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JP6560932B2 - Nitrogen-containing carbon material and production method thereof, precursor composition for nitrogen-containing carbon material, and electrode for fuel cell - Google Patents
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JP6560932B2 - Nitrogen-containing carbon material and production method thereof, precursor composition for nitrogen-containing carbon material, and electrode for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、窒素含有炭素材料及びその製造方法、含窒素炭素材料用前駆体組成物、並びに燃料電池用電極に関する。   The present invention relates to a nitrogen-containing carbon material and a method for producing the same, a precursor composition for a nitrogen-containing carbon material, and a fuel cell electrode.

固体高分子形燃料電池は、発電効率が高い、出力密度が高い、急速な起動停止が可能である、小型軽量化が可能である、といった利点を持ち、携帯用電源、移動用電源、小型定置用発電機等への適用が期待されている。   The polymer electrolyte fuel cell has advantages such as high power generation efficiency, high output density, rapid start / stop, small size and light weight, portable power, mobile power, small stationary It is expected to be applied to power generators.

固体高分子形燃料電池では、その正極で起こる酸素還元反応を促進するために、一般に白金又は白金合金が触媒として用いられるが、白金の資源量が極めて少なく、また高価であるために実用化への大きな障壁となっている。そこで、白金等の貴金属を必要としない燃料電池用電極触媒として、遷移金属と窒素を含有することによって酸素還元活性を発現した炭素材料(以下、「炭素触媒」ともいう。)が注目を集めている。   In a polymer electrolyte fuel cell, platinum or a platinum alloy is generally used as a catalyst in order to promote the oxygen reduction reaction occurring at the positive electrode. However, since the amount of platinum resources is extremely small and expensive, it is put to practical use. It has become a big barrier. Therefore, as an electrode catalyst for a fuel cell that does not require a noble metal such as platinum, a carbon material that expresses oxygen reduction activity by containing a transition metal and nitrogen (hereinafter also referred to as “carbon catalyst”) attracts attention. Yes.

例えば、青酸重合物であるアズルミン酸に着目し、これを炭化することで、多量の窒素を含有した窒素含有炭素材料が得られることが知られている(特許文献1参照)。また、これに遷移金属、又はその塩を添加して得た前駆体を炭化することで、電極触媒として有用な炭素材料を合成できることが知られている(特許文献2、3、及び4参照)。   For example, it is known that a nitrogen-containing carbon material containing a large amount of nitrogen can be obtained by paying attention to azurmic acid which is a cyanide polymer and carbonizing the same (see Patent Document 1). Further, it is known that carbon materials useful as an electrode catalyst can be synthesized by carbonizing a precursor obtained by adding a transition metal or a salt thereof (see Patent Documents 2, 3, and 4). .

また、1,10−フェナントロリンなどの含窒素芳香族化合物に着目し、これに遷移金属、又はその塩を添加して得た前駆体を炭化することで、電極触媒として有用な炭素材料を合成できることが知られている(非特許文献1)。   In addition, focusing on nitrogen-containing aromatic compounds such as 1,10-phenanthroline, carbon materials useful as electrode catalysts can be synthesized by carbonizing a precursor obtained by adding a transition metal or a salt thereof. Is known (Non-Patent Document 1).

国際公開第2007/043311号パンフレットInternational Publication No. 2007/043311 Pamphlet 国際公開第2008/123380号パンフレットInternational Publication No. 2008/123380 Pamphlet 特開2011−256093号公報JP 2011-256093 A 特開2013−043821号公報JP2013-043821A

Iron−Based Catalysts with Improved Oxygen Reduction Activity in Polymer Electrolyte Fuel Cells, Michel Lefevre, Eric Proietti, Frederic Jaouen, Jean−Pol Dodelet, Science 324, 71 (2009)Iron-Based Catalysts with Improved Oxygen Reduction Activity in Polymer Electroly Fuel Cells, Michel Lefere, Electric Profiti, 71

遷移金属と窒素を含有する炭素触媒の酸素還元活性点は、その詳細は明らかではないがグラフェン骨格の末端部や欠陥部に窒素がドープされた構造、又はその窒素と錯形成した遷移金属であると考えられる。基本的に、アズルミン酸に添加された遷移金属は炭化触媒として機能するが、反応活性点として寄与している可能性もある。いずれにおいても遷移金属が前駆体中に高分散していることが重要である。   The oxygen reduction active site of the carbon catalyst containing transition metal and nitrogen is a structure in which the end of the graphene skeleton and defects are doped with nitrogen, or its transition metal complexed with nitrogen, although the details are not clear it is conceivable that. Basically, the transition metal added to azulmic acid functions as a carbonization catalyst, but may also contribute as a reaction active site. In any case, it is important that the transition metal is highly dispersed in the precursor.

しかしながら、アズルミン酸と遷移金属塩の双方を良く溶解する溶媒がなく、高度に混合させることが困難であるという問題がある。結果的に、アズルミン酸と遷移金属の混合物である前駆体を炭化して得た炭素材料は、固体高分子形燃料電池の電極触媒として酸素還元活性は十分ではなく、より優れた酸素還元活性を有する電極触媒の開発が求められている。   However, there is no solvent that well dissolves both azulmic acid and transition metal salt, and there is a problem that it is difficult to mix them highly. As a result, the carbon material obtained by carbonizing the precursor, which is a mixture of azulmic acid and transition metal, does not have sufficient oxygen reduction activity as an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, and has superior oxygen reduction activity. There is a demand for the development of an electrode catalyst.

また、アズルミン酸の代わりに、青酸四量体であり、溶媒への溶解性を有する、ジアミノマレオニトリルを用いることも考えられる。しかしながら、高温で炭化処理することで得られるジアミノマレオニトリル由来の窒素含有炭素材料は、添加した遷移金属が凝集しやすい問題がある。そのとき、凝集した遷移金属の効果で、得られる窒素含有炭素材料の窒素量が減少し、結果的に、高い酸素還元活性が得られないという問題が発生する場合がある。   It is also conceivable to use diaminomaleonitrile, which is a hydrocyanic acid tetramer and has solubility in a solvent, instead of azulmic acid. However, the nitrogen-containing carbon material derived from diaminomaleonitrile obtained by carbonizing at a high temperature has a problem that the added transition metal tends to aggregate. At that time, due to the effect of the agglomerated transition metal, the amount of nitrogen in the obtained nitrogen-containing carbon material is reduced, and as a result, there may be a problem that high oxygen reduction activity cannot be obtained.

一方、1,10−フェナントロリンなどの含窒素芳香族化合物を用いたとき、比較的高い収率で窒素含有炭素材料を得られるが、前駆体中の窒素含有量の低さを反映して、窒素含有炭素材料中の窒素含有量が低く、結果的に、高い酸素還元活性が得られないという問題がある。   On the other hand, when a nitrogen-containing aromatic compound such as 1,10-phenanthroline is used, a nitrogen-containing carbon material can be obtained with a relatively high yield, but the nitrogen content in the precursor is reflected to reflect the low nitrogen content. There is a problem that the nitrogen content in the contained carbon material is low, and as a result, high oxygen reduction activity cannot be obtained.

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高い酸素還元活性を有する窒素含有炭素材料及びその製造方法、前記窒素含有炭素材料を与える含窒素炭素材料用前駆体組成物、並びに前記窒素含有炭素材料を用いた燃料電池用電極を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, a nitrogen-containing carbon material having high oxygen reduction activity, a method for producing the same, a precursor composition for a nitrogen-containing carbon material that gives the nitrogen-containing carbon material, and the above An object of the present invention is to provide a fuel cell electrode using a nitrogen-containing carbon material.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、驚くべきことに、芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物を出発原料として用いることで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors surprisingly have four or more nitrogen atoms in the aromatic ring structure, and are multidentate coordinated by two or more nitrogen atoms. It has been found that the above problem can be solved by using a nitrogen-containing aromatic ring compound having two or more groups as a starting material, and the present invention has been completed.

即ち、本発明は以下の通りである。
〔1〕
芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 は第二の芳香環を形成する原子を示す)、又は、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −C 3 −C 4 −N 3 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 とC 3 は第二の芳香環、C 4 とN 3 は第三の芳香環を形成する原子を示す)で表される多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物(但し、前記芳香環構造に結合した連結基に対して、3位及び4位の環骨格構成原子のいずれか一方又は両方は窒素原子であるものを除く)と、遷移金属塩と、を混合して含窒素炭素材料用前駆体組成物を得る第1の工程と、
得られた前記含窒素炭素材料用前駆体組成物を熱処理して、窒素含有炭素材料を得る第
2の工程と、を有する、
窒素含有炭素材料の製造方法。
〔2〕
芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 は第二の芳香環を形成する原子を示す)、又は、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −C 3 −C 4 −N 3 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 とC 3 は第二の芳香環、C 4 とN 3 は第三の芳香環を形成する原子を示す)で表される多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物(但し、前記芳香環構造に結合した連結基に対して、3位及び4位の環骨格構成原子のいずれか一方又は両方は窒素原子であるものを除く)と、遷移金属塩と、を含む含窒素炭素材料用前駆体組成物を炭化してなる、窒素含有炭素材料。
〔3〕
〔2〕に記載の窒素含有炭素材料を含む、燃料電池用電極。
〔4〕
芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 は第二の芳香環を形成する原子を示す)、又は、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −C 3 −C 4 −N 3 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 とC 3 は第二の芳香環、C 4 とN 3 は第三の芳香環を形成する原子を示す)で表される多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物(但し、前記芳香環構造に結合した連結基に対して、3位及び4位の環骨格構成原子のいずれか一方又は両方は窒素原子であるものを除く)と、遷移金属塩と、を含む、含窒素炭素材料用前駆体組成物。
That is, the present invention is as follows.
[1]
The aromatic ring structure has 4 or more nitrogen atoms, and —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 — (where N 1 and C 1 are the first aromatic ring). , C 2 and N 2 represent an atom forming a second aromatic ring), or —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 —C 3 —C 4 —N 3 — (where N 1 And C 1 are the first aromatic rings, C 2 , N 2 and C 3 are the second aromatic rings, and C 4 and N 3 are the atoms forming the third aromatic ring). Nitrogen-containing aromatic ring compounds having two or more pairs of position sites (however, one or both of the ring skeleton constituent atoms at the 3-position and 4-position with respect to the linking group bonded to the aromatic ring structure is a nitrogen atom) and excluding), a first step of obtaining a nitrogen-containing carbon material precursor composition by mixing a transition metal salt, and
Heat-treating the obtained precursor composition for nitrogen-containing carbon material to obtain a nitrogen-containing carbon material, and
A method for producing a nitrogen-containing carbon material.
[2]
The aromatic ring structure has 4 or more nitrogen atoms, and —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 — (where N 1 and C 1 are the first aromatic ring). , C 2 and N 2 represent an atom forming a second aromatic ring), or —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 —C 3 —C 4 —N 3 — (where N 1 And C 1 are the first aromatic rings, C 2 , N 2 and C 3 are the second aromatic rings, and C 4 and N 3 are the atoms forming the third aromatic ring). Nitrogen-containing aromatic ring compounds having two or more pairs of position sites (however, one or both of the ring skeleton constituent atoms at the 3-position and 4-position with respect to the linking group bonded to the aromatic ring structure is a nitrogen atom) and excluding), made by carbonizing a nitrogen-containing carbon material precursor composition comprising a transition metal salt, a nitrogen-containing carbon material.
[3]
A fuel cell electrode comprising the nitrogen-containing carbon material according to [2].
[4]
The aromatic ring structure has 4 or more nitrogen atoms, and —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 — (where N 1 and C 1 are the first aromatic ring). , C 2 and N 2 represent an atom forming a second aromatic ring), or —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 —C 3 —C 4 —N 3 — (where N 1 And C 1 are the first aromatic rings, C 2 , N 2 and C 3 are the second aromatic rings, and C 4 and N 3 are the atoms forming the third aromatic ring). Nitrogen-containing aromatic ring compounds having two or more pairs of position sites (however, one or both of the ring skeleton constituent atoms at the 3-position and 4-position with respect to the linking group bonded to the aromatic ring structure is a nitrogen atom) and excluding) comprises a transition metal salt, a nitrogen-containing carbon material precursor composition.

