cc/分で30分間以上バブリングさせた。続いて水溶性アゾ重合開始剤であるVA−044を反応溶液の全重量に対して2.50wt%になるように加え、オイルバスの設定温度を70℃にして加熱を開始させた。フラスコ内のフッ化水素酸の温度が50±2℃となった時点で、上記参考例1で調製した炭素/ゼオライト複合体(0.47g)を加え、一定時間攪拌した。炭素/ゼオライト複合体を加えた後約1時間で、フラスコ内のフッ化水素酸の温度は60±2℃になった。反応時間は、フッ化水素酸の温度が60℃に達してから6時間とした。 Specifically, 46 wt% hydrofluoric acid (200 g) was added to a PTFE 4-neck flask (500 ml), and nitrogen gas was bubbled in advance at 100 cc / min for 30 minutes or more in order to remove dissolved oxygen gas. It was. Subsequently, VA-044, which is a water-soluble azo polymerization initiator, was added so as to be 2.50 wt% with respect to the total weight of the reaction solution, and heating was started at an oil bath set temperature of 70 ° C. When the temperature of hydrofluoric acid in the flask reached 50 ± 2 ° C., the carbon / zeolite composite prepared in Reference Example 1 (0.47 g) was added and stirred for a certain time. Approximately 1 hour after adding the carbon / zeolite composite, the temperature of the hydrofluoric acid in the flask was 60 ± 2 ° C. The reaction time was 6 hours after the hydrofluoric acid temperature reached 60 ° C.
反応後、反応溶液を濾過して生成物を500mlの蒸留水で良く洗い、灰分が残らないようにするためにさらに蒸留水(500g)で30分間攪拌した。その後、濾過して蒸留水で洗浄して、エッジ修飾ミクロポーラス炭素材料を得た。収量は0.11gであった。 After the reaction, the reaction solution was filtered, and the product was washed well with 500 ml of distilled water, and further stirred with distilled water (500 g) for 30 minutes so that no ash remained. Thereafter, it was filtered and washed with distilled water to obtain an edge-modified microporous carbon material. Yield was 0.11 g.
次いで、下記式にしたがってエッジ修飾ミクロポーラス炭素材料へのリン配位子の導入反応を行った。 Next, a phosphorus ligand was introduced into the edge-modified microporous carbon material according to the following formula.
アミジン構造を導入したZTC(ZTC−VA044)780mgとスターラーバーとを外径35mmの直線状のフラスコに加え、150℃で6時間真空加熱乾燥後、室温まで放冷した。続いてスターラーを攪拌させながら2.62wt%トリエチルアミン/THF溶液をシリンジを用いてフラスコ内に50ml(トリエチルアミン1.13g、11.20mmol)注入して真空含浸させた。その後、恒温槽を用いて0℃のウォーターバス(エチレングリコールを約15重量%加える)でフラスコを冷却した。30分後、大気圧までフラスコ内に窒素をパージし、フラスコ内に空気が入らないように窒素を流しながらクロロジフェニルホスフィン(アルドリッチ社製)2.26g(10.25mmol)をシリンジを用いてフラスコ内に加えて10分間攪拌した。その後、ウォーターバスの温度を25℃に設定し、25℃に達してから15時間反応させた。その後、反応溶液にTHF80mlを加えて数分間攪拌してからメンブレンフィルター(0.1μm、ADVANTEC社製T010A047A)で濾過し、さらに500mlのTHFでよく洗浄した。次いで試料を2500mlの蒸留水中で30分間攪拌して良く洗浄し、メンブレンフィルター(0.1μm、ADVANTEC社製H010A047A)で濾過した後、試料を150℃で真空乾燥させた。収量は0.87gであった。この試料をZTC−VA044−PPh2と表す。 780 mg of ZTC (ZTC-VA044) having an amidine structure introduced therein and a stirrer bar were added to a linear flask having an outer diameter of 35 mm, dried by vacuum heating at 150 ° C. for 6 hours, and then allowed to cool to room temperature. Subsequently, while stirring the stirrer, 50 ml (triethylamine 1.13 g, 11.20 mmol) of 2.62 wt% triethylamine / THF solution was injected into the flask using a syringe and impregnated in vacuum. Thereafter, the flask was cooled in a water bath at 0 ° C. (addition of about 15% by weight of ethylene glycol) using a thermostatic bath. After 30 minutes, the flask was purged with nitrogen up to atmospheric pressure, and 2.26 g (10.25 mmol) of chlorodiphenylphosphine (manufactured by Aldrich) was poured into the flask using a syringe while flowing nitrogen so that air did not enter the flask. And stirred for 10 minutes. Thereafter, the temperature of the water bath was set to 25 ° C., and the reaction was performed for 15 hours after reaching 25 ° C. Thereafter, 80 ml of THF was added to the reaction solution and stirred for several minutes, followed by filtration with a membrane filter (0.1 μm, T010A047A manufactured by ADVANTEC), and further washed well with 500 ml of THF. Next, the sample was thoroughly washed by stirring in 2500 ml of distilled water for 30 minutes, filtered through a membrane filter (0.1 μm, H010A047A manufactured by ADVANTEC), and then the sample was vacuum dried at 150 ° C. The yield was 0.87g. This sample represents the ZTC-VA044-PPh 2.
下記式にしたがってリン配位子を有するエッジ修飾ミクロポーラス炭素材料への白金錯体の導入反応を行った。 The platinum complex was introduced into an edge-modified microporous carbon material having a phosphorus ligand according to the following formula.
上記で調製したZTC−VA044−PPh20.30gを、150℃で6時間真空加熱乾燥した後、室温まで放冷してスターラーを攪拌させながらシリンジを用いてフラスコ内に1.56重量%(1,5−シクロオクタジエン)ジメチル白金(II)錯体/アセトニトリル溶液12mlを注入して真空含浸させ、10分間ほど攪拌した後に大気圧に達するまでフラスコ内に窒素をパージさせた。続いてフラスコに冷却器を取り付けて100℃に加熱したオイルバスで12時間還流させた。還流後、反応溶液を室温まで冷却してから反応溶液をメンブレンフィルター(0.1μm、ADVANTEC社製H010A047A)で濾過し、100mlのアセトニトリル、続いて100mlのジエチルエーテルで洗浄してから真空加熱乾燥した(100℃、6時間)。この試料をZTC−Pt(comp)と表す。収量は0.37gであった。 After 0.30 g of ZTC-VA044-PPh 2 prepared above was vacuum-heated and dried at 150 ° C. for 6 hours, it was allowed to cool to room temperature and stirred with a stirrer, and 1.56 wt% ( 12 ml of 1,5-cyclooctadiene) dimethylplatinum (II) complex / acetonitrile solution was injected, vacuum impregnated, stirred for about 10 minutes, and then purged with nitrogen until atmospheric pressure was reached. Subsequently, the flask was fitted with a condenser and refluxed in an oil bath heated to 100 ° C. for 12 hours. After refluxing, the reaction solution was cooled to room temperature, filtered through a membrane filter (0.1 μm, H010A047A manufactured by ADVANTEC), washed with 100 ml of acetonitrile, and then with 100 ml of diethyl ether, and then dried under vacuum. (100 ° C., 6 hours). This sample is represented as ZTC-Pt (comp). The yield was 0.37g.
