JP7205209B2 - Catalyst ink material for biofuel cell anode, catalyst ink composition for biofuel cell anode, biofuel cell anode, biofuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物、バイオ燃料電池用アノード、およびバイオ燃料電池デバイスに関する。 The present invention relates to a biofuel cell anode catalyst ink material, a biofuel cell anode catalyst ink composition, a biofuel cell anode, and a biofuel cell device.
携帯電話、ラップトップ型コンピュータ等の携帯型電子機器の普及に加え、あらゆるモノがインターネットに接続され情報を交換するIoT社会の到来により、電源の利用形態も多種多様になりつつある。現在、主な携帯型電源としては一次電池や二次電池が挙げられ、電子機器に広く用いられている。また、将来的に使用増加が見込まれるセンサーを始めとする小型デバイスにおいては、従来の電池以外にも燃料電池や太陽光発電等の活用が検討されている。 With the spread of portable electronic devices such as mobile phones and laptop computers, and the advent of the IoT society in which all kinds of things are connected to the Internet and exchange information, the forms of power supply usage are becoming more diverse. Currently, primary batteries and secondary batteries are cited as main portable power sources, and are widely used in electronic devices. In addition, for small devices such as sensors, which are expected to be used more in the future, the use of fuel cells, solar power generation, etc. is being considered in addition to conventional batteries.
近年開発が進められているバイオ燃料電池は、糖やアルコール、有機酸等の有機物を燃料にして、酵素反応等により生成した電気エネルギーを利用する発電型デバイスである。カソードおよびアノードに酸化還元酵素を用いることがほとんどであり、多種多様な有機物と空気中の酸素を燃料として発電するエネルギーシステムであり、常温作動が可能、豊富な有機エネルギー源が活用可能、生体への高い安全性が利点として挙げられる(特許文献1)。しかしながら、さらなる出力特性の改善が必要なため、カーボンペーパー上に、酵素、メディエーターを固定化した電極を用いたバイオ燃料電池(特許文献2)や、炭素および/または無機化合物に、燃料、酵素、およびピレン化合物などの酵素固定化化合物からなる電極を用いたバイオ燃料電池も報告されている(特許文献3)。
一方、高価な貴金属や酵素を使用しない電極を用いて、燃料となる有機物の直接的な酸化により発電するバイオ燃料電池の検討もされている。例えばアスコルビン酸等を燃料として、アノードの触媒として貴金属を使用せずに、カーボンブラックをカーボンクロスに含浸させたものをアノードとして使用するバイオ燃料電池も報告されている(非特許文献1、特許文献4)。さらに、カーボンブラック、ポリビニルピリジン樹脂を塗布したカーボンフェルトをアノードに用いて、アスコルビン酸にイミダゾール等を併用した溶液を燃料に用いることで、発電特性を改善させる検討例も報告されている(特許文献5)。しかしながら、触媒を使用していないために出力特性はまだまだ不十分である。
Biofuel cells, which have been under development in recent years, are power-generating devices that utilize electrical energy generated by enzymatic reactions or the like using organic substances such as sugars, alcohols, and organic acids as fuel. In most cases, oxidoreductase is used for the cathode and anode, and it is an energy system that generates electricity using a wide variety of organic substances and oxygen in the air as fuel. The high safety of is mentioned as an advantage (patent document 1). However, since it is necessary to further improve the output characteristics, a biofuel cell (Patent Document 2) using an electrode in which an enzyme and a mediator are immobilized on carbon paper, or carbon and / or an inorganic compound, fuel, enzyme, and a biofuel cell using an electrode composed of an enzyme-immobilized compound such as a pyrene compound has also been reported (Patent Document 3).
On the other hand, biofuel cells that generate electricity by direct oxidation of organic matter as fuel using electrodes that do not use expensive precious metals or enzymes are also being studied. For example, a biofuel cell using ascorbic acid or the like as a fuel and carbon cloth impregnated with carbon black without using a noble metal as an anode catalyst has been reported (Non-Patent Document 1, Patent Document 4). Furthermore, an example of an investigation of improving power generation characteristics by using a carbon felt coated with carbon black and polyvinylpyridine resin as an anode and using a solution of ascorbic acid in combination with imidazole or the like as a fuel has also been reported (Patent Document 5). However, the output characteristics are still insufficient because no catalyst is used.