本発明によれば、高い酸素還元開始電位を示し、高い酸素還元活性を有する窒素含有炭素材料及びその製造方法、前記窒素含有炭素材料を与える含窒素炭素材料用前駆体組成物、並びに前記窒素含有炭素材料を用いた燃料電池用電極を提供することができる。   According to the present invention, a nitrogen-containing carbon material that exhibits a high oxygen reduction starting potential and has high oxygen reduction activity, a method for producing the same, a precursor composition for a nitrogen-containing carbon material that provides the nitrogen-containing carbon material, and the nitrogen-containing material A fuel cell electrode using a carbon material can be provided.

以下、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明する。本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はその実施の形態のみに限定されるものではない。すなわち、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。   Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The present embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited only to the embodiment. That is, the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

〔窒素含有炭素材料の製造方法〕
本実施形態の窒素含有炭素材料の製造方法は、芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩と、を混合して含窒素炭素材料用前駆体組成物を得る第1の工程と、得られた前記含窒素炭素材料用前駆体組成物に熱処理を施す第2の工程と、を有する。
[Method for producing nitrogen-containing carbon material]
The method for producing a nitrogen-containing carbon material of the present embodiment includes a nitrogen-containing aromatic ring compound having four or more nitrogen atoms in an aromatic ring structure and two or more pairs of multidentate coordination sites by the two or more nitrogen atoms. A first step of mixing a transition metal salt to obtain a precursor composition for a nitrogen-containing carbon material, a second step of subjecting the obtained precursor composition for a nitrogen-containing carbon material to a heat treatment, Have

〔第1の工程〕
第1の工程は、芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩と、を混合して含窒素炭素材料用前駆体組成物(以下、単に「前駆体」ともいう)を得る工程である。
[First step]
The first step includes a nitrogen-containing aromatic ring compound having 4 or more nitrogen atoms in the aromatic ring structure and having two or more pairs of multidentate coordination sites by the 2 or more nitrogen atoms, and a transition metal salt. This is a step of mixing to obtain a precursor composition for nitrogen-containing carbon material (hereinafter also simply referred to as “precursor”).

(含窒素炭素材料用前駆体組成物)
含窒素炭素材料用前駆体組成物には、芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩と、が含まれる。このような含窒素炭素材料用前駆体組成物を熱処理することにより、高い酸素還元開始電位を示し、高い酸素還元活性を有する窒素含有炭素材料を得ることができる。なお、含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩とは錯体を形成していてもよい。以下、含窒素炭素材料用前駆体組成物に含まれる成分について説明する。
(Precursor composition for nitrogen-containing carbon material)
The precursor composition for a nitrogen-containing carbon material includes a nitrogen-containing aromatic ring compound having 4 or more nitrogen atoms in an aromatic ring structure and having two or more pairs of multidentate coordination sites by the two or more nitrogen atoms, Transition metal salts. By heat-treating such a precursor composition for a nitrogen-containing carbon material, a nitrogen-containing carbon material having a high oxygen reduction starting potential and having a high oxygen reduction activity can be obtained. Note that the nitrogen-containing aromatic ring compound and the transition metal salt may form a complex. Hereinafter, the components contained in the precursor composition for nitrogen-containing carbon material will be described.

(含窒素芳香環化合物)
本実施形態において使用する含窒素芳香環化合物は、芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物である。
(Nitrogen-containing aromatic ring compound)
The nitrogen-containing aromatic ring compound used in the present embodiment is a nitrogen-containing aromatic ring compound having 4 or more nitrogen atoms in the aromatic ring structure and having two or more pairs of multidentate coordination sites by the 2 or more nitrogen atoms. is there.

「芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し」とは、含窒素芳香環化合物1分子が、窒素原子を含む芳香族環を1又は2以上有し、該芳香族環に含まれる窒素原子の総計が4以上であることをいう。また、「2以上の該窒素原子による多座配位部位」とは、芳香族環に含まれる2以上の窒素原子(配位原子)が、同一の金属原子に対して、配位し得るよう構成された部位をいい、2以上の芳香族環が1つ多座配位部位を形成するように構成されていてもよい。また、「多座」とは、二座部位、または三座部位をいう。さらに、「多座配位部位を2組以上有する」とは、含窒素芳香環化合物1分子が、2以上の金属原子に対して、それぞれ多座配位し得るよう構成されることをいい、例えば、後述する多座配位部位の構造を、1分子中に2カ所以上有することをいう。   “Having 4 or more nitrogen atoms in the aromatic ring structure” means that one molecule of a nitrogen-containing aromatic ring compound has one or more aromatic rings containing nitrogen atoms, and nitrogen contained in the aromatic rings It means that the total number of atoms is 4 or more. Further, “a multidentate coordination site by two or more nitrogen atoms” means that two or more nitrogen atoms (coordinating atoms) contained in an aromatic ring can coordinate to the same metal atom. The site | part comprised was said and it may be comprised so that two or more aromatic rings may form one multidentate coordination site | part. The “multidentate” refers to a bidentate site or a tridentate site. Furthermore, “having two or more pairs of multidentate coordination sites” means that one molecule of a nitrogen-containing aromatic ring compound is configured to be capable of multidentate coordination with respect to two or more metal atoms, For example, it means that the structure of the multidentate coordination site described later has two or more sites in one molecule.

2以上の窒素原子による多座配位部位の構造としては、特に限定されないが、例えば、−N−C−C−N−、もしくは、−N−C−C−N−C−C−N−、と示すことができる。ここで、N、N、Nは窒素原子を示し、C、C、C、Cは炭素原子を示し、これらは全て芳香環を形成する原子を示す。具体的には、NとCは第一の芳香環、CとNは第二の芳香環に属する2つの芳香環を有する含窒素芳香環化合物をあげることができる。また、NとCは第一の芳香環、CとNとCは第二の芳香環、CとNは第三の芳香環に属する3つの芳香環を有する含窒素芳香環化合物をあげることができる。 The structure of multidentate coordination site by 2 or more nitrogen atoms is not particularly limited, for example, -N 1 -C 1 -C 2 -N 2 -, or, -N 1 -C 1 -C 2 -N 2 -C 3 -C 4 -N 3 - , can be shown with. Here, N 1 , N 2 , and N 3 represent nitrogen atoms, C 1 , C 2 , C 3 , and C 4 represent carbon atoms, and these all represent atoms that form an aromatic ring. Specifically, N 1 and C 1 may be a first aromatic ring, and C 2 and N 2 may be a nitrogen-containing aromatic ring compound having two aromatic rings belonging to the second aromatic ring. N 1 and C 1 are first aromatic rings, C 2 , N 2 and C 3 are second aromatic rings, and C 4 and N 3 are nitrogen-containing nitrogen rings having three aromatic rings belonging to the third aromatic ring. Aromatic ring compounds can be mentioned.

このような含窒素芳香環化合物は、特に限定されないが、2,2’−ビピリミジン、2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン、テトラ−2−ピリジニルピラジン、4’,4””−(1,4−フェニレン)ビス(2,2’:6’,2”−テルピリジン)、6,7−ジメチル−2,3−ジ(2−ピリジル)キノキサリン、ジピラジノ[2,3−f:2’,3’−h]キノキサリン−2,3,6,7,10,11−ヘキサカルボニトリル、などを例示できる。特に好ましくは、溶媒への溶解性が高く、遷移金属と錯体を形成しやすく、熱処理工程での遷移金属成分の凝集を抑制できて、ひいては、遷移金属がより均等に分散した窒素含有炭素材料が得られ、高い酸素還元活性を得られる観点で、2,2’−ビピリミジン、2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン、テトラ−2−ピリジニルピラジン、が特に好ましい。含窒素芳香環化合物は、1種類の単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。   Such nitrogen-containing aromatic ring compounds are not particularly limited, but 2,2'-bipyrimidine, 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine, tetra-2-pyridinylpyrazine, 4 ', 4 ""- (1,4-phenylene) bis (2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine), 6,7-dimethyl-2,3-di (2-pyridyl) quinoxaline, dipyrazino [2,3-f: 2 ', 3'-h] quinoxaline-2,3,6,7,10,11-hexacarbonitrile, etc. Particularly preferably, it is highly soluble in a solvent and easily forms a complex with a transition metal. From the viewpoint of being able to suppress aggregation of the transition metal component in the heat treatment step, and thus obtaining a nitrogen-containing carbon material in which the transition metal is more evenly dispersed and obtaining high oxygen reduction activity, 2,2′-bipyrimidine, 2,3-bis (2-pyridy ) Pyrazine, tetra-2-pyridinylcarbonyl pyrazine, but is particularly preferred. The nitrogen-containing aromatic ring compound, may be used in one kind alone, or in combination of two or more.

また、含窒素芳香環化合物は、芳香環構造中の炭素原子に、以下に例示できる特性基、官能基、置換基が結合していてもよい。   In the nitrogen-containing aromatic ring compound, a characteristic group, a functional group, and a substituent which can be exemplified below may be bonded to a carbon atom in the aromatic ring structure.

特性基としては、特に限定されないが、例えば、アルキル基(脂肪族化合物)、ハロゲン基(−Cl,−Br,−I,−F)、ヒドロキシ基(−OH)、アミノ基(−NH)、イミノ基(=NH)、N−オキシド基(N→O)、N−ヒドロキシ基(−NH−OH)、ニトロ基(−NO)、ニトロソ基(−NO)、アゾ基(−N=N−)、ジアゾ基(−N+≡N)、アジド基(−N)、オキシ基(−O−)、オキソ基(=O)、カルボニル基(−CO−)、フェニル基(芳香族化合物)、ホスフィノ基(リン化合物)、チオ基(−S−)、S−オキシド基(S→O)、チオキシ(=S)、を例示することができる。 The characteristic group is not particularly limited, for example, an alkyl group (aliphatic), halogen (-Cl, -Br, -I, -F), hydroxy (-OH), an amino group (-NH 2) , Imino group (═NH), N-oxide group (N → O), N-hydroxy group (—NH—OH), nitro group (—NO 2 ), nitroso group (—NO), azo group (—N═ N-), diazo group (—N + ≡N), azide group (—N 3 ), oxy group (—O—), oxo group (═O), carbonyl group (—CO—), phenyl group (aromatic compound) ), Phosphino group (phosphorus compound), thio group (—S—), S-oxide group (S → O), and thioxy (═S).