試料中に含まれるリンは1.62wt%であり、白金は11.1wt%であった。BET表面積は1550g/m2であった。 The phosphorus contained in the sample was 1.62 wt%, and platinum was 11.1 wt%. The BET surface area was 1550 g / m 2 .
(比較例1:ZTC−Pt粒子)
錯体を担持させたZTCと比較するため、一般的な方法を用いてZTCにPtナノ粒子を担持させた。ジアンミンジニトロ白金[Pt(NO2)2(NH3)2]の0.096wt%水溶液6.7mlと、還元剤水溶液である水素化ホウ素ナトリウムの0.0095wt%の水溶液66.7mlとをそれぞれ調製し、0℃に冷却した。続いて、参考例1で調製したZTC100mgを0℃のジアンミンジニトロ白金水溶液に投入し、0℃に冷却して減圧雰囲気で30分間撹拌した。次に、この溶液を遠心分離して0℃の水素化ホウ素ナトリウム水溶液と混合し、0℃で10分間撹拌することによりジアンミンジニトロ白金を還元して白金ナノ粒子を生成させた。反応溶液を0.1μmのメンブレンフィルター(ADVANTEC社製H010A047A、φ=47mm)を用いて濾過し、試料をイオン交換水でよく洗浄した後、150℃で6時間減圧乾燥した。この試料をZTC−Pt粒子と表す。試料中に白金は2.28wt%であった。BET表面積は3260g/m2であった。この試料をZTC−Pt粒子と表す。
(Comparative Example 1: ZTC-Pt particles)
In order to compare with ZTC carrying the complex, Pt nanoparticles were carried on ZTC using a general method. Prepared 6.7 ml of 0.096 wt% aqueous solution of diammine dinitroplatinum [Pt (NO 2 ) 2 (NH 3 ) 2 ] and 66.7 ml of 0.0095 wt% aqueous solution of sodium borohydride as a reducing agent aqueous solution. And cooled to 0 ° C. Subsequently, 100 mg of ZTC prepared in Reference Example 1 was added to a 0 ° C. diamminedinitroplatinum aqueous solution, cooled to 0 ° C., and stirred in a reduced pressure atmosphere for 30 minutes. Next, this solution was centrifuged, mixed with an aqueous sodium borohydride solution at 0 ° C., and stirred at 0 ° C. for 10 minutes to reduce diammine dinitroplatinum to produce platinum nanoparticles. The reaction solution was filtered using a 0.1 μm membrane filter (H010A047A manufactured by ADVANTEC, φ = 47 mm), the sample was thoroughly washed with ion-exchanged water, and dried under reduced pressure at 150 ° C. for 6 hours. This sample is represented as ZTC-Pt particles. Platinum was 2.28 wt% in the sample. The BET surface area was 3260 g / m 2 . This sample is represented as ZTC-Pt particles.
下記表1に参考例1、実施例1〜3、比較例1で調製した試料の窒素吸脱着測定の結果から算出したBET表面積SBET、細孔構造を示す。ここで、VTotal、Vmicro、およびVmesoは、それぞれ、全細孔の占める容積、ミクロ細孔の占める容積、およびメソ細孔の占める容積を表す。 Table 1 below shows the BET surface area S BET and the pore structure calculated from the results of nitrogen adsorption / desorption measurement of the samples prepared in Reference Example 1, Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. Here, VTotal , Vmicro , and Vmeso represent the volume occupied by all pores, the volume occupied by micropores, and the volume occupied by mesopores, respectively.
なお、各実施例、比較例、参考例で調製した炭素材料のBET表面積の測定は、日本ベル製BELSORP miniを用いて行い、−196℃の温度で、多点法で行った。 In addition, the measurement of the BET surface area of the carbon material prepared by each Example, the comparative example, and the reference example was performed using BELSORP mini by Nippon Bell, and was performed by the multipoint method at the temperature of -196 degreeC.
また、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法によりリンおよび白金の含有量を測定した。ここで、リンおよび白金の含有量は、試料をアルカリ融解により分解し溶液化した後、エスアイアイナノテクノロジー社製誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析装置を用いて測定した値を用いた。白金の含有量を表1に示す。 The contents of phosphorus and platinum were measured by inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy. Here, the content of phosphorus and platinum used was a value measured using an inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopic analyzer manufactured by SII Nano Technology after the sample was decomposed by alkali melting into a solution. Table 1 shows the platinum content.
各実施例で調製した金属錯体を導入した炭素材料についてTEM観察を行った。 TEM observation was performed about the carbon material which introduce | transduced the metal complex prepared in each Example.
透過型電子顕微鏡(TEM)観察は、日本電子株式会社製透過型電子顕微鏡JEM−2010を用い、加速電圧200kVにて観察した。TEM観察に際しては、試料にエタノールを少量加えてから超音波処理することで懸濁させ、懸濁液をマイクログリッド(応研商事株式会社製:普及品タイプB)に微量滴下した後、40℃で30分間減圧乾燥し、TEM用観察試料とした。 The transmission electron microscope (TEM) was observed using a transmission electron microscope JEM-2010 manufactured by JEOL Ltd. at an acceleration voltage of 200 kV. In TEM observation, a small amount of ethanol was added to the sample and then suspended by sonication, and the suspension was dropped on a microgrid (Oken Shoji Co., Ltd .: popular product type B) at 40 ° C. The sample was dried under reduced pressure for 30 minutes to obtain an observation sample for TEM.
図3A〜図3Eに、参考例1、実施例1〜3、比較例1で調製した金属錯体を導入した材料のTEM写真をそれぞれ示す。それぞれの図について、(b)は(a)を高倍率で観察したものである。図3Eに示すように、比較例1の試料のTEM写真では、平均粒径1〜3nmの白金粒子が確認できる。しかしながら、図3Bに示す実施例1の試料では、Pt担持量が13.3wt%と比較例1の2.28wt%と比較して高いのにもかかわらず、粒子上のPtは観察されなかった。このことから、実施例1の試料では白金が凝集せずに炭素材料の表面に均一に分散していると考えられる。同様に、図3C、図3Dに示すように実施例2、3の試料でも検出できる大きさの粒子状のPtは観察されず、白金が均一に分散していると考えられる。 3A to 3E show TEM photographs of materials into which the metal complexes prepared in Reference Example 1, Examples 1 to 3, and Comparative Example 1 were introduced, respectively. About each figure, (b) observes (a) at high magnification. As shown in FIG. 3E, in the TEM photograph of the sample of Comparative Example 1, platinum particles having an average particle diameter of 1 to 3 nm can be confirmed. However, in the sample of Example 1 shown in FIG. 3B, Pt on the particles was not observed even though the amount of Pt supported was 13.3 wt% compared to 2.28 wt% of Comparative Example 1. . From this, it is considered that in the sample of Example 1, platinum does not aggregate and is uniformly dispersed on the surface of the carbon material. Similarly, as shown in FIGS. 3C and 3D, particulate Pt having a size that can be detected by the samples of Examples 2 and 3 is not observed, and it is considered that platinum is uniformly dispersed.