上記の燃料電池は生体に安全な有機物を燃料とするところから、生体向けのウェアラブルデバイスやインプラントデバイス等の電源としての利用も期待されている。しかしながら、現状ではカソードやアノードに高価な貴金属触媒が用いられており、材料コストに課題感があり、カソードやアノードに酵素を用いる場合は、材料コストに加えて耐久性も十分とは言えない。また、貴金属触媒や酵素を使用しない場合は、出力のさらなる改善が必要である。
本発明の目的は、出力や耐久性に優れ、更に低コストで還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物、バイオ燃料電池アノード、バイオ燃料電池デバイスを提供することである。
Since the above-mentioned fuel cell uses an organic material that is safe for living organisms as fuel, it is expected to be used as a power source for wearable devices, implant devices, and the like for living organisms. However, at present, expensive noble metal catalysts are used for cathodes and anodes, and material costs are a problem. When enzymes are used for cathodes and anodes, durability is not sufficient in addition to material costs. Also, if no noble metal catalysts or enzymes are used, the output needs to be further improved.
An object of the present invention is to provide a catalyst ink material for a biofuel cell anode, a catalyst ink composition for a biofuel cell anode, a biofuel cell anode, a biofuel, which is excellent in output and durability and is low in cost and uses a reducing organic substance as a fuel. It is to provide a battery device.
本発明者は、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、本発明に至った。
すなわち本発明は、炭素六角網面を基本骨格とした炭素材料からなる、還元性有機物を燃料とする燃料電池アノード用触媒インキ材料であって、
前記炭素材料は、構成元素としてヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含み、前記ヘテロ元素が炭素骨格内の炭素元素の少なくとも一部を置換するようにドープされていることを特徴とする、還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料に関する。
The present inventor has arrived at the present invention as a result of repeated studies in order to solve the above problems.
That is, the present invention provides a catalyst ink material for a fuel cell anode that uses a reducing organic substance as a fuel and is made of a carbon material having a carbon hexagonal mesh plane as a basic skeleton,
The carbon material contains a hetero element and/or a base metal element as a constituent element, and is doped so that at least part of the carbon element in the carbon skeleton is substituted with the hetero element. A reducing organic substance. and catalyst ink materials for biofuel cell anodes fueled by .
また、本発明は、上記バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料と、バインダー樹脂とを含んでなる、還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物に関する。 The present invention also relates to a biofuel cell anode catalyst ink composition using a reducing organic substance as fuel, comprising the above biofuel cell anode catalyst ink material and a binder resin.
また、本発明は、上記バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物より形成された塗膜を有する、還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノードに関する。 The present invention also relates to a biofuel cell anode that uses a reducing organic substance as a fuel and has a coating film formed from the above catalyst ink composition for a biofuel cell anode.
また、本発明は、上記バイオ燃料電池アノードと、バイオ燃料電池カソードと、還元性有機物を含む燃料とを含んでなるバイオ燃料電池デバイスに関する。 The present invention also relates to a biofuel cell device comprising the biofuel cell anode, the biofuel cell cathode, and a fuel containing a reducing organic substance.
また、本発明は、還元性有機物が、アスコルビン酸、アスコルビン酸誘導体、エリソルビン酸、エリソルビン酸誘導体、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、及びニコチンアミドアデニンジヌクレオチド誘導体からなる群より選ばれる1種以上であることを特徴とする上記バイオ燃料電池デバイスに関する。 Further, in the present invention, the reducing organic substance is one or more selected from the group consisting of ascorbic acid, ascorbic acid derivatives, erythorbic acid, erythorbic acid derivatives, nicotinamide adenine dinucleotide, and nicotinamide adenine dinucleotide derivatives. The above biofuel cell device characterized by
本発明により、出力および耐久性に優れた還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池を提供することが可能となる。また、高価な金属材料や酵素の使用を低減できるため、低コストなデバイスが作製可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a biofuel cell that uses reducing organic matter as a fuel and has excellent output and durability. In addition, since the use of expensive metal materials and enzymes can be reduced, a low-cost device can be produced.
以下、詳細に本発明について説明する。 The present invention will be described in detail below.
<バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料>
まずはじめにバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料について説明する。本発明のバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料とは、炭素六角網面を基本骨格とした炭素材料からなり、それらの構成単位間に物理的・化学的な相互作用(結合)を有し、ヘテロ元素(N、B、Pなどの異種元素)及び/又は卑金属元素が含まれる材料である。ここでいう卑金属元素とは、遷移金属元素のうち貴金属元素(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金)を除く金属元素であり、卑金属元素としては、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、銅、チタン、バナジウム、クロム、亜鉛、およびスズからなる群より選ばれる1種以上を含有することが好ましい。ヘテロ元素や卑金属元素を含有することは、アノード反応を活性化する。
<Catalyst ink material for biofuel cell anode>
First, a catalyst ink material for a biofuel cell anode will be described. The catalyst ink material for a biofuel cell anode of the present invention is composed of a carbon material having a carbon hexagonal mesh plane as a basic skeleton, and has physical and chemical interactions (bonds) between its constituent units, It is a material containing elements (heterogeneous elements such as N, B, and P) and/or base metal elements. The base metal element referred to here is a metal element excluding noble metal elements (ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, platinum, gold) among transition metal elements. Examples of base metal elements include cobalt, iron, nickel, It preferably contains one or more selected from the group consisting of manganese, copper, titanium, vanadium, chromium, zinc, and tin. Containing a hetero element or a base metal element activates the anode reaction.
本発明におけるバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料は、比表面積が大きく、電子伝導性が高いほど好ましい。アノードで起こる反応は材料表面で起こるため、比表面積が大きいほど、還元性有機物燃料、電子との反応場が多くなり、反応活性の向上に繋がるため好ましい。また、電子伝導性が高いほど、電極中における反応に必要な電子を前記反応場に供給できるため、電流の増加に繋がりやすく、好ましい。 The catalyst ink material for a biofuel cell anode in the present invention preferably has a large specific surface area and high electronic conductivity. Since the reaction that occurs at the anode occurs on the surface of the material, the larger the specific surface area, the greater the number of reaction fields with the reducing organic fuel and electrons, which leads to an improvement in reaction activity, which is preferable. In addition, the higher the electron conductivity, the more electrons necessary for the reaction in the electrode can be supplied to the reaction field, which is preferable because it tends to lead to an increase in current.
本発明におけるバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料は、炭素原子のモル比に対するヘテロ原子のモル比の割合が1~40%の範囲にあると好ましい。炭素原子のモル比に対する卑金属原子のモル比の割合が0.01~20%の範囲にあると好ましい。
ヘテロ原子が窒素場合に例に説明するならば、材料を構成する全元素に対する、炭素原子のモル比、窒素原子のモル比および卑金属原子のモル比をそれぞれ、RC、RNおよびRMとした際、炭素原子のモル比RCに対する窒素原子のモル比RNの割合が1~40%、炭素原子のモル比RCに対する卑金属原子のモル比RMの割合が0.01~20%の範囲にあると好ましい。
In the biofuel cell anode catalyst ink material of the present invention, the ratio of the molar ratio of heteroatoms to the molar ratio of carbon atoms is preferably in the range of 1 to 40%. The ratio of the molar ratio of base metal atoms to the molar ratio of carbon atoms is preferably in the range of 0.01 to 20%.
For example, when the heteroatom is nitrogen, the molar ratio of carbon atoms, nitrogen atoms and base metal atoms to all the elements constituting the material are represented by R C , R N and R M , respectively. In this case, the ratio of the molar ratio R N of nitrogen atoms to the molar ratio R C of carbon atoms is 1 to 40%, and the ratio R M of the base metal atoms to the molar ratio R C of carbon atoms is 0.01 to 20%. is preferably in the range of
本発明におけるバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料は、窒素を吸着種としたBET比表面積(BETN2)が、1~1500m2/gであることが好ましく、より好ましくは10~1000m2/gである。BET比表面積が上記の範囲にあると、反応が起こる反応場を多くできるため好ましい。 The catalyst ink material for a biofuel cell anode in the present invention preferably has a BET specific surface area (BET N2 ) with nitrogen as an adsorbing species of 1 to 1500 m 2 /g, more preferably 10 to 1000 m 2 /g. be. When the BET specific surface area is within the above range, it is preferable because the reaction field in which the reaction occurs can be increased.