官能基としては、特に限定されないが、例えば、ヒドロキシ基、ペルオキシ基、ケトン基、アシル基 、アセチル基、エノール基、エナミン基、アルデヒド基、アセタール基、ヘミアセタール基、カルボキシル基(カルボン酸、酸無水物、酸ハロゲン化物、酸ヒドラゾン、酸アジド、過酸、エステル、チオエステル、硝酸エステル、リン酸エステル)、アミド基、チオアミド基、イミド基、アミジン基、オキシム基、チオール基、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホン酸、スルフェン酸、ウレア基、ウレタン基、グアニジン基、イソニトリル基(−NC)、アレン基(>C=C=C<)、ケテン基(−C=C=O)、ジイミド基(−N=C=N−)、イソシアネート(−N=C=O)、チオイソシアネート (−N=C=S)、カルボニル基、アミノ基、イミノ基、シアノ基、アゾ基、アジ基、チオール基、スルホ基、ニトロ基、エーテル結合、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、を例示することができる。   The functional group is not particularly limited. For example, a hydroxyl group, a peroxy group, a ketone group, an acyl group, an acetyl group, an enol group, an enamine group, an aldehyde group, an acetal group, a hemiacetal group, a carboxyl group (carboxylic acid, acid Anhydride, acid halide, acid hydrazone, acid azide, peracid, ester, thioester, nitrate ester, phosphate ester), amide group, thioamide group, imide group, amidine group, oxime group, thiol group, sulfide group, disulfide Group, sulfonic acid, sulfenic acid, urea group, urethane group, guanidine group, isonitrile group (-NC), allene group (> C = C = C <), ketene group (-C = C = O), diimide group ( -N = C = N-), isocyanate (-N = C = O), thioisocyanate (-N = C = S), carbonyl Examples thereof include a group, an amino group, an imino group, a cyano group, an azo group, an azide group, a thiol group, a sulfo group, a nitro group, an ether bond, an ester bond, an amide bond, and a urethane bond.

置換基としては、特に限定されないが、例えば、アルキル基(ビニル基、アリル基)、アリール基(フェニル基、ナフチル基)、アラアルキル基(ベンジル基)、シクロアルキル基、アルコキシ基(メトキシ基、エトキシ基)、を例示することができる。   Although it does not specifically limit as a substituent, For example, an alkyl group (vinyl group, allyl group), an aryl group (phenyl group, naphthyl group), an araalkyl group (benzyl group), a cycloalkyl group, an alkoxy group (methoxy group, ethoxy) Group).

(遷移金属塩)
遷移金属塩としては、特に限定されないが、例えば、遷移金属のシアノ錯体、ヒドロキシ錯体、クロロ錯体、アセチルアセトナ−ト錯体、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩、亜硝酸塩、塩化物、臭化物、ヨウ化物、又は種々の有機金属化合物等が挙げられる。このなかでも、好ましくは、シアノ錯体、クロロ錯体、アセチルアセトナ−ト錯体、硝酸塩、塩化物、臭化物であり、より好ましくは、硝酸塩、塩化物、臭化物である。このなかでも、水や低級アルコール等の極性溶媒に溶解するものがさらに好ましい。
(Transition metal salt)
The transition metal salt is not particularly limited, and examples thereof include transition metal cyano complexes, hydroxy complexes, chloro complexes, acetylacetonate complexes, nitrates, sulfates, acetates, carbonates, oxalates, nitrites, Examples include chloride, bromide, iodide, and various organometallic compounds. Of these, cyano complexes, chloro complexes, acetylacetonate complexes, nitrates, chlorides and bromides are preferable, and nitrates, chlorides and bromides are more preferable. Among these, those that are soluble in polar solvents such as water and lower alcohols are more preferable.

また、遷移金属としては、特に限定されないが、例えば、Fe,Co,Ni,Cu,Mn,又はCrが好ましく、Fe,Co,又はCuがより好ましく、Fe又はCoがさらに好ましく、特に好ましいのはFeである。このような遷移金属を用いることにより、窒素含有炭素材料の酸素還元活性がより向上する傾向にある。遷移金属は、1種類の単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。遷移金属を2種以上併用する場合は、1種はFeであることが好ましく、FeとCo,Ni,Cu,Mn,またはCrから選ばれる1種以上を含むことがより好ましい。また、鉄塩と他の遷移金属塩とを併用する場合の鉄塩の含有量は合計量の50重量%以上であることが好ましく、75重量%以上であることがより好ましい。   Further, the transition metal is not particularly limited, but for example, Fe, Co, Ni, Cu, Mn, or Cr is preferable, Fe, Co, or Cu is more preferable, Fe or Co is further preferable, and particularly preferable Fe. By using such a transition metal, the oxygen reduction activity of the nitrogen-containing carbon material tends to be further improved. A transition metal may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more transition metals are used in combination, one is preferably Fe, and more preferably one or more selected from Fe and Co, Ni, Cu, Mn, or Cr. In addition, when the iron salt and other transition metal salt are used in combination, the content of the iron salt is preferably 50% by weight or more of the total amount, and more preferably 75% by weight or more.

具体的な鉄塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化鉄(II)、塩化鉄(II)四水和物、塩化鉄(III)、塩化鉄(III)六水和物、臭化鉄(II)、臭化鉄(II)六水和物、臭化鉄(III)、臭化鉄(III)六水和物、ヘキサシアノ鉄(II)酸アンモニウム三水和物、ヘキサシアノ鉄(II)酸カリウム三水和物、ヘキサシアノ鉄(III)酸アンモニウム、ヘキサシアノ鉄(III)カリウム、ヘキサシアノ鉄(II)酸ナトリウム十水和物、ヘキサシアノ鉄(III)酸ナトリウム一水和物、硝酸鉄(II)六水和物、硝酸鉄(III)九水和物、チオシアン酸鉄(III)、炭酸鉄(II)、炭酸鉄(II)一水和物、ヘキサクロロ鉄(III)酸メチルアンモニウム、テトラクロロ鉄(II)酸テトラメチルアンモニウム、ペンタシアノニトロシル鉄(III)酸カリウム二水和物、ヘキサシアノ鉄(II)酸カリウム鉄(III)水和物、ペンタシアノニトロシル鉄(III)酸ナトリウム二水和物、アンミンペンタシアノ鉄(II)酸ナトリウム三水和物、アクアペンタシアノ鉄(II)酸ナトリウム七水和物、チオシアン酸鉄(II)三水和物、酢酸鉄、シュウ酸鉄(III)五水和物、シュウ酸鉄(II)二水和物、クエン酸鉄(III)三水和物、ヨウ化鉄(II)、ヨウ化鉄(II)四水和物、硫酸鉄(III)、硫酸鉄(III)九水和物、テトラクロロ鉄(II)酸アンモニウム、過塩素酸鉄(II)六水和物、過塩素酸鉄(III)六水和物、アクアペンタフルオロ鉄(III)酸カリウム、硫酸カリウム鉄(III)十二水和物、ビス(スルファト)鉄(II)二アンモニウム六水和物、トリス(硫酸)鉄(III)酸ナトリウム三水和物、リン酸鉄(III)二水和物、リン酸鉄(II)八水和物、硫酸鉄(II)七水和物等が挙げられる。好ましくは、塩化鉄(II)、塩化鉄(III)、臭化鉄(II)、臭化鉄(III)、硝酸鉄(III)九水和物が挙げられる。   Specific iron salts are not particularly limited. For example, iron (II) chloride, iron (II) chloride tetrahydrate, iron (III) chloride, iron (III) chloride hexahydrate, iron bromide (II), iron (II) bromide hexahydrate, iron (III) bromide, iron (III) bromide hexahydrate, ammonium hexacyanoferrate (II) trihydrate, iron hexacyanoferrate (II) Potassium acid trihydrate, ammonium hexacyanoferrate (III), potassium hexacyanoiron (III), sodium hexacyanoferrate (II) decahydrate, sodium hexacyanoferrate (III) monohydrate, iron nitrate (II ) Hexahydrate, iron (III) nitrate nonahydrate, iron (III) thiocyanate, iron (II) carbonate, iron (II) carbonate monohydrate, methylammonium hexachloroferrate (III), tetrachloro Tetramethy iron (II) acid Ammonium, potassium pentacyanonitrosyl iron (III) dihydrate, potassium iron (III) hexacyanoferrate (II), sodium pentacyanonitrosyl iron (III) dihydrate, ammine pentacyanoiron ( II) Sodium acid trihydrate, aquapentacyanoiron iron (II) sodium heptahydrate, iron (II) thiocyanate trihydrate, iron acetate, iron (III) oxalate pentahydrate, oxalic acid Iron (II) dihydrate, iron (III) citrate trihydrate, iron (II) iodide, iron (II) iodide tetrahydrate, iron (III) sulfate, iron (III) sulfate nine Hydrates, ammonium tetrachloroferrate (II), iron (II) perchlorate hexahydrate, iron (III) perchlorate hexahydrate, potassium aquapentafluoroiron (III), potassium iron sulfate (III) Twelve water Bis (sulfato) iron (II) diammonium hexahydrate, tris (sulfate) iron (III) sodium trihydrate, iron (III) phosphate dihydrate, iron (II) phosphate eight Hydrates, iron (II) sulfate heptahydrate and the like can be mentioned. Preferably, iron (II) chloride, iron (III) chloride, iron (II) bromide, iron (III) bromide, and iron (III) nitrate nonahydrate are used.

具体的なコバルト塩としては、特に限定されないが、例えば、ヘキサシアノコバルト(III)酸カリウム、硝酸コバルト(II)六水和物、フッ化コバルト(II)、臭化コバルト(II)、臭化コバルト(II)六水和物、炭酸コバルト(II)、チオシアン酸コバルト(II)三水和物、酢酸コバルト(II)四水和物、酢酸コバルト(III)、塩化コバルト(II)、塩化コバルト(II)六水和物、テトラクロロコバルト(II)酸セシウム、ヘキサフルオロコバルト(III)酸カリウム、ヨウ化コバルト(II)、ヨウ化コバルト(II)六水和物、ヘキサニトロコバルト(III)酸カリウム、リン酸コバルト(II)、リン酸コバルト(II)八水和物、硫酸コバルト(II)、硫酸コバルト(II)七水和物等が挙げられる。好ましくは、塩化コバルト(II)、臭化コバルト(II)、硝酸コバルト(II)六水和物が挙げられる。   Specific cobalt salts are not particularly limited. For example, potassium hexacyanocobalt (III) acid, cobalt (II) nitrate hexahydrate, cobalt (II) fluoride, cobalt (II) bromide, cobalt bromide. (II) hexahydrate, cobalt carbonate (II), cobalt thiocyanate (II) trihydrate, cobalt acetate (II) tetrahydrate, cobalt acetate (III), cobalt chloride (II), cobalt chloride ( II) Hexahydrate, cesium tetrachlorocobalt (II), potassium hexafluorocobalt (III), cobalt (II) iodide, cobalt (II) iodide hexahydrate, hexanitrocobalt (III) acid Examples include potassium, cobalt (II) phosphate, cobalt (II) phosphate octahydrate, cobalt (II) sulfate, and cobalt (II) sulfate heptahydrate. It is. Preferably, cobalt (II) chloride, cobalt (II) bromide, and cobalt (II) nitrate hexahydrate are used.