<熱処理>
各実施例で調製した金属錯体を導入した炭素材料について熱処理を行った。試料を、200℃または300℃で1時間の真空加熱処理を行った。真空加熱処理は、日本ベル株式会社製吸着測定用前処理装置Belprepを用いて行った。熱処理前に100℃(1時間で昇温)で6時間の真空加熱乾燥を行い、それから10℃/分で所定の温度に昇温して1時間の真空加熱処理を行った。
<Heat treatment>
The carbon material into which the metal complex prepared in each example was introduced was subjected to heat treatment. The sample was subjected to vacuum heat treatment at 200 ° C. or 300 ° C. for 1 hour. The vacuum heat treatment was performed by using a pretreatment device Belprep for adsorption measurement manufactured by Nippon Bell Co., Ltd. Prior to the heat treatment, vacuum heating drying was performed at 100 ° C. (temperature rising in 1 hour) for 6 hours, and then the temperature was increased to a predetermined temperature at 10 ° C./min and vacuum heating treatment was performed for 1 hour.
<水素処理>
各実施例で調製した金属錯体を導入した炭素材料について25℃、50℃、70℃の順に各温度で30分間水素処理を行った。
<Hydrogen treatment>
About the carbon material which introduce | transduced the metal complex prepared in each Example, hydrogen treatment was performed for 30 minutes at each temperature in order of 25 degreeC, 50 degreeC, and 70 degreeC.
具体的には、フラスコに試料とスターラーバーを加え、100℃、6時間の真空加熱乾燥を行い試料を乾燥させた。試料の乾燥後にフラスコを放冷させてから恒温槽を用いてフラスコを25℃に保持し、フラスコ内に窒素ガスを導入した。続いてフラスコ内に水素ガスを100cc/minで流通させて25℃で30分間の水素処理を行った。30分後、フラスコを真空引きしてからオイルバスによりフラスコを50℃に加熱し、窒素ガスをフラスコに導入した。続いてフラスコ内に水素ガスを100cc/minで流通させて50℃で30分間の水素処理を行った。30分後、フラスコを真空引きしてからオイルバスによりフラスコを70℃に加熱し、窒素ガスをフラスコに導入した。続いてフラスコ内に水素ガスを100cc/minで流通させて50℃で30分間の水素処理を行った。30分後、70℃に保持したフラスコを1時間真空引きしてフラスコ内の水素ガスを取り除いてからフラスコを放冷した。放冷後にフラスコに窒素ガスを導入し、フラスコをアルゴン雰囲気下のグローブボックス内に移して試料を取り出した。 Specifically, a sample and a stirrer bar were added to the flask, and the sample was dried by vacuum heating and drying at 100 ° C. for 6 hours. After drying the sample, the flask was allowed to cool, and then the flask was held at 25 ° C. using a thermostatic bath, and nitrogen gas was introduced into the flask. Subsequently, hydrogen gas was passed through the flask at 100 cc / min, and hydrogen treatment was performed at 25 ° C. for 30 minutes. After 30 minutes, the flask was evacuated and then heated to 50 ° C. with an oil bath to introduce nitrogen gas into the flask. Subsequently, hydrogen gas was passed through the flask at 100 cc / min, and hydrogen treatment was performed at 50 ° C. for 30 minutes. After 30 minutes, the flask was evacuated and then heated to 70 ° C. with an oil bath to introduce nitrogen gas into the flask. Subsequently, hydrogen gas was passed through the flask at 100 cc / min, and hydrogen treatment was performed at 50 ° C. for 30 minutes. After 30 minutes, the flask maintained at 70 ° C. was evacuated for 1 hour to remove hydrogen gas in the flask, and then the flask was allowed to cool. After allowing to cool, nitrogen gas was introduced into the flask, and the flask was moved into a glove box under an argon atmosphere, and a sample was taken out.
各実施例で調製した試料について、熱処理の前後、および水素処理の前後で粉末X線回折測定を行い、熱処理および水素処理によるナノクラスターの生成を観察した。粉末X線回折測定は、島津製作所製XRD−6100を用いて行い、線源はCu−Kα、電圧30kV、電流20mAで行った。 The sample prepared in each example was subjected to powder X-ray diffraction measurement before and after the heat treatment and before and after the hydrogen treatment, and the formation of nanoclusters by the heat treatment and the hydrogen treatment was observed. The powder X-ray diffraction measurement was performed using XRD-6100 manufactured by Shimadzu Corporation, and the radiation source was Cu-Kα, the voltage was 30 kV, and the current was 20 mA.
図4Aに、実施例1で調製した試料を熱処理および水素処理の前後で、空気雰囲気下で測定したXRDパターンを示す。実施例1の試料は熱処理、水素処理の前のX線回折パターンは2θ=6°付近の長周期規則構造を示すピークが明確に観察され、また2θ=20〜30°に炭素網面の積層に由来するピークはほとんどみられなかった。このことから、得られた試料では、ミクロポーラス炭素材料(MPC)の規則構造が保持されていることが確認された。また、0価のPt粒子に由来するピークは観察されなかった。 FIG. 4A shows XRD patterns obtained by measuring the sample prepared in Example 1 in an air atmosphere before and after heat treatment and hydrogen treatment. In the sample of Example 1, an X-ray diffraction pattern before heat treatment and hydrogen treatment clearly shows a peak showing a long-period regular structure in the vicinity of 2θ = 6 °, and a stack of carbon network surfaces at 2θ = 20-30 °. There were almost no peaks derived from. From this, it was confirmed that the ordered structure of the microporous carbon material (MPC) was maintained in the obtained sample. In addition, no peak derived from zero-valent Pt particles was observed.
しかしながら、200℃で熱処理を行うと、2θ=40°付近に0価の白金に由来するピークが観察され、300℃で熱処理すると、より強いピークが確認された。これは、熱処理によって白金の粒子の成長が進んでいることを示す。 However, when heat treatment was performed at 200 ° C., a peak derived from zero-valent platinum was observed in the vicinity of 2θ = 40 °, and a stronger peak was confirmed when heat treatment was performed at 300 ° C. This indicates that the growth of platinum particles is progressed by the heat treatment.