本発明における比表面積とは試料単位質量当たりの表面積のことであり、ガス(N2)吸着法によって求めることができる。解析法はBET法を用い、相対圧(P(吸着平衡圧)/P0(飽和蒸気圧)=0.05~0.3)とガス吸着量のプロットより得られる直線の切片と勾配から、単分子吸着量を求めることで、BET比表面積を算出できる。 The specific surface area in the present invention means the surface area per unit mass of sample, and can be determined by a gas (N 2 ) adsorption method. The analysis method uses the BET method, and from the intercept and slope of the straight line obtained by plotting the relative pressure (P (adsorption equilibrium pressure) / P0 (saturated vapor pressure) = 0.05 to 0.3) and the amount of gas adsorption, the single By obtaining the molecular adsorption amount, the BET specific surface area can be calculated.
本発明におけるバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料は、CuKα線をX線源として得られるX線回折(XRD)図において、回折角(2θ)が24.0~27.0°の位置にピークを有することで、炭素六角網面の存在を確認できる。また、該ピークの半値幅が8°以下であることが好ましい。 The catalyst ink material for a biofuel cell anode in the present invention has a peak at a diffraction angle (2θ) of 24.0 to 27.0° in an X-ray diffraction (XRD) diagram obtained using CuKα rays as an X-ray source. The existence of the carbon hexagonal mesh plane can be confirmed by having it. Also, the half width of the peak is preferably 8° or less.
CuKα線をX線源として得られるバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料のX線回折線図においては、24.0~27.0°付近に炭素の(002)面回折ピークが現れる。炭素の(002)回折ピーク位置は、炭素六角網面の面間距離によって変化し、ピーク位置が高角側であるほど炭素六角網面の距離が近いことから、構造の黒鉛的規則性が高いことが示される。また、上記ピークがシャープである(半値幅が小さい)ほど、結晶子サイズが大きく、結晶構造が発達していることを示すものである。 In the X-ray diffraction diagram of the biofuel cell anode catalyst ink material obtained using CuKα rays as the X-ray source, the (002) plane diffraction peak of carbon appears at around 24.0 to 27.0°. The position of the (002) diffraction peak of carbon varies depending on the interplanar distance of the hexagonal carbon planes, and the higher the angle of the peak position, the closer the distance between the hexagonal carbon planes. is shown. The sharper the peak (the smaller the half-value width), the larger the crystallite size and the more advanced the crystal structure.
上記ピークの半値幅が8°以下である場合には、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料の結晶性が高く、電子伝導性が高い。これにより、電極中における反応に必要な電子を前記反応場に供給することができるため、電流の増加に繋がり、好ましい。 When the half width of the peak is 8° or less, the catalyst ink material for a biofuel cell anode has high crystallinity and high electronic conductivity. As a result, the electrons required for the reaction in the electrode can be supplied to the reaction field, which leads to an increase in current, which is preferable.
また、上記ピークの半値幅が1°以下であることは、さらに好ましい。 Further, it is more preferable that the half width of the peak is 1° or less.
<バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料の製造方法>
バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料の製造方法では、炭素系原料と、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物に対して、最適な混合装置、分散装置、又は乾燥装置を選択することにより、触媒活性の優れたバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料を得ることができる。
<Method for producing catalyst ink material for biofuel cell anode>
In a method for producing a catalyst ink material for a biofuel cell anode, by selecting an optimum mixing device, dispersing device, or drying device for a compound containing a carbonaceous raw material and a hetero element and/or a base metal element, A catalyst ink material for a biofuel cell anode having excellent catalytic activity can be obtained.
本発明におけるバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料は、単に炭素系原料とヘテロ元素を含む化合物を混合したものや、炭素系原料と卑金属元素を含む化合物を混合したものや、炭素系原料とヘテロ元素や卑金属元素を含む化合物を混合したものではない。 The catalyst ink material for a biofuel cell anode in the present invention is a mixture of a carbon-based raw material and a compound containing a hetero element, a mixture of a carbon-based raw material and a compound containing a base metal element, or a mixture of a carbon-based raw material and a hetero element. It is not a mixture of compounds containing metals or base metal elements.
触媒インキ材料の製造方法としては、例えば、炭素系原料、ヘテロ元素を含む化合物及び卑金属元素を含む化合物を混合し炭化させる方法、
炭素系原料、ヘテロ元素を含む化合物を混合し炭化させる方法、
ヘテロ元素を含む炭素系原料と、卑金属元素を含む化合物とを混合し炭化させる方法、
フタロシアニンやポルフィリン等の大環状化合物などのヘテロ元素及び卑金属元素を含む化合物を炭化させる方法、
炭素系原料と、ヘテロ元