具体的なニッケル塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化ニッケル(II)、塩化ニッケル(II)六水和物、臭化ニッケル(II)、硝酸ニッケル(II)六水和物等が挙げられる。   Specific nickel salts are not particularly limited, and examples thereof include nickel chloride (II), nickel chloride (II) hexahydrate, nickel bromide (II), nickel nitrate (II) hexahydrate and the like. It is done.

具体的な銅塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化銅(II)、塩化銅(II)二水和物、臭化銅(II)、硝酸銅(II)二水和物等が挙げられる。   Specific copper salts are not particularly limited, and examples include copper (II) chloride, copper (II) chloride dihydrate, copper (II) bromide, copper nitrate (II) dihydrate, and the like. It is done.

具体的なマンガン塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化マンガン(II)、臭化マンガン(II)、硝酸マンガン(II)四水和物等が挙げられる。   Specific examples of the manganese salt include, but are not limited to, manganese chloride (II), manganese bromide (II), manganese nitrate (II) tetrahydrate, and the like.

具体的なクロム塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化クロム(III)、臭化クロム(III)、硝酸クロム(III)九水和物等が挙げられる。   Specific examples of the chromium salt include, but are not limited to, chromium (III) chloride, chromium (III) bromide, and chromium (III) nitrate nonahydrate.

含窒素芳香環化合物の質量に対する遷移金属塩中の遷移金属元素の質量の比率は、0.0001〜10.00が好ましく、0.0005〜5.00がより好ましく、0.001〜1.00がさらに好ましい。この比率が0.0001以上であることにより、前駆体に熱処理を施した際に得られる窒素含有炭素材料の収率がより優れる傾向にある。また、この比率が10.00以下であることにより、窒素含有炭素材料としたときの酸素還元活性がより優れる傾向にある。   The ratio of the mass of the transition metal element in the transition metal salt to the mass of the nitrogen-containing aromatic ring compound is preferably 0.0001 to 10.00, more preferably 0.0005 to 5.00, and 0.001 to 1.00. Is more preferable. When this ratio is 0.0001 or more, the yield of the nitrogen-containing carbon material obtained when the precursor is heat-treated tends to be more excellent. Moreover, when this ratio is 10.00 or less, the oxygen reduction activity tends to be more excellent when a nitrogen-containing carbon material is used.

(他の有機化合物)
含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩と、を混合して前駆体を得る第1の工程では、さらに他の有機化合物を添加してもよい。
(Other organic compounds)
In the first step of obtaining a precursor by mixing a nitrogen-containing aromatic ring compound and a transition metal salt, another organic compound may be added.

該他の有機化合物としては、後述する熱処理によって炭素化される前に揮発してしまう有機化合物、例えば沸点が250℃以下の有機溶媒は、窒素含有炭素材料の原料とはならないので除外される。それ以外であれば、特に限定されないが、該熱処理で揮発しにくい有機化合物が好ましい。該他の有機化合物は、脂肪族化合物でもよいし、芳香族化合物でもよい。また該他の有機化合物は、含窒素でも良いし、非含窒素でもよい。特に、該熱処理で重合するモノマー材料、ポリマー材料、が好ましい。   As the other organic compounds, organic compounds that volatilize before being carbonized by a heat treatment described later, for example, organic solvents having a boiling point of 250 ° C. or less are excluded because they do not serve as raw materials for nitrogen-containing carbon materials. Other than that, although not particularly limited, an organic compound that is less likely to volatilize by the heat treatment is preferable. The other organic compound may be an aliphatic compound or an aromatic compound. The other organic compound may be nitrogen-containing or non-nitrogen-containing. In particular, a monomer material and a polymer material that are polymerized by the heat treatment are preferable.

モノマー材料としては、特に限定されないが、例えば、ジアミノマレオニトリル、アクリロニトリル、グリシン、メラミン、尿素、が挙げられる。このなかでも、ジアミノマレオニトリル、が好ましい。このようなモノマー材料を用いることにより、酸素還元活性の高い窒素含有炭素材料が高収率で得られる傾向にある。   The monomer material is not particularly limited, and examples thereof include diaminomaleonitrile, acrylonitrile, glycine, melamine, and urea. Of these, diaminomaleonitrile is preferable. By using such a monomer material, a nitrogen-containing carbon material having a high oxygen reduction activity tends to be obtained in a high yield.

ここで、ジアミノマレオニトリルは、青酸の四量体である。ジアミノマレオニトリルは市販品を用いてもよいし、公知の方法(例えば、特開昭49−126619号公報、特開昭60−651158号公報等参照)に基づき製造して用いてもよい。ジアミノマレオニトリルは、再結晶等の方法により精製して純度を高めてもよいし、無精製でもよい。   Here, diaminomaleonitrile is a tetramer of hydrocyanic acid. Diaminomaleonitrile may be a commercially available product, or may be produced and used based on a known method (for example, see JP-A Nos. 49-126619 and 60-651158). Diaminomaleonitrile may be purified by a method such as recrystallization to increase the purity, or may be unpurified.

ポリマー材料としては、特に限定されないが、例えば、アズルミン酸、ポリアクリロニトリル、ポリアニリン、芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリビニルピリジン、ポリビニルピロリドン、メラミン樹脂、尿素樹脂、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸、等が挙げられる。このなかでも、アズルミン酸、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、フェノール樹脂が好ましい。このようなポリマー材料を用いることにより、酸素還元活性の高い窒素含有炭素材料が高収率で得られる傾向にある。   The polymer material is not particularly limited. For example, azulmic acid, polyacrylonitrile, polyaniline, aromatic polyamide, polyimide, polyvinylpyridine, polyvinylpyrrolidone, melamine resin, urea resin, phenol resin, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylic acid , Etc. Of these, azulmic acid, polyacrylonitrile, polyimide, and phenol resin are preferable. By using such a polymer material, a nitrogen-containing carbon material having a high oxygen reduction activity tends to be obtained in a high yield.

前駆体が該他の有機化合物を含む場合においては、該他の有機化合物の含窒素芳香環化合物に対する質量比は、0.01〜100が好ましく、0.1〜10がより好ましく、0.5〜5がさらに好ましい。この比率が0.01以上であることにより、窒素含有炭素材料としたときの酸素還元活性がより優れる傾向にある。また、この比率が100以下であることにより、前駆体に熱処理を施した際に得られる窒素含有炭素材料の収率がより優れる傾向にある。   When the precursor contains the other organic compound, the mass ratio of the other organic compound to the nitrogen-containing aromatic ring compound is preferably 0.01 to 100, more preferably 0.1 to 10, and 0.5 ~ 5 is more preferred. When this ratio is 0.01 or more, the oxygen reduction activity tends to be more excellent when a nitrogen-containing carbon material is used. Moreover, when this ratio is 100 or less, the yield of the nitrogen-containing carbon material obtained when the precursor is heat-treated tends to be more excellent.

(混合)
含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩の混合方法としては、特に限定されないが、例えば、含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩と、を溶媒に溶解させ、該溶媒を蒸発乾固する方法が好ましい。また、混合方法としては、特に限定されないが、例えば、一つの溶媒に全ての原料を溶解させても、それぞれ異なる溶媒に各原料を溶解させた後に該各溶媒を混合してもよい。
(mixture)
The method for mixing the nitrogen-containing aromatic ring compound and the transition metal salt is not particularly limited. For example, there is a method in which the nitrogen-containing aromatic ring compound and the transition metal salt are dissolved in a solvent and the solvent is evaporated to dryness. preferable. The mixing method is not particularly limited. For example, all the raw materials may be dissolved in one solvent, or the respective solvents may be mixed after dissolving the respective raw materials in different solvents.

溶媒としては、特に限定されないが、例えば、水、アルコール類(メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等)、ケトン類(アセトン、ジエチルケトン等)、エーテル類(ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等)、塩素系炭化水素類(ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエチレン、トリクロロエチレン、四塩化炭素等)、グリコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール等)、ニトリル類(アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、アミド類(N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、ラクタム類(N−メチル−2−ピロリドン等)、ジメチルスルホキシド、脂肪族炭化水素類(n−ペンタン、n−ヘキサン、シクロヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン等)、芳香族炭化水素類(ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等)等が挙げられる。このなかでも、好ましいのは極性溶媒であり、より好ましくはメタノール及びエタノール等の低級アルコール、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等である。溶媒は、1種類の溶液単独で用いてもよいし、2種以上の溶液を併用してもよい。特に、含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩の溶解度の高さ、もしくは後述の蒸発乾固のしやすさの観点から、メタノールやアセトニトリルが好ましい。   Although it does not specifically limit as a solvent, For example, water, alcohols (methanol, ethanol, propanol, butanol, etc.), ketones (acetone, diethyl ketone, etc.), ethers (diethyl ether, tetrahydrofuran, etc.), chlorinated hydrocarbons (Dichloromethane, chloroform, dichloroethylene, trichloroethylene, carbon tetrachloride, etc.), glycols (ethylene glycol, propylene glycol, etc.), nitriles (acetonitrile, propionitrile, benzonitrile, etc.), amides (N, N-dimethylformamide) , Dimethylacetamide, etc.), lactams (N-methyl-2-pyrrolidone, etc.), dimethyl sulfoxide, aliphatic hydrocarbons (n-pentane, n-hexane, cyclohexane, n-heptane, n-octane, etc.), aroma Hydrocarbons (benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, etc.) and the like. Among these, preferred are polar solvents, and more preferred are lower alcohols such as methanol and ethanol, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide and the like. As the solvent, one type of solution may be used alone, or two or more types of solutions may be used in combination. In particular, methanol and acetonitrile are preferable from the viewpoint of the high solubility of the nitrogen-containing aromatic ring compound and the transition metal salt, or the ease of evaporation and drying described later.

含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩と、を混合させる際の温度は、好ましくは0〜200℃であり、より好ましくは10〜100℃であり、さらに好ましくは20〜50℃である。温度が0℃以上であることにより、含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩の溶解度がより向上する傾向にある。また、温度が200℃以下であることにより、含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩の安定性がより向上する傾向にある。   The temperature at the time of mixing a nitrogen-containing aromatic ring compound and a transition metal salt is preferably 0 to 200 ° C, more preferably 10 to 100 ° C, and further preferably 20 to 50 ° C. When the temperature is 0 ° C. or higher, the solubility of the nitrogen-containing aromatic ring compound and the transition metal salt tends to be further improved. Moreover, it exists in the tendency which stability of a nitrogen-containing aromatic ring compound and a transition metal salt improves more because temperature is 200 degrees C or less.

含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩と、を混合させる際の圧力は、好ましくは0.05〜2.0MPaであり、より好ましくは0.08〜1.5MPaであり、さらに好ましくは0.1〜1.0MPaである。圧力が0.05MPa以上であることにより、窒素含有炭素材料としたときの酸素還元活性がより向上する傾向にある。また、圧力が2.0MPa以下であることにより、暴走反応をより抑制でき、前駆体調製の際の安全性がより向上する傾向にある。   The pressure when mixing the nitrogen-containing aromatic ring compound and the transition metal salt is preferably 0.05 to 2.0 MPa, more preferably 0.08 to 1.5 MPa, and still more preferably 0.8. 1 to 1.0 MPa. When the pressure is 0.05 MPa or more, the oxygen reduction activity when the nitrogen-containing carbon material is used tends to be further improved. Moreover, when the pressure is 2.0 MPa or less, the runaway reaction can be further suppressed, and the safety during the preparation of the precursor tends to be further improved.