また、水素処理した場合も、25℃、50℃、70℃と進むにつれて白金の粒子成長が
進むことが確認された。
In addition, it was confirmed that platinum particle growth progressed as it proceeded to 25 ° C., 50 ° C., and 70 ° C. even in the case of hydrogen treatment.
併せて、図4Aに、実施例2で調製した試料の水素処理の前後で、空気雰囲気下で測定したXRDパターンを示す。実施例2の試料を水素処理した場合も、25℃、50℃、70℃と進むにつれて白金の粒子成長が進むことが確認された。 In addition, FIG. 4A shows XRD patterns measured in an air atmosphere before and after hydrogen treatment of the sample prepared in Example 2. Even when the sample of Example 2 was treated with hydrogen, it was confirmed that the particle growth of platinum progressed as it proceeded to 25 ° C., 50 ° C., and 70 ° C.
なお、比較のために、図4Bに参考例1の試料(ZTC)および比較例1の試料(ZTC−Pt粒子)のXRDスペクトルを示す。参考例1の試料、および比較例1の試料のXRDスペクトルにおいて、2θ=6°付近のピークは炭素材料の長周期規則構造を示し、比較例1の試料のXRDパターンの2θ=40°付近のピークは粒子状の白金に由来する。 For comparison, FIG. 4B shows XRD spectra of the sample of Reference Example 1 (ZTC) and the sample of Comparative Example 1 (ZTC-Pt particles). In the XRD spectra of the sample of Reference Example 1 and the sample of Comparative Example 1, the peak around 2θ = 6 ° indicates the long-period regular structure of the carbon material, and the XRD pattern of the sample of Comparative Example 1 is around 2θ = 40 °. The peak is derived from particulate platinum.
図5A、図5Bに、実施例1で調製した試料の200℃および300℃で熱処理した後のTEM写真をそれぞれ示す。図5A、図5Bにおいて、(a)〜(d)は試料の異なる領域を観察したものである。図5Aに示すように、200℃で熱処理した試料ではZTC粒子の内部に1nmに満たない大きさの白金粒子が高分散しており、1nm以上の大きさの粒子はほとんど確認できなかった。一方、図5Bのように、300℃で熱処理したものは、1nm以下の粒子が高分散しているZTC粒子も、1nm程度の粒子が高分散しているものも多く観察された。 5A and 5B show TEM photographs of the sample prepared in Example 1 after heat treatment at 200 ° C. and 300 ° C., respectively. 5A and 5B, (a) to (d) are observations of different regions of the sample. As shown in FIG. 5A, in the sample heat-treated at 200 ° C., platinum particles having a size of less than 1 nm were highly dispersed inside the ZTC particles, and almost no particles having a size of 1 nm or more could be confirmed. On the other hand, as shown in FIG. 5B, many of the ZTC particles in which particles of 1 nm or less were highly dispersed and those in which particles of about 1 nm were highly dispersed were observed after heat treatment at 300 ° C.
図6Aに実施例1で調製した試料を25℃、50℃で水素処理した後に測定したTEM写真を、図6Bに、さらに70℃で水素処理した後に測定したTEM写真をそれぞれ示す。また、図7Aに、実施例2で調製した試料を25℃、50℃で水素処理した後に測定したTEM写真を、図7Bに、さらに70℃で水素処理した後に測定したTEM写真をそれぞれ示す。25℃と50℃での水素処理では、実施例1、2のいずれの試料も、1nm以下の粒子が分散していることがわかる。しかしながら、図5Aの200℃で熱処理した試料と比較すると、粒子サイズがやや不均一になった。さらに70℃で水素処理した場合も、実施例1の試料では金属粒子は大きくても1nm程度であると考えられる。実施例2の試料では、1nm以下の粒子がほとんどであると考えられるが、1nm以上の粒子も観察される。なお、これらのTEM写真において、(a)〜(d)は同じ試料を異なる倍率、領域で観察したものである。 FIG. 6A shows a TEM photograph measured after hydrogen-treating the sample prepared in Example 1 at 25 ° C. and 50 ° C., and FIG. 6B shows a TEM photograph measured after further hydrogen-treating at 70 ° C. FIG. 7A shows a TEM photograph measured after hydrogen treatment of the sample prepared in Example 2 at 25 ° C. and 50 ° C., and FIG. 7B shows a TEM photograph measured after further hydrogen treatment at 70 ° C. It can be seen that in the hydrogen treatment at 25 ° C. and 50 ° C., particles of 1 nm or less are dispersed in any of the samples of Examples 1 and 2. However, when compared with the sample heat-treated at 200 ° C. in FIG. 5A, the particle size became slightly non-uniform. Further, when the hydrogen treatment is performed at 70 ° C., the metal particles in the sample of Example 1 are considered to be about 1 nm at the largest. In the sample of Example 2, it is considered that most of the particles are 1 nm or less, but particles of 1 nm or more are also observed. In these TEM photographs, (a) to (d) are the same samples observed at different magnifications and regions.
次いで、実施例1および実施例2の試料について、X線吸収微細構造解析(XAFS)によって水素処理による白金クラスターの形成過程を観察した。 Next, the formation process of platinum clusters by hydrogen treatment was observed for the samples of Example 1 and Example 2 by X-ray absorption fine structure analysis (XAFS).
XAFS測定は透過型conventionalXAFSを用い、ZTC−Pt、ZTC−P−Pt、ZTC−Pt粒子の3つの試料について行った。試料は吸着水を取り除くために事前に100℃で真空加熱乾燥を6時間行い、アルゴン雰囲気グローブボックス内で乾燥した試料約100mgからペレットを作製した。作製したペレットはXAFS用測定用試料セルにセットしてからセルを閉じ込め、測定装置にセットした。測定は以下の手順で室温から100℃までの範囲で試料を水素フローにて処理し、再度ヘリウム雰囲気に戻して室温まで放冷してからXAFSを行った:
(1)室温にてヘリウム雰囲気下でXAFS測定、
(2)室温にて水素をフローさせて水素処理を30分間行った後、再度ヘリウム雰囲気に戻してXAFS測定、
(3)ヘリウム雰囲気で所定温度まで昇温し、所定温度に達してから水素をフローさせて水素処理を30分間行い、ヘリウム雰囲気に戻して室温まで放冷してからXAFS測定を行った。温度は50℃、70℃、100℃の順で各温度で水素処理をした後にヘリウム雰囲気で室温まで放冷してからXAFS測定を行った。
XAFS measurement was performed on three samples of ZTC-Pt, ZTC-P-Pt, and ZTC-Pt particles using transmission-type conventional XAFS. The sample was vacuum-heated and dried at 100 ° C. for 6 hours in advance to remove adsorbed water, and pellets were prepared from about 100 mg of the sample dried in an argon atmosphere glove box. The prepared pellet was set in the XAFS measurement sample cell, and then the cell was confined and set in the measuring apparatus. In the measurement, the sample was treated with hydrogen flow in the range from room temperature to 100 ° C. according to the following procedure, returned to the helium atmosphere, allowed to cool to room temperature, and then XAFS was performed:
(1) XAFS measurement in a helium atmosphere at room temperature,
(2) After hydrogen treatment at room temperature and hydrogen treatment for 30 minutes, return to the helium atmosphere again and perform XAFS measurement.
(3) The temperature was raised to a predetermined temperature in a helium atmosphere, and after reaching the predetermined temperature, hydrogen treatment was performed for 30 minutes. After returning to the helium atmosphere and allowing to cool to room temperature, XAFS measurement was performed. The temperature was 50 ° C., 70 ° C., and 100 ° C., followed by hydrogen treatment at each temperature, and after cooling to room temperature in a helium atmosphere, XAFS measurement was performed.
図8〜10に、実施例1、実施例2、比較例1で調製した試料のXAFS測定結果をそれぞれ示す。それぞれの図で、(a)は吸収端微細構造(XANES)を示し、(b)は広域X線吸収微細構造(EXAFS)(フーリエ変換した動径分布関数)を示す。 8 to 10 show XAFS measurement results of the samples prepared in Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, respectively. In each figure, (a) shows the absorption edge fine structure (XANES), and (b) shows the wide area X-ray absorption fine structure (EXAFS) (radial distribution function obtained by Fourier transform).
図10(a)に示すように、比較例1で調製した試料の電子状態は水素処理の前後で変化しない。また図10(b)では、2.6Å付近にPt−Pt結合に由来するピークが観察されたが、このピークも水素処理の前後で変化しない。これは白金が粒子として担持されているためであり、水素処理で粒子が変化しないためである。 As shown in FIG. 10A, the electronic state of the sample prepared in Comparative Example 1 does not change before and after the hydrogen treatment. In FIG. 10B, a peak derived from the Pt—Pt bond was observed in the vicinity of 2.6 mm, but this peak does not change before and after the hydrogen treatment. This is because platinum is supported as particles and the particles are not changed by hydrogen treatment.
一方、図8(b)に示すように、実施例1の試料では水素処理後のスペクトルでPt−Ptの結合に由来する2.6Å付近のピークが強くなり、白金錯体に由来する1.6Å付近のピークが弱くなっている。これは水素処理の進行に伴って白金がシンタリングし、錯体が分解していることを示す。 On the other hand, as shown in FIG. 8 (b), in the sample of Example 1, the peak near 2.6Å derived from the Pt-Pt bond in the spectrum after hydrogen treatment became strong, and 1.6Å derived from the platinum complex. Nearby peaks are weak. This indicates that platinum is sintered and the complex is decomposed as the hydrogen treatment progresses.
同様に、図9(b)に示す実施例2の試料でも、水素処理の温度が高くなるにつれて白金がシンタリングしていることがわかる。 Similarly, in the sample of Example 2 shown in FIG. 9B, it can be seen that platinum is sintered as the temperature of the hydrogen treatment increases.
さらに、実施例1、実施例2、比較例1の試料について測定した広域X線吸収微細構造(EXAFS)を解析し、白金の配位元素種および平均配位数を求めた。白金の平均配位数は、EXAFSデータをフーリエ変換して得られた動径分布関数からPt−Pt結合を抽出し、逆フーリエ変換後にカーブフィッティングを行って算出した。標準試料としてPt箔(配位数12)を用いた。 Furthermore, the wide area X-ray absorption fine structure (EXAFS) measured about the sample of Example 1, Example 2, and the comparative example 1 was analyzed, and the coordination element kind and average coordination number of platinum were calculated | required. The average coordination number of platinum was calculated by extracting a Pt-Pt bond from a radial distribution function obtained by Fourier transforming EXAFS data, and performing curve fitting after inverse Fourier transform. Pt foil (coordination number 12) was used as a standard sample.
図11(a)は、実施例1、実施例2、比較例1で調製した試料について、それぞれ、水素処理前の試料(室温、He中)および水素処理後(室温、50℃、70℃、100℃)の試料のEXAFSから求めた白金の平均配位数、および白金原子周囲の炭素原子または窒素原子の平均配位数をプロットした図である。 FIG. 11 (a) shows the samples prepared in Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, respectively, before the hydrogen treatment (room temperature, in He) and after the hydrogen treatment (room temperature, 50 ° C., 70 ° C., It is the figure which plotted the average coordination number of platinum calculated | required from EXAFS of the sample of 100 degreeC), and the average coordination number of the carbon atom or nitrogen atom around a platinum atom.
さらに、白金粒子(白金クラスター)に含まれる白金原子の平均配位数から、下記のように白金粒子の平均粒径を見積もった。 Furthermore, the average particle diameter of the platinum particles was estimated from the average coordination number of platinum atoms contained in the platinum particles (platinum clusters) as follows.
Pt格子定数:0.39231nm、Pt金属結合半径:0.14nm、単位格子(fcc)の一辺:0.67nmとして、下記に示す単位格子1(原子個数63個)、単位格子2(原子個数14)、正八面体クラスター(原子個数6)、正四面体クラスター(原子個数4)の格子体積をそれぞれ算出して球相当直径を求め、白金粒子の粒径とした。併せて、上記の単位格子1、2、正八面体クラスター、正四面体クラスターを構成する白金原子の平均配位数をそれぞれ算出した。そして、白金原子の平均配位数と白金粒子の平均粒径との関係を図11(c)にプロットした。ここで1個の白金原子(平均配位数0)の粒径は、原子半径×2=0.28nmとした。このようにして求めた白金原子の平均配位数と白金粒子の平均粒径との関係を利用して、図11(a)で得られた白金原子の平均配位数に対応する金属粒子の平均粒径を見積もることができる。 Pt lattice constant: 0.39231 nm, Pt metal bond radius: 0.14 nm, one side of unit cell (fcc): 0.67 nm, unit cell 1 (63 atoms), unit cell 2 (number of atoms 14) shown below ), Octahedral clusters (6 atoms), and tetrahedral clusters (4 atoms) were calculated to calculate the equivalent sphere diameter, which was used as the particle size of the platinum particles. In addition, the average coordination numbers of platinum atoms constituting the unit cells 1 and 2, the regular octahedral cluster, and the regular tetrahedral cluster were calculated. And the relationship between the average coordination number of a platinum atom and the average particle diameter of a platinum particle was plotted in FIG.11 (c). Here, the particle diameter of one platinum atom (average coordination number 0) was atomic radius × 2 = 0.28 nm. Using the relationship between the average coordination number of platinum atoms and the average particle diameter of platinum particles thus obtained, the metal particles corresponding to the average coordination number of platinum atoms obtained in FIG. The average particle size can be estimated.