含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩と、を混合させる際の時間は、好ましくは1分〜240時間であり、好ましくは10分〜120時間であり、さらに好ましくは30分〜60時間である。時間が1分以上であることにより、窒素含有炭素材料としたときの酸素還元活性がより向上する傾向にある。また、時間が240時間以下であることにより、窒素含有炭素材料としたときの酸素還元活性がより向上する傾向にある。   The time for mixing the nitrogen-containing aromatic ring compound and the transition metal salt is preferably 1 minute to 240 hours, preferably 10 minutes to 120 hours, and more preferably 30 minutes to 60 hours. . When the time is 1 minute or longer, the oxygen reduction activity of the nitrogen-containing carbon material tends to be further improved. Moreover, when time is 240 hours or less, it exists in the tendency for oxygen reduction activity when it is set as a nitrogen containing carbon material to improve more.

含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩と、を混合させる際は、バッチ式反応器を用いてもよいし、流通式反応器を用いてもよい。流通式反応器は完全混合槽でもよいし、管状反応器でもよいし、完全混合槽と管状反応器を組み合わせたものでもよい。   When mixing the nitrogen-containing aromatic ring compound and the transition metal salt, a batch reactor or a flow reactor may be used. The flow reactor may be a complete mixing tank, a tubular reactor, or a combination of a complete mixing tank and a tubular reactor.

反応器内の雰囲気は、空気でもよいが、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスであってもよい。   The atmosphere in the reactor may be air, but may be an inert gas such as nitrogen, helium, or argon.

蒸発乾固の方法としては、特に限定されないが、例えば、ロータリーエバポレーター等を用いて減圧下で溶媒を除去してもよいし、スプレードライヤー等を用いて溶媒を揮発させてもよい。このなかでも、均一な複合状態を維持する観点及び造粒の観点から、スプレードライヤーを用いる方法が好ましい。   The method for evaporating and drying is not particularly limited. For example, the solvent may be removed under reduced pressure using a rotary evaporator or the like, or the solvent may be volatilized using a spray dryer or the like. Among these, a method using a spray dryer is preferable from the viewpoint of maintaining a uniform composite state and from the viewpoint of granulation.

〔第2の工程〕
第2の工程は、第1の工程で得られた前駆体を熱処理して、窒素含有炭素材料を得る工程である。第2の工程は、一段階の熱処理であってもよいが、二段階以上の熱処理であってもよい。このなかでも、第2の工程において、不活性ガス雰囲気下における熱処理と、アンモニア含有ガス雰囲気下における熱処理の双方をこの順に行なうことが好ましい。不活性ガス雰囲気下における熱処理は主に炭素化を目的とするものであり、アンモニア含有ガス雰囲気下における熱処理は主に賦活化を目的とするものであり、このような第2の工程を行うことで、酸素還元活性により優れる窒素含有炭素材料が得られる傾向にある。
[Second step]
The second step is a step of obtaining a nitrogen-containing carbon material by heat-treating the precursor obtained in the first step. The second step may be a one-step heat treatment, but may be a two-step or more heat treatment. Among these, in the second step, it is preferable to perform both the heat treatment in an inert gas atmosphere and the heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere in this order. The heat treatment in an inert gas atmosphere is mainly for the purpose of carbonization, and the heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere is mainly for the purpose of activation, and such a second step is performed. Thus, there is a tendency to obtain a nitrogen-containing carbon material that is superior in oxygen reduction activity.

上記不活性ガスとしては、特に限定されないが、例えば、窒素、希ガス、真空等を用いることができる。不活性ガス雰囲気下における熱処理温度は、好ましくは600〜1100℃であり、より好ましくは600〜1000℃であり、さらに好ましくは600〜950℃である。熱処理温度が600℃以上であることにより、前駆体の炭素化が十分に進行する傾向にある。また、熱処理温度が1100℃以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。   Although it does not specifically limit as said inert gas, For example, nitrogen, a noble gas, a vacuum etc. can be used. The heat treatment temperature in an inert gas atmosphere is preferably 600 to 1100 ° C, more preferably 600 to 1000 ° C, and further preferably 600 to 950 ° C. When the heat treatment temperature is 600 ° C. or higher, the carbonization of the precursor tends to proceed sufficiently. Moreover, when the heat treatment temperature is 1100 ° C. or lower, a sufficient yield tends to be obtained.

不活性ガス雰囲気下における熱処理時間は、好ましくは5分〜50時間であり、より好ましくは10分〜20時間であり、さらに好ましくは20分〜10時間である。熱処理時間が5分以上であることにより、前駆体の炭素化が十分に進行する傾向にある。また、熱処理時間が50時間以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。   The heat treatment time in an inert gas atmosphere is preferably 5 minutes to 50 hours, more preferably 10 minutes to 20 hours, and further preferably 20 minutes to 10 hours. When the heat treatment time is 5 minutes or longer, carbonization of the precursor tends to proceed sufficiently. Moreover, it exists in the tendency for sufficient yield to be acquired because heat processing time is 50 hours or less.

用いる遷移金属塩の種類やその量により、適正な熱処理温度及び/又は熱処理時間は異なる。   The appropriate heat treatment temperature and / or heat treatment time varies depending on the type and amount of the transition metal salt used.

アンモニア含有ガスとしては、特に限定されないが、例えば、アンモニアのみ、又はアンモニアを窒素や希ガスで希釈したガスを用いることが好ましい。アンモニア含有ガス雰囲気下における熱処理温度は、好ましくは600〜1200℃であり、より好ましくは700〜1100℃であり、さらに好ましくは800〜1000℃である。熱処理温度が600℃以上であることにより、前駆体の賦活化が十分に進行し、酸素還元活性により優れる窒素含有炭素材料が得られる傾向にある。また、熱処理温度が1200℃以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。   The ammonia-containing gas is not particularly limited. For example, it is preferable to use only ammonia or a gas obtained by diluting ammonia with nitrogen or a rare gas. The heat treatment temperature in the ammonia-containing gas atmosphere is preferably 600 to 1200 ° C, more preferably 700 to 1100 ° C, and further preferably 800 to 1000 ° C. When the heat treatment temperature is 600 ° C. or higher, activation of the precursor is sufficiently advanced, and a nitrogen-containing carbon material excellent in oxygen reduction activity tends to be obtained. Moreover, it exists in the tendency for sufficient yield to be acquired because heat processing temperature is 1200 degrees C or less.

アンモニア含有ガス雰囲気下における熱処理時間は、好ましくは5分〜5時間であり、より好ましくは10分〜3時間であり、さらに好ましくは15分〜2時間である。熱処理時間が5分以上であることにより、前駆体の賦活化が十分に進行し、酸素還元活性により優れる窒素含有炭素材料が得られる傾向にある。また、熱処理時間が5時間以下であることにより、十分な収率が得られる傾向にある。   The heat treatment time in an ammonia-containing gas atmosphere is preferably 5 minutes to 5 hours, more preferably 10 minutes to 3 hours, and even more preferably 15 minutes to 2 hours. When the heat treatment time is 5 minutes or longer, activation of the precursor is sufficiently advanced, and a nitrogen-containing carbon material excellent in oxygen reduction activity tends to be obtained. Moreover, it exists in the tendency for sufficient yield to be acquired because heat processing time is 5 hours or less.

不活性ガス雰囲気下での熱処理及び/又はアンモニア含有ガス雰囲気下での熱処理の前後には、塩酸や硫酸等を用いて遷移金属の一部を除去してもよい。特に、熱処理によって遷移金属粒子が生成する場合には、後の熱処理工程(アンモニア含有ガス雰囲気下での熱処理)における結晶化度増大の抑制の観点から、遷移金属粒子を除去することが好ましい。遷移金属粒子のできやすさは遷移金属の種類、濃度、分散性、又は熱処理温度等によって変化する。また、遷移金属粒子の除去率を高めるために、不活性ガス雰囲気下での熱処理及び/又はアンモニア含有ガス雰囲気下での熱処理の工程を複数に分割し、遷移金属の除去を繰り返し行うことが好ましい。   Before and after the heat treatment in an inert gas atmosphere and / or the heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere, a part of the transition metal may be removed using hydrochloric acid, sulfuric acid, or the like. In particular, when transition metal particles are generated by heat treatment, it is preferable to remove the transition metal particles from the viewpoint of suppressing an increase in crystallinity in a subsequent heat treatment step (heat treatment in an ammonia-containing gas atmosphere). The ease with which transition metal particles can be produced varies depending on the type, concentration, dispersibility, or heat treatment temperature of the transition metal. In order to increase the removal rate of the transition metal particles, it is preferable to divide the heat treatment step under an inert gas atmosphere and / or the heat treatment step under an ammonia-containing gas atmosphere into a plurality of steps, and repeatedly remove the transition metal. .

より具体的には、不活性ガス雰囲気下において前駆体を熱処理する第2−1aの工程と、第2−1aの工程の後、さらに、不活性ガス雰囲気下において前駆体を熱処理する第2−2aの工程と、第2−2aの工程の後、アンモニア含有ガス雰囲気下において前駆体を熱処理する第2−3aの工程と、を有することが好ましい。なお、この際の熱処理温度及び熱処理時間は上記と同様とすることができる。また、上記第2−1aの工程〜2−3aの工程に加えて、これら各工程の後に、熱処理後の前駆体を酸処理することにより前駆体表面の金属を少なくとも一部除去する第2−1bの工程〜2−3bの工程を有していてもよい。なお、上記第2−1bの工程〜2−3bの工程のすべてを行う必要はなく、そのうち1つまたは2つの工程のみを行ってもよい。また、上記第2−1aの工程〜2−3aの工程に加えて、これら各工程の後に、熱処理後の前駆体を粉砕処理することにより前駆体の平均粒子径を小さくする第2−1cの工程〜2−3cの工程を有していてもよい。なお、上記第2−1cの工程〜2−3cの工程のすべてを行う必要はなく、そのうち1つまたは2つの工程のみを行ってもよい。また、上記第2−1bの工程〜2−3bと上記第2−1cの工程〜2−3cの工程の順序はどちらが先でもよいが、上記第2−1cの工程〜2−3cの工程を先に行った方が酸処理の効果が高くなるのでより好ましい。   More specifically, after the step 2-1a in which the precursor is heat-treated in an inert gas atmosphere, and the step 2-1a in which the precursor is further heat-treated in an inert gas atmosphere. After the step 2a and the step 2-2a, it is preferable to have a step 2-3a in which the precursor is heat-treated in an ammonia-containing gas atmosphere. In addition, the heat processing temperature and heat processing time in this case can be made the same as the above. Further, in addition to the above steps 2-1a to 2-3a, after each of these steps, the precursor after the heat treatment is acid-treated to remove at least part of the metal on the precursor surface. You may have the process of 1b-2-3b. Note that it is not necessary to perform all of the above-mentioned steps 2-1b to 2-3b, and only one or two of them may be performed. Further, in addition to the above-mentioned steps 2-1a to 2-3a, after each of these steps, the precursor after heat treatment is pulverized to reduce the average particle size of the precursor 2-1c. You may have the process of process-2-3c. In addition, it is not necessary to perform all the processes of the said 2-1c process-2-3c, You may perform only one or two processes among them. In addition, the order of the steps 2-1b to 2-3b and the steps 2-1c to 2-3c may be first, but the steps 2-1c to 2-3c may be performed. It is more preferable to carry out the treatment first because the effect of the acid treatment is increased.