図11(a)に示すように、比較例1の試料では、水素処理の前後で白金原子の平均配位数(Pt−Pt)は約7で変化しない。これは、図10の結果と一致する。さらに、図11(c)から、平均配位数7の場合、金属粒子の平均粒径は約1.75nmと見積もることができ、これは図3Eの結果と一致する。 As shown in FIG. 11A, in the sample of Comparative Example 1, the average coordination number (Pt−Pt) of platinum atoms is about 7 and does not change before and after the hydrogen treatment. This is consistent with the result of FIG. Furthermore, from FIG. 11C, when the average coordination number is 7, the average particle diameter of the metal particles can be estimated to be about 1.75 nm, which is consistent with the result of FIG. 3E.
一方、実施例1および実施例2の試料では、水素処理前の白金原子の平均配位数(Pt−Pt)は0に近いが、水素処理によって、特に高温で水素処理することによって、白金原子の平均配位数は増加する。同時に、白金原子と窒素原子または炭素原子との平均配位数は水素処理によって減少する。これは、白金は錯体として炭素材料に導入されるが、水素処理に伴って配位子が脱離し、白金原子が凝集してクラスターを形成していることを示唆し、図4のXRD測定の結果と一致する。さらに、水素処理をした後であっても、白金原子の平均配位数(Pt−Pt)は4.0以下であり、これは図11(c)を参照すると、平均粒径0.65nm以下の金属粒子に相当する。このような大きさの粒子はTEMで観測することは難しい。 On the other hand, in the samples of Example 1 and Example 2, although the average coordination number (Pt-Pt) of platinum atoms before hydrogen treatment is close to 0, platinum atoms can be obtained by hydrogen treatment, particularly at high temperatures. The average coordination number of increases. At the same time, the average coordination number between the platinum atom and the nitrogen or carbon atom is reduced by the hydrogen treatment. This suggests that platinum is introduced into the carbon material as a complex, but the ligands are desorbed with the hydrogen treatment, and the platinum atoms aggregate to form a cluster. Match the result. Furthermore, even after hydrogen treatment, the average coordination number of platinum atoms (Pt-Pt) is 4.0 or less, which is an average particle size of 0.65 nm or less with reference to FIG. It corresponds to the metal particles. It is difficult to observe particles of such a size with a TEM.
なお、図11(b)に、実施例1、実施例2、比較例1で調製した試料について、それぞれ、水素処理前の試料(室温、He中)および水素処理後(室温、50℃、70℃、100℃)の試料のEXAFSから求めた白金−白金の原子間距離、白金と炭素または窒素との原子間距離を示す。図11(b)に示すように、比較例1で調製した試料では水素処理の前後で白金原子間の原子間距離は変化しない。一方で実施例1、2で調製した試料では、図8〜10と同様、白金原子間の原子間距離は水素処理後に比較例1とほぼ同等の値に変化していることがわかった。 In FIG. 11 (b), the samples prepared in Example 1, Example 2, and Comparative Example 1 were each subjected to a sample before hydrogen treatment (room temperature, in He) and after hydrogen treatment (room temperature, 50 ° C., 70 ° C.). The interatomic distance of platinum-platinum and the interatomic distance between platinum and carbon or nitrogen determined from EXAFS of a sample at (° C., 100 ° C.) are shown. As shown in FIG. 11B, in the sample prepared in Comparative Example 1, the interatomic distance between platinum atoms does not change before and after the hydrogen treatment. On the other hand, in the samples prepared in Examples 1 and 2, as in FIGS. 8 to 10, it was found that the interatomic distance between platinum atoms changed to a value almost equal to that in Comparative Example 1 after the hydrogen treatment.
水素吸蔵能の評価は、低圧吸蔵性能測定(〜0.1MPa=100kPa)として、高精度自動ガス/蒸気吸着量測定装置(日本ベル株式会社製:BEL SORP MAX)を用いて25〜100℃における水素吸脱着等温線の測定を行った。試料は測定前に100℃で6時間真空加熱乾燥した。空気に暴露した際の水分の吸着を避けるために、試料は測定装置本体で乾燥後、サンプル管を取り外さずにそのまま吸脱着測定を行った。死容積は吸着測定後に測定した。平衡判断条件は500秒間の圧力変化が圧力計の読み値の0.3%以内とした。 The evaluation of the hydrogen storage capacity is performed at 25 to 100 ° C. using a high-precision automatic gas / vapor adsorption measuring device (BEL SORP MAX, manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.) as a low-pressure storage performance measurement (˜0.1 MPa = 100 kPa). The hydrogen adsorption / desorption isotherm was measured. The sample was vacuum-heated and dried at 100 ° C. for 6 hours before measurement. In order to avoid the adsorption of moisture when exposed to air, the sample was dried by the measuring apparatus main body, and then the adsorption / desorption measurement was performed without removing the sample tube. The dead volume was measured after the adsorption measurement. The equilibrium judgment condition was that the pressure change for 500 seconds was within 0.3% of the reading of the pressure gauge.
また、高圧吸蔵性能測定(〜10MPa)として、水素吸着評価装置(株式会社レスカ=現株式会社ヒューズテクノネット)を用いて20〜80℃における水素吸脱着等温線の測定を行った。試料は測定前に80℃で真空度が10−3Pa以下に下がるまで加熱乾燥した。そのまま吸脱着測定を行った。死容積は吸着測定前に測定した。平衡判断条件は300秒間の圧力変化が1kPa未満に落ち着いた圧力計の読み値を採用した。 Moreover, as a high-pressure occlusion performance measurement (-10 MPa), a hydrogen adsorption / desorption isotherm at 20 to 80 ° C. was measured using a hydrogen adsorption evaluation apparatus (Resca Co., Ltd. = current Fuse Technonet Co., Ltd.). Before the measurement, the sample was heated and dried at 80 ° C. until the degree of vacuum dropped to 10 −3 Pa or less. The adsorption / desorption measurement was performed as it was. The dead volume was measured before the adsorption measurement. As the equilibrium judgment condition, a pressure gauge reading in which the pressure change for 300 seconds settled to less than 1 kPa was adopted.
実施例2で調製した試料の低圧水素測定の結果を図12Aに示す。なお、図12Aの水素吸脱着測定において、実施例2で調製した試料は上述した方法での水素処理を行っていないものを用いているが、水素吸脱着等温線の測定の際に金属錯体が水素と接触することで徐々に特性が変化し、白金ナノクラスターが生成する。そのため、別途の水素処理を行った場合のような効果が得られうる。実施例2で調製した試料は温度の上昇とともに水素の吸蔵量が劇的に増加し(図14)、表面積が1〜3nmのPt粒子を担持した比較例1の試料の約半分にもかかわらず、極めて高い水素吸蔵量を示した。これは白金錯体に水素分子が化学吸着した量では説明できないほど高い値を示しており、スピルオーバー活性が極めて高いことが示された。上述のように、ZTCに導入された金属錯体は水素との接触で分解して白金クラスターを生成しうることから、このような高いスピルオーバー活性は、このような所定のサイズの白金クラスターに由来するものであると考えられる。また、実施例1の試料でも同様に高い水素吸蔵量が得られた(図14)。図14は、実施例1、2で製造した試料の水素吸脱着等温線を参考例1、比較例1の試料と比較して示した図である。 The result of the low-pressure hydrogen measurement of the sample prepared in Example 2 is shown in FIG. 12A. In the hydrogen adsorption / desorption measurement of FIG. 12A, the sample prepared in Example 2 was not subjected to the hydrogen treatment by the above-described method, but the metal complex was measured in the measurement of the hydrogen adsorption / desorption isotherm. When contacted with hydrogen, the properties gradually change and platinum nanoclusters are formed. Therefore, the effect as in the case of performing a separate hydrogen treatment can be obtained. The sample prepared in Example 2 dramatically increased the amount of occluded hydrogen with increasing temperature (FIG. 14), despite about half of the sample of Comparative Example 1 carrying Pt particles with a surface area of 1 to 3 nm. The hydrogen storage capacity was extremely high. This shows a high value that cannot be explained by the amount of hydrogen molecules chemisorbed on the platinum complex, indicating that the spillover activity is extremely high. As described above, since the metal complex introduced into ZTC can be decomposed upon contact with hydrogen to generate platinum clusters, such a high spillover activity is derived from such a predetermined size of the platinum clusters. It is thought to be a thing. In addition, a high hydrogen storage amount was obtained in the sample of Example 1 as well (FIG. 14). FIG. 14 is a diagram showing hydrogen adsorption / desorption isotherms of the samples manufactured in Examples 1 and 2 in comparison with the samples of Reference Example 1 and Comparative Example 1.
図12Bに実施例1で調製した試料を、25℃、50℃、70℃の順に各温度で30分間水素処理した試料の、25℃および50℃で測定した水素吸脱着等温線をそれぞれ示す。併せて、水素処理前の試料を25℃で測定した水素吸脱着等温線、ならびに25℃で測定した参考例1の試料と比較例1の試料との水素吸脱着等温線を示した。図中、各等温線に付帯の点線はZTCの吸着等温線の傾きを表したものであり、ZTCの吸着等温線と比較して傾きの増加した部分がスピルオーバーの効果による水素吸蔵量に対応する。図12Bに示されるように、水素処理をしていない試料であっても、白金を担持していないZTCや1〜3nmのPt粒子を担持したZTCよりも高い水素吸蔵能を示し、10kPa以上での吸着等温線の傾きが大きい。加えて、25℃、50℃、70℃の順に各温度で30分間水素処理することによって水素吸蔵量が増大し、測定温度を25℃から50℃にすると水素吸蔵量はさらに増加した。この結果から、水素を導入して金属錯体を還元し、特定の粒径の粒子を得ることで、水素吸蔵量が増加し、スピルオーバーによる水素吸蔵の効果も高いことが確認された。 FIG. 12B shows hydrogen adsorption / desorption isotherms measured at 25 ° C. and 50 ° C., respectively, for the sample prepared in Example 1 and subjected to hydrogen treatment in the order of 25 ° C., 50 ° C., and 70 ° C. for 30 minutes. In addition, the hydrogen adsorption / desorption isotherm of the sample before hydrogen treatment measured at 25 ° C. and the hydrogen adsorption / desorption isotherm of the sample of Reference Example 1 and the sample of Comparative Example 1 measured at 25 ° C. are shown. In the figure, the dotted line attached to each isotherm represents the slope of the ZTC adsorption isotherm, and the portion where the slope increased compared to the ZTC adsorption isotherm corresponds to the hydrogen storage amount due to the effect of spillover. . As shown in FIG. 12B, even a sample that has not been subjected to hydrogen treatment shows a higher hydrogen storage capacity than ZTC that does not support platinum or ZTC that supports Pt particles of 1 to 3 nm, and is 10 kPa or more. The slope of the adsorption isotherm is large. In addition, the hydrogen storage amount increased by performing hydrogen treatment for 30 minutes at each temperature in the order of 25 ° C., 50 ° C., and 70 ° C., and the hydrogen storage amount further increased when the measurement temperature was changed from 25 ° C. to 50 ° C. From this result, it was confirmed that by introducing hydrogen and reducing the metal complex to obtain particles having a specific particle size, the hydrogen storage amount increases and the effect of hydrogen storage by spillover is high.
図12Cに実施例2で調製した試料を、25℃、50℃、70℃の順に各温度で30分間水素処理した試料の、25℃および50℃で測定した水素吸脱着等温線をそれぞれ示す。併せて、白金の担持量に対する吸蔵された水素のモル数(H2/Pt)の最大値を示した。実施例1の場合と同様、実施例2で調製した試料は、白金を担持していないZTCや1〜3nmのPt粒子を担持したZTCよりも高い水素吸蔵能を示した。さらに、25℃、50℃、70℃の順に各温度で30分間水素処理することによって水素吸蔵量が増大した。ここで水素処理後の水素吸蔵量が実施例1の試料と比べると小さくなっているが、これは実施例2の試料では水素処理によって生じる白金粒子の粒径が実施例1の場合よりも大きい傾向にあるためと考えられる。さらに測定温度を25℃から50℃に高くすると水素吸蔵量はさらに増加し、H2/Ptの値も増加した。 FIG. 12C shows hydrogen adsorption / desorption isotherms measured at 25 ° C. and 50 ° C., respectively, for the sample prepared in Example 2 and subjected to hydrogen treatment in the order of 25 ° C., 50 ° C., and 70 ° C. for 30 minutes. In addition, the maximum value of the number of moles of occluded hydrogen (H 2 / Pt) with respect to the supported amount of platinum is shown. As in the case of Example 1, the sample prepared in Example 2 showed higher hydrogen storage capacity than ZTC not supporting platinum or ZTC supporting 1 to 3 nm Pt particles. Furthermore, hydrogen storage amount increased by hydrogen-treating for 30 minutes at each temperature in order of 25 degreeC, 50 degreeC, and 70 degreeC. Here, the hydrogen occlusion amount after the hydrogen treatment is smaller than that of the sample of Example 1, but in the sample of Example 2, the particle size of platinum particles generated by the hydrogen treatment is larger than that in Example 1. This is thought to be due to the tendency. Further, when the measurement temperature was increased from 25 ° C. to 50 ° C., the hydrogen storage amount further increased and the value of H 2 / Pt also increased.