〔窒素含有炭素材料〕
本実施形態の窒素含有炭素材料は、芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物と、遷移金属塩と、を含む前駆体を炭化(熱処理)してなるものである。本実施形態に係る窒素含有炭素材料は、燃料電池用電極等に好適に用いることができ、本実施形態に係る窒素含有炭素材料を含む燃料電池用電極は、高い酸素還元性を有する。酸素還元触媒から酸素還元電極、燃料電池等を得る方法は、特に限定されず、一般的な固体高分子形燃料電池の作製法を用いることができる。
[Nitrogen-containing carbon material]
The nitrogen-containing carbon material of the present embodiment includes a nitrogen-containing aromatic ring compound having four or more nitrogen atoms in an aromatic ring structure and two or more pairs of multidentate coordination sites by the two or more nitrogen atoms, and a transition metal A precursor containing a salt is carbonized (heat treated). The nitrogen-containing carbon material according to the present embodiment can be suitably used for a fuel cell electrode or the like, and the fuel cell electrode including the nitrogen-containing carbon material according to the present embodiment has a high oxygen reducing property. A method for obtaining an oxygen reduction electrode, a fuel cell and the like from the oxygen reduction catalyst is not particularly limited, and a general method for producing a polymer electrolyte fuel cell can be used.

[燃料電池用電極]
本実施形態の燃料電池用電極は、上記窒素含有炭素材料を含む。より具体的には、燃料電池用電極は、少なくとも集電板と、上記窒素含有炭素材料を含む電極組成物と、からなる層を含み、必要に応じて、電解質膜、ガス拡散電極層、セパレータを積層してもよい。
[Fuel cell electrode]
The fuel cell electrode of the present embodiment includes the nitrogen-containing carbon material. More specifically, the fuel cell electrode includes at least a current collecting plate and an electrode composition containing the nitrogen-containing carbon material, and if necessary, an electrolyte membrane, a gas diffusion electrode layer, a separator May be laminated.

ここで、集電板は、多孔質炭素板やアルミニウム・ニッケル等の金属板や金網が使用できる。また、電極組成物は、窒素含有炭素材料100質量部に対してアイオノマー10〜300質量部を含むことが好ましく、50〜150質量部を含むことがさらに好ましい。アイオノマーとしては、例えばナフィオンが使用できる。電極組成物からなる層の厚みは100〜500μmが好ましい。   Here, the current collector plate may be a porous carbon plate, a metal plate such as aluminum / nickel, or a wire mesh. Moreover, it is preferable that an electrode composition contains 10-300 mass parts of ionomers with respect to 100 mass parts of nitrogen-containing carbon materials, and it is further more preferable that 50-150 mass parts is included. For example, Nafion can be used as the ionomer. The thickness of the layer made of the electrode composition is preferably 100 to 500 μm.

以下、実施例等を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、これらは例示的なものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。したがって、当業者は以下に示す実施例に様々な変更を加えて本発明を実施することができる。
まず、本実施例で行った測定方法について説明する。
Hereinafter, although an example etc. are given and the present invention is explained still in detail, these are illustrations and the present invention is not limited to these. Accordingly, those skilled in the art can implement the present invention by making various modifications to the examples described below.
First, the measurement method performed in this example will be described.

<電気化学測定>
電極作製法及び回転電極法によるリニアスイープボルタンメトリーの測定方法(日厚計測製の回転リングディスク電極装置「RRDE−1」を使用。)を以下に示す。まず、バイアル瓶に、窒素含有炭素材料5mgを秤取し、そこに、ガラスビーズを約50mg、5質量%ナフィオン(商品名)分散液(シグマアルドリッチジャパン製)を50μL、並びにイオン交換水及びエタノールをそれぞれ150μLずつ添加し、それらの混合物に20分間超音波を照射してスラリーを作製した。このスラリーを4μL秤取し、回転電極のガラス状炭素上(0.2828cm)に塗布し、室温25℃で乾燥した。乾燥後の回転電極を作用極とし、可逆水素電極(RHE)を参照極として、炭素電極を対極とした。0.5M硫酸を電解液とし、その電解液に酸素を30分間バブリングした後、掃引速度5mV/s、回転速度1500rpmで1.1Vから0Vまで掃引して電気化学測定を行った。また、酸素還元開始電位Eは−10μA/cmの電流を与える電位と定義した。Eが高い値を示すほど、酸素還元活性が高いことを意味する。
<Electrochemical measurement>
The measurement method of linear sweep voltammetry by the electrode manufacturing method and the rotating electrode method (using a rotating ring disk electrode device “RRDE-1” manufactured by Nisshi Kogyo) is shown below. First, 5 mg of nitrogen-containing carbon material is weighed into a vial, about 50 mg of glass beads, 50 μL of 5% by mass Nafion (trade name) dispersion (manufactured by Sigma Aldrich Japan), ion-exchanged water and ethanol. 150 μL of each was added, and the mixture was irradiated with ultrasonic waves for 20 minutes to prepare a slurry. 4 μL of this slurry was weighed and applied onto glassy carbon (0.2828 cm 2 ) of the rotating electrode, and dried at room temperature of 25 ° C. The dried rotating electrode was the working electrode, the reversible hydrogen electrode (RHE) was the reference electrode, and the carbon electrode was the counter electrode. 0.5M sulfuric acid was used as an electrolyte, and oxygen was bubbled through the electrolyte for 30 minutes, and then the electrochemical measurement was performed by sweeping from 1.1 V to 0 V at a sweep speed of 5 mV / s and a rotation speed of 1500 rpm. Further, the oxygen reduction start potential E 0 was defined as a potential giving a current of −10 μA / cm 2 . As E 0 indicates a high value, the higher the oxygen reduction activity.

[実施例1]
<2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体の調製>
0.5Lのナス型フラスコに2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン(シグマ・アルドリッチ製)2.00gと、塩化鉄(II)((シグマ・アルドリッチ製))2.16g、及びメタノール200gを加え、室温で5時間撹拌した。その後、50℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させて、2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.10gを得た。
[Example 1]
<Preparation of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex>
In a 0.5 L eggplant-shaped flask, 2.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine (manufactured by Sigma-Aldrich), 2.16 g of iron chloride (II) ((manufactured by Sigma-Aldrich)), and 200 g of methanol And stirred at room temperature for 5 hours. Thereafter, the solvent is removed using a rotary evaporator in a water bath at 50 ° C., and dried at 80 ° C. for 2 hours in a vacuum dryer to obtain 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex. 10 g was obtained.

<前駆体の調製>
0.5Lのナス型フラスコに2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00g、及びメタノール200gを加え、12時間攪拌した。その後、50℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させて前駆体を得た。
<Preparation of precursor>
To a 0.5 L eggplant-shaped flask, 4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex and 200 g of methanol were added and stirred for 12 hours. Then, the solvent was removed using a rotary evaporator in a 50 ° C. water bath, and the precursor was obtained by drying at 80 ° C. for 2 hours using a vacuum dryer.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.00gを石英ボートに載置し、それを内径36mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃のまま1時間保持し、炭化物を得た。室温まで冷却後、これを遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)にて粉砕及び分級することにより、炭化物の平均粒子径を約2μmに調整した。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Of the prepared precursor, 2.00 g was placed on a quartz boat, which was housed in a quartz tube furnace having an inner diameter of 36 mm, and the furnace was heated from room temperature to 600 over 60 minutes under nitrogen flow at atmospheric pressure and 1 NL / min. The temperature was raised to 0 ° C. and kept at 600 ° C. for 1 hour to obtain a carbide. After cooling to room temperature, this was pulverized and classified with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, trade name “Pulverisete-7”) to adjust the average particle size of the carbide to about 2 μm.

粉砕後の炭化物全量を36質量%の濃塩酸500mL中に入れ、常温で4時間撹拌し、炭化物表面の金属種を溶解除去した。これをメンブレンフィルターで濾過し、純水で洗浄した後、80℃において真空乾燥した。乾燥後の炭化物全量を上記と同じ加熱炉に入れ、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で20分間かけて室温から800℃まで昇温し、800℃のまま1時間保持した。   The total amount of the carbide after pulverization was placed in 500 mL of 36 mass% concentrated hydrochloric acid and stirred at room temperature for 4 hours to dissolve and remove metal species on the surface of the carbide. This was filtered through a membrane filter, washed with pure water, and then vacuum dried at 80 ° C. The entire amount of the carbide after drying was put into the same heating furnace as described above, and the temperature in the furnace was increased from room temperature to 800 ° C. over 20 minutes under nitrogen flow of atmospheric pressure and 1 NL / min, and kept at 800 ° C. for 1 hour.

冷却後の炭化物全量を36質量%の濃塩酸500mL中に入れ、常温で4時間撹拌し、炭化物表面の金属種を溶解除去した。これをメンブレンフィルターで濾過し、純水で洗浄した後、80℃において真空乾燥した。乾燥後の炭化物を上記と同じ加熱炉に入れ、炉内を大気圧、1NL/minのアンモニアガス/窒素=1/1(体積比)混合ガス流通下で20分間かけて室温から900℃まで昇温し、900℃のまま1時間保持した。室温まで冷却した後、最終的に窒素含有炭素材料を0.13g得た。   The total amount of the carbide after cooling was placed in 500 mL of 36% by mass concentrated hydrochloric acid and stirred at room temperature for 4 hours to dissolve and remove metal species on the surface of the carbide. This was filtered through a membrane filter, washed with pure water, and then vacuum dried at 80 ° C. The dried carbide is put into the same heating furnace as described above, and the temperature in the furnace is increased from room temperature to 900 ° C. over 20 minutes under a mixed gas flow of atmospheric pressure, 1 NL / min ammonia gas / nitrogen = 1/1 (volume ratio). Warm and hold at 900 ° C. for 1 hour. After cooling to room temperature, 0.13 g of a nitrogen-containing carbon material was finally obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.93V、電位が0.5Vのときの電流は−3.95mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.61mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.93 V, the current when the potential was 0.5 V was −3.95 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.61 mA / cm 2 .

[実施例2]
<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを0.128gに変更し、さらにジアミノマレオニトリル(東京化成社製)4.0gを添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 2]
<Preparation of precursor>
The same as Example 1 except that 4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 0.128 g, and 4.0 g of diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added. The precursor was prepared by the method.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.06g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.06 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.94V、電位が0.5Vのときの電流は−4.29mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.93mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.94 V, the current when the potential was 0.5 V was −4.29 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.93 mA / cm 2 .

[実施例3]
<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを0.128gに変更し、さらにポリアクリロニトリル(シグマ・アルドリッチ製)4.0gを添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 3]
<Preparation of precursor>
The same method as in Example 1 except that 4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 0.128 g and 4.0 g of polyacrylonitrile (manufactured by Sigma-Aldrich) was added. The precursor was prepared with

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.22g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.22 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.93V、電位が0.5Vのときの電流は−4.05mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.73mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.93 V, the current when the potential was 0.5 V was −4.05 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.73 mA / cm 2 .

[実施例4]
<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを0.128gに変更し、さらにジアミノマレオニトリル(東京化成社製)1.3gと、フェノール樹脂(群栄化学製PSK2320)2.7gを添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 4]
<Preparation of precursor>
4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 0.128 g, and 1.3 g of diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and phenol resin (PSK2320 manufactured by Gunei Chemical Co., Ltd.) 2 A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.7 g was added.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.36g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.36 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.93V、電位が0.5Vのときの電流は−4.22mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.83mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.93 V, the current when the potential was 0.5 V was −4.22 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.83 mA / cm 2 .

[実施例5]
<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを0.128gに変更し、さらにジアミノマレオニトリル(東京化成社製)1.3gと、ポリアクリロニトリル(シグマ・アルドリッチ製)2.7gを添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 5]
<Preparation of precursor>
1. 4.0 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 0.128 g, and 1.3 g of diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and polyacrylonitrile (manufactured by Sigma-Aldrich) A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 7 g was added.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.23g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.23 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.92V、電位が0.5Vのときの電流は−4.13mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.75mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.92 V, the current when the potential was 0.5 V was −4.13 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.75 mA / cm 2 .

[実施例6]
<テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄錯体の調製>
0.5Lのナス型フラスコにテトラ−2−ピリジニルピラジン(シグマ・アルドリッチ製)2.00gと、塩化鉄(II)(シグマ・アルドリッチ製)1.31g、及びメタノール200gを加え、室温で5時間撹拌した。その後、50℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させて、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄錯体3.10gを得た。
[Example 6]
<Preparation of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron complex>
Add 2.00 g of tetra-2-pyridinylpyrazine (manufactured by Sigma-Aldrich), 1.31 g of iron (II) chloride (manufactured by Sigma-Aldrich), and 200 g of methanol to a 0.5 L eggplant-shaped flask. Stir for 5 hours. Then, the solvent was removed using a rotary evaporator in a 50 ° C. water bath, and dried at 80 ° C. for 2 hours using a vacuum dryer to obtain 3.10 g of a tetra-2-pyridinylpyrazine-iron complex. It was.

<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄3.00gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1, except that 4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 3.00 g of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron. did.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.42g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.42 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.92V、電位が0.5Vのときの電流は−3.78mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.34mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.92 V, the current when the potential was 0.5 V was −3.78 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.34 mA / cm 2 .

[実施例7]
<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄0.194gに変更し、さらにジアミノマレオニトリル(東京化成社製)4.0gを添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 7]
<Preparation of precursor>
4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 0.194 g of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron, and 4.0 g of diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that it was added.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.10g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.10 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.92V、電位が0.5Vのときの電流は−4.05mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.66mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.92 V, the current when the potential was 0.5 V was −4.05 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.66 mA / cm 2 .

[実施例8]
<テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−マンガン錯体の調製>
0.5Lのナス型フラスコにテトラ−2−ピリジニルピラジン(シグマ・アルドリッチ製)2.00gと、塩化マンガン(II)(シグマ・アルドリッチ製)0.13g、及びメタノール200gを加え、室温で1時間撹拌した。さらに塩化鉄(II)(シグマ・アルドリッチ製)1.18gを加え、室温で1時間撹拌した。その後、50℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させて、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−マンガン錯体3.10gを得た。
[Example 8]
<Preparation of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-manganese complex>
Add 2.00 g of tetra-2-pyridinylpyrazine (manufactured by Sigma-Aldrich), 0.13 g of manganese chloride (II) (manufactured by Sigma-Aldrich), and 200 g of methanol to a 0.5 L eggplant-shaped flask. Stir for 1 hour. Further, 1.18 g of iron (II) chloride (manufactured by Sigma-Aldrich) was added and stirred at room temperature for 1 hour. Thereafter, the solvent was removed using a rotary evaporator in a 50 ° C. water bath, dried at 80 ° C. for 2 hours in a vacuum dryer, and 3.10 g of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-manganese complex. Got.

<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−マンガン錯体0.194gに変更し、さらにジアミノマレオニトリル(東京化成社製)4.0gを添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
<Preparation of precursor>
4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 0.194 g of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-manganese complex, and diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 4 A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.0 g was added.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.05g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.05 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.93V、電位が0.5Vのときの電流は−4.20mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.77mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.93 V, the current when the potential was 0.5 V was −4.20 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.77 mA / cm 2 .

[実施例9]
<テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−コバルト錯体の調製>
0.5Lのナス型フラスコにテトラ−2−ピリジニルピラジン(シグマ・アルドリッチ製)2.00gと、塩化コバルト(II)(シグマ・アルドリッチ製)0.13g、及びメタノール200gを加え、室温で1時間撹拌した。さらに塩化鉄(II)(シグマ・アルドリッチ製)1.18gを加え、室温で1時間撹拌した。その後、50℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させて、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−コバルト錯体3.10gを得た。
[Example 9]
<Preparation of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-cobalt complex>
Add 2.00 g of tetra-2-pyridinylpyrazine (manufactured by Sigma-Aldrich), 0.13 g of cobalt (II) chloride (manufactured by Sigma-Aldrich), and 200 g of methanol to a 0.5 L eggplant-shaped flask. Stir for 1 hour. Further, 1.18 g of iron (II) chloride (manufactured by Sigma-Aldrich) was added and stirred at room temperature for 1 hour. Thereafter, the solvent was removed using a rotary evaporator in a 50 ° C. water bath, and dried at 80 ° C. for 2 hours in a vacuum dryer to give 3.10 g of a tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-cobalt complex. Got.

<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−コバルト錯体0.194gに変更し、さらにジアミノマレオニトリル(東京化成社製)1.3gと、フェノール樹脂(群栄化学製PSK2320)2.7gを添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
<Preparation of precursor>
4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 0.194 g of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-cobalt complex, and diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 1 The precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that .3 g and 2.7 g of phenol resin (PSK2320 manufactured by Gunei Chemical Co., Ltd.) were added.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.32g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.32 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.92V、電位が0.5Vのときの電流は−3.94mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.56mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.92 V, the current when the potential was 0.5 V was −3.94 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.56 mA / cm 2 .

[実施例10]
<テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−ニッケル錯体の調製>
0.5Lのナス型フラスコにテトラ−2−ピリジニルピラジン(シグマ・アルドリッチ製)2.00gと、塩化ニッケル(II)六水和物(シグマ・アルドリッチ製)0.25g、及びメタノール200gを加え、室温で1時間撹拌した。さらに塩化鉄(II)(シグマ・アルドリッチ製)1.18gを加え、室温で1時間撹拌した。その後、50℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させて、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−ニッケル錯体3.30gを得た。
[Example 10]
<Preparation of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-nickel complex>
In a 0.5 L eggplant-shaped flask, 2.00 g of tetra-2-pyridinylpyrazine (manufactured by Sigma-Aldrich), 0.25 g of nickel (II) chloride hexahydrate (manufactured by Sigma-Aldrich), and 200 g of methanol The mixture was further stirred at room temperature for 1 hour. Further, 1.18 g of iron (II) chloride (manufactured by Sigma-Aldrich) was added and stirred at room temperature for 1 hour. Thereafter, the solvent was removed using a rotary evaporator in a 50 ° C. water bath, dried at 80 ° C. for 2 hours in a vacuum dryer, and 3.30 g of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-nickel complex. Got.

<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−ニッケル錯体0.194gに変更し、さらにジアミノマレオニトリル(東京化成社製)4.0gを添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
<Preparation of precursor>
4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 0.194 g of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-nickel complex, and diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 4 A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.0 g was added.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.04g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.04 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.93V、電位が0.5Vのときの電流は−4.32mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.86mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.93 V, the current when the potential was 0.5 V was −4.32 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.86 mA / cm 2 .

[実施例11]
<テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−銅錯体の調製>
0.5Lのナス型フラスコにテトラ−2−ピリジニルピラジン(シグマ・アルドリッチ製)2.00gと、塩化銅(II)二水和物(シグマ・アルドリッチ製)0.18g、及びメタノール200gを加え、室温で1時間撹拌した。さらに塩化鉄(II)(シグマ・アルドリッチ製)1.18gを加え、室温で1時間撹拌した。その後、50℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させて、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−銅錯体3.20gを得た。
[Example 11]
<Preparation of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-copper complex>
In a 0.5 L eggplant-shaped flask, 2.00 g of tetra-2-pyridinylpyrazine (manufactured by Sigma-Aldrich), 0.18 g of copper (II) chloride dihydrate (manufactured by Sigma-Aldrich), and 200 g of methanol The mixture was further stirred at room temperature for 1 hour. Further, 1.18 g of iron (II) chloride (manufactured by Sigma-Aldrich) was added and stirred at room temperature for 1 hour. Thereafter, the solvent was removed using a rotary evaporator in a 50 ° C. water bath, dried at 80 ° C. for 2 hours in a vacuum dryer, and 3.20 g of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-copper complex. Got.

<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを、テトラ−2−ピリジニルピラジン−鉄−銅錯体0.194gに変更し、さらにジアミノマレオニトリル(東京化成社製)1.3gと、ポリアクリロニトリル(シグマ・アルドリッチ製)2.7gを添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
<Preparation of precursor>
4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 0.194 g of tetra-2-pyridinylpyrazine-iron-copper complex, and diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 1 A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that .3 g and 2.7 g of polyacrylonitrile (manufactured by Sigma-Aldrich) were added.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.40g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.40 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.93V、電位が0.5Vのときの電流は−4.32mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−4.04mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.93 V, the current when the potential was 0.5 V was −4.32 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −4.04 mA / cm 2 .

[実施例12]
<2,2’−ビピリミジン−鉄錯体の調製>
0.5Lのナス型フラスコに2,2’−ビピリミジン(シグマ・アルドリッチ製)2.00gと、塩化鉄(II)(シグマ・アルドリッチ製)3.21g、及びメタノール200gを加え、室温で5時間撹拌した。その後、50℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させて、2,2’−ビピリミジン−鉄錯体5.10gを得た。
[Example 12]
<Preparation of 2,2′-bipyrimidine-iron complex>
To a 0.5 L eggplant-shaped flask, 2.00 g of 2,2′-bipyrimidine (manufactured by Sigma-Aldrich), 3.21 g of iron (II) chloride (manufactured by Sigma-Aldrich), and 200 g of methanol were added, and the mixture was stirred for 5 hours at room temperature Stir. Then, the solvent was removed using a rotary evaporator in a 50 ° C. water bath, and dried at 80 ° C. for 2 hours using a vacuum dryer to obtain 5.10 g of a 2,2′-bipyrimidine-iron complex.

<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを、2,2’−ビピリミジン−鉄錯体5.00gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1, except that 4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 5.00 g of 2,2′-bipyrimidine-iron complex. .

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.06g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.06 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.93V、電位が0.5Vのときの電流は−4.24mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.48mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.93 V, the current when the potential was 0.5 V was −4.24 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.48 mA / cm 2 .

[実施例13]
<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを、2,2’−ビピリミジン−鉄錯体5.00gに変更し、さらにジアミノマレオニトリル(東京化成社製)2.5gを添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Example 13]
<Preparation of precursor>
4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex is changed to 5.00 g of 2,2′-bipyrimidine-iron complex, and 2.5 g of diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) is added. A precursor was prepared in the same manner as in Example 1 except that.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.14g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.14 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.93V、電位が0.5Vのときの電流は−3.67mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−3.02mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.93 V, the current when the potential was 0.5 V was −3.67 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −3.02 mA / cm 2 .