10MPaまでの高圧水素吸蔵特性はJISH7291水素吸蔵合金の圧力−組成等温線の測定方法に従い、20〜80℃の範囲で行った。結果を図13に示す。(a)は参考例1のZTC、(b)は比較例1の1〜3nmのPt粒子を導入したZTC、(c)は実施例3の錯体を導入した試料の結果である。この際、実施例3の金属担持炭素材料に導入された錯体は測定時に水素と接触することで白金クラスターを生じうる。 The high-pressure hydrogen storage characteristics up to 10 MPa were measured in the range of 20 to 80 ° C. according to the measurement method of the pressure-composition isotherm of the JISH7291 hydrogen storage alloy. The results are shown in FIG. (A) is ZTC of the reference example 1, (b) is ZTC which introduce | transduced 1-3 nm Pt particle | grains of the comparative example 1, (c) is a result of the sample which introduce | transduced the complex of Example 3. FIG. At this time, the complex introduced into the metal-supported carbon material of Example 3 can generate platinum clusters by contacting with hydrogen during measurement.
図13(a)に示すように、金属を担持していないZTCの水素吸蔵量は典型的な物理吸着の挙動で温度と共に減少する。図13(b)に示すように、ZTC−Pt粒子は、ZTCより表面積が小さいので物理吸着による水素吸蔵量は減少するが、20〜60℃での水素吸蔵量はZTCと同じであり、80℃ではZTCより増加した。これは、60〜80℃でスピルオーバー効果が強く発現されたためと考えられる。 As shown in FIG. 13 (a), the hydrogen storage capacity of ZTC not supporting metal decreases with temperature in a typical physical adsorption behavior. As shown in FIG. 13 (b), the ZTC-Pt particles have a smaller surface area than ZTC, so that the hydrogen storage amount by physical adsorption decreases, but the hydrogen storage amount at 20 to 60 ° C. is the same as that of ZTC. It increased from ZTC at ° C. This is presumably because the spillover effect was strongly expressed at 60 to 80 ° C.
図13(c)に示すように、実施例3の金属担持炭素材料は、表面積がZTCの半分以下であるにもかかわらず、表面積から予想される値を上回る水素吸蔵量が得られた。これは、所定のサイズの金属クラスターは、1〜3nmのナノ粒子と比較してスピルオーバー効果が大きいことを示す。また、減圧することで水素が可逆的に放出されることが確認できた。 As shown in FIG. 13 (c), the metal-carrying carbon material of Example 3 obtained a hydrogen storage amount that exceeded the value expected from the surface area, even though the surface area was less than half of ZTC. This indicates that a metal cluster of a predetermined size has a larger spillover effect compared to 1 to 3 nm nanoparticles. It was also confirmed that hydrogen was reversibly released by reducing the pressure.
また、実施例3および比較例1の金属担持炭素材料で測定された水素吸蔵量について、未担持ZTCの吸着等温線から見積もった物理吸着による水素吸蔵量をそれぞれ差し引いて、スピルオーバーによる水素吸蔵量を求めた。その結果、比較例1の試料では、スピルオーバーによる水素吸蔵量は全水素吸蔵量の10%だったのに対し、実施例3の試料では、スピルオーバーによる水素吸蔵量は0.3wt%近い値となり、これは全水素吸蔵量の46%を占めた。 Further, for the hydrogen storage amount measured with the metal-supported carbon material of Example 3 and Comparative Example 1, the hydrogen storage amount by spillover was subtracted from the hydrogen storage amount by physical adsorption estimated from the adsorption isotherm of unsupported ZTC. Asked. As a result, in the sample of Comparative Example 1, the hydrogen storage amount by spillover was 10% of the total hydrogen storage amount, whereas in the sample of Example 3, the hydrogen storage amount by spillover was a value close to 0.3 wt%. This accounted for 46% of the total hydrogen storage.
以上のことから、本発明の金属担持炭素材料は、スピルオーバー活性の高い金属クラスターを有し、水素吸蔵量が大幅に向上しうることがわかる。 From the above, it can be seen that the metal-supported carbon material of the present invention has a metal cluster with high spillover activity, and the hydrogen storage capacity can be greatly improved.
このように、炭素材料に金属錯体を担持させることによって金属を高分散で担持させることができる。さらに、熱処理や水素処理のような簡単な手法で、金属錯体をスピルオーバー活性の高い、所定の大きさのナノクラスターに変換でき、1〜3nm程度の粒子状の金属を担持させた場合に比べて水素吸蔵能が大幅に改善されることが明らかになった。 In this way, the metal can be supported in a highly dispersed state by supporting the metal complex on the carbon material. Furthermore, metal complexes can be converted into nanoclusters of a predetermined size with high spillover activity by a simple method such as heat treatment or hydrogen treatment, compared to the case where particulate metals of about 1 to 3 nm are supported. It was revealed that the hydrogen storage capacity was greatly improved.
1 ゼオライト、
1a、2a ミクロ孔(ミクロ細孔)、
2 ゼオライト炭素(ゼオライト鋳型カーボン)、
3 複合体。
1 zeolite,
1a, 2a micropore (micropore),
2 Zeolite carbon (zeolite template carbon),
3 Complex.
Claims (8)
前記炭素材料に金属錯体を導入する段階と、
前記金属錯体を導入した炭素材料を熱処理するか、または水素と接触させることによって金属錯体を還元し、金属粒子が担持された金属担持炭素材料を得る段階と、を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属担持炭素材料の製造方法。 Providing a carbon material having pores;
Introducing a metal complex into the carbon material;
The heat treatment of the carbon material into which the metal complex has been introduced, or reduction of the metal complex by contacting with hydrogen to obtain a metal-supported carbon material on which metal particles are supported is provided. The manufacturing method of the metal carrying | support carbon material of any one of Claims 1.
式中、RWhere R 11 、R, R 22 はそれぞれ独立して水素原子、置換もしくは非置換の炭素数1〜10のアルキル基、または置換もしくは非置換の炭素数6〜18のアリール基であり、Are each independently a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms,
LL 11 およびLAnd L 22 は単座配位子であり、それぞれ独立して、アセトニトリル、ベンゾニトリル、THF、ジエチルスルフィド、ジメチルスルフィド、およびピリジンからなる群から選択される;または、Are monodentate ligands, each independently selected from the group consisting of acetonitrile, benzonitrile, THF, diethyl sulfide, dimethyl sulfide, and pyridine; or
LL 11 およびLAnd L 22 は連結して二座配位子を形成し、前記二座配位子は、ジシクロペンタジエン、1,5−シクロオクタジエン、ノルボルナジエン、2,2’−ビピリジン、1,10−フェナントロリン、エチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、およびtrans,trans−ジベンジリデンアセトンからなる群から選択される:Are linked to form a bidentate ligand, which is dicyclopentadiene, 1,5-cyclooctadiene, norbornadiene, 2,2′-bipyridine, 1,10-phenanthroline, ethylenediamine, Selected from the group consisting of N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine, and trans, trans-dibenzylideneacetone:
である、請求項5に記載の金属担持炭素材料の製造方法。The method for producing a metal-supported carbon material according to claim 5, wherein
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