[比較例1]
<アズルミン酸の合成>
青酸80g、酢酸8.6g及び純水130gの混合溶液中に、25%アンモニア水12g(和光純薬工業製)を添加した。その後、徐々に加温し、最終的に80℃で7時間撹拌を行った。混合溶液中に生じた黒色の固形分をメンブレンフィルターで濾過し、真空乾燥を行い、アズルミン酸を40g得た。なお、詳細は特許文献3及び4に記載されている。
[Comparative Example 1]
<Synthesis of azulmic acid>
12 g of 25% aqueous ammonia (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to a mixed solution of 80 g of hydrocyanic acid, 8.6 g of acetic acid and 130 g of pure water. Thereafter, the mixture was gradually heated and finally stirred at 80 ° C. for 7 hours. The black solid content generated in the mixed solution was filtered through a membrane filter and vacuum-dried to obtain 40 g of azulmic acid. Details are described in Patent Documents 3 and 4.

<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを添加せず、アズルミン酸4.0g、と塩化鉄(II)0.027g(和光純薬工業製)を添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
<Preparation of precursor>
Except not adding 4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex, but adding 4.0 g of azulmic acid and 0.027 g of iron (II) chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries), A precursor was prepared in the same manner as in Example 1.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.07g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.07 g of nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.83V、電位が0.5Vのときの電流は−1.94mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−1.04mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.83 V, the current when the potential was 0.5 V was −1.94 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −1.04 mA / cm 2 .

[比較例2]
<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを添加せず、ジアミノマレオニトリル(東京化成社製)4.0g、と塩化鉄(II)0.027g(和光純薬工業製)を添加した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
[Comparative Example 2]
<Preparation of precursor>
Without adding 4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex, 4.0 g of diaminomaleonitrile (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 0.027 g of iron (II) chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) ) Was added in the same manner as in Example 1 except that the precursor was added.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、各熱処理後において36質量%の濃塩酸で炭化物表面の金属種を溶解除去しなかった以外は、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.05g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
A nitrogen-containing carbon material was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.0 g of the prepared precursor was not used to dissolve and remove the metal species on the carbide surface with 36 mass% concentrated hydrochloric acid after each heat treatment. Was synthesized. Finally, 0.05 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.89V、電位が0.5Vのときの電流は−3.26mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−2.57mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction start potential E 0 was 0.89 V, the current when the potential was 0.5 V was −3.26 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −2.57 mA / cm 2 .

[比較例3]
<1,10−フェナントロリン−鉄錯体の調製>
0.5Lのナス型フラスコに1,10−フェナントロリン(シグマ・アルドリッチ製)2.00gと、塩化鉄(II)(シグマ・アルドリッチ製)1.41g、及びメタノール200gを加え、室温で5時間撹拌した。その後、50℃の水浴中にて、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で2時間乾燥させて、1,10−フェナントロリン−鉄錯体3.20gを得た。
[Comparative Example 3]
<Preparation of 1,10-phenanthroline-iron complex>
Add 2.00 g of 1,10-phenanthroline (manufactured by Sigma-Aldrich), 1.41 g of iron (II) chloride (manufactured by Sigma-Aldrich), and 200 g of methanol to a 0.5 L eggplant-shaped flask, and stir at room temperature for 5 hours. did. Thereafter, the solvent was removed using a rotary evaporator in a 50 ° C. water bath, and dried at 80 ° C. for 2 hours using a vacuum dryer, to obtain 3.20 g of 1,10-phenanthroline-iron complex.

<前駆体の調製>
2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン−鉄錯体4.00gを、1,10−フェナントロリン−鉄錯体3.0gに変更した以外は、実施例1と同様の方法で前駆体を調製した。
<Preparation of precursor>
A precursor was prepared in the same manner as in Example 1, except that 4.00 g of 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine-iron complex was changed to 3.0 g of 1,10-phenanthroline-iron complex.

<窒素含有炭素材料の合成>
調製した前駆体のうち2.0gを用いて、実施例1と同様の方法で窒素含有炭素材料の合成を実施した。最終的に窒素含有炭素材料を0.42g得た。
<Synthesis of nitrogen-containing carbon materials>
Using 2.0 g of the prepared precursor, a nitrogen-containing carbon material was synthesized in the same manner as in Example 1. Finally, 0.42 g of a nitrogen-containing carbon material was obtained.

<電気化学測定>
得られた窒素含有炭素材料について上記電気化学測定を行った。酸素還元開始電位Eは0.88V、電位が0.5Vのときの電流は−3.15mA/cm、電位が0.6Vのときの電流は−2.34mA/cmであった。
<Electrochemical measurement>
The electrochemical measurement was performed on the obtained nitrogen-containing carbon material. The oxygen reduction starting potential E 0 was 0.88 V, the current when the potential was 0.5 V was −3.15 mA / cm 2 , and the current when the potential was 0.6 V was −2.34 mA / cm 2 .

実施例1〜13、ならびに比較例1〜3における含窒素炭素材料の前駆体と、電気化学評価結果を、表1に示す。   Table 1 shows the precursors of the nitrogen-containing carbon material and the electrochemical evaluation results in Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 3.

Figure 0006560932
BPP:2,3−ビス(2−ピリジル)ピラジン、TPP:テトラ−2−ピリジニルピラジン、BPM:2,2’−ビピリミジン、FeCl:塩化鉄(II)、MnCl:塩化マンガン(II)、CoCl:塩化コバルト(II)、NiCl−6HO:塩化鉄ニッケル(II)六水和物、CuCl−2HO:塩化銅(II)二水和物、DAMN:ジアミノマレオニトリル、PAN:ポリアクリロニトリル、PhRs:フェノール樹脂、AZA:アズルミン酸、PHEN:1,10−フェナントロリン
Figure 0006560932
BPP: 2,3-bis (2-pyridyl) pyrazine, TPP: tetra-2-pyridinylpyrazine, BPM: 2,2′-bipyrimidine, FeCl 2 : iron (II) chloride, MnCl 2 : manganese chloride (II ), CoCl 2 : Cobalt (II) chloride, NiCl 2 -6H 2 O: Nickel (II) chloride hexahydrate, CuCl 2 -2H 2 O: Copper (II) chloride dihydrate, DAMN: Diaminomaleo Nitrile, PAN: Polyacrylonitrile, PhRs: Phenolic resin, AZA: Azulmic acid, PHEN: 1,10-phenanthroline

本発明の製造方法により得られる窒素含有炭素材料は、燃料電池等の電極材料用途として産業上の利用可能性を有する。   The nitrogen-containing carbon material obtained by the production method of the present invention has industrial applicability as an electrode material application for fuel cells and the like.

Claims (4)

芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 は第二の芳香環を形成する原子を示す)、又は、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −C 3 −C 4 −N 3 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 とC 3 は第二の芳香環、C 4 とN 3 は第三の芳香環を形成する原子を示す)で表される多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物(但し、前記芳香環構造に結合した連結基に対して、3位及び4位の環骨格構成原子のいずれか一方又は両方は窒素原子であるものを除く)と、遷移金属塩と、を混合して含窒素炭素材料用前駆体組成物を得る第1の工程と、
得られた前記含窒素炭素材料用前駆体組成物を熱処理して、窒素含有炭素材料を得る第2の工程と、を有する、
窒素含有炭素材料の製造方法。
The aromatic ring structure has 4 or more nitrogen atoms, and —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 — (where N 1 and C 1 are the first aromatic ring). , C 2 and N 2 represent an atom forming a second aromatic ring), or —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 —C 3 —C 4 —N 3 — (where N 1 And C 1 are the first aromatic rings, C 2 , N 2 and C 3 are the second aromatic rings, and C 4 and N 3 are the atoms forming the third aromatic ring). Nitrogen-containing aromatic ring compounds having two or more pairs of position sites (however, one or both of the ring skeleton constituent atoms at the 3-position and 4-position with respect to the linking group bonded to the aromatic ring structure is a nitrogen atom) and excluding), a first step of obtaining a nitrogen-containing carbon material precursor composition by mixing a transition metal salt, and
Heat-treating the obtained precursor composition for nitrogen-containing carbon material to obtain a nitrogen-containing carbon material, and
A method for producing a nitrogen-containing carbon material.
芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 は第二の芳香環を形成する原子を示す)、又は、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −C 3 −C 4 −N 3 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 とC 3 は第二の芳香環、C 4 とN 3 は第三の芳香環を形成する原子を示す)で表される多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物(但し、前記芳香環構造に結合した連結基に対して、3位及び4位の環骨格構成原子のいずれか一方又は両方は窒素原子であるものを除く)と、遷移金属塩と、を含む含窒素炭素材料用前駆体組成物を炭化してなる、窒素含有炭素材料。 The aromatic ring structure has 4 or more nitrogen atoms, and —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 — (where N 1 and C 1 are the first aromatic ring). , C 2 and N 2 represent an atom forming a second aromatic ring), or —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 —C 3 —C 4 —N 3 — (where N 1 And C 1 are the first aromatic rings, C 2 , N 2 and C 3 are the second aromatic rings, and C 4 and N 3 are the atoms forming the third aromatic ring). Nitrogen-containing aromatic ring compounds having two or more pairs of position sites (however, one or both of the ring skeleton constituent atoms at the 3-position and 4-position with respect to the linking group bonded to the aromatic ring structure is a nitrogen atom) and excluding), made by carbonizing a nitrogen-containing carbon material precursor composition comprising a transition metal salt, a nitrogen-containing carbon material. 請求項2に記載の窒素含有炭素材料を含む、燃料電池用電極。   A fuel cell electrode comprising the nitrogen-containing carbon material according to claim 2. 芳香環構造中に4以上の窒素原子を有し、2以上の該窒素原子による、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 は第二の芳香環を形成する原子を示す)、又は、−N 1 −C 1 −C 2 −N 2 −C 3 −C 4 −N 3 −(ここで、N 1 とC 1 は第一の芳香環、C 2 とN 2 とC 3 は第二の芳香環、C 4 とN 3 は第三の芳香環を形成する原子を示す)で表される多座配位部位を2組以上有する含窒素芳香環化合物(但し、前記芳香環構造に結合した連結基に対して、3位及び4位の環骨格構成原子のいずれか一方又は両方は窒素原子であるものを除く)と、遷移金属塩と、を含む、含窒素炭素材料用前駆体組成物。 The aromatic ring structure has 4 or more nitrogen atoms, and —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 — (where N 1 and C 1 are the first aromatic ring). , C 2 and N 2 represent an atom forming a second aromatic ring), or —N 1 —C 1 —C 2 —N 2 —C 3 —C 4 —N 3 — (where N 1 And C 1 are the first aromatic rings, C 2 , N 2 and C 3 are the second aromatic rings, and C 4 and N 3 are the atoms forming the third aromatic ring). Nitrogen-containing aromatic ring compounds having two or more pairs of position sites (however, one or both of the ring skeleton constituent atoms at the 3-position and 4-position with respect to the linking group bonded to the aromatic ring structure is a nitrogen atom) and excluding) comprises a transition metal salt, a nitrogen-containing carbon material precursor composition.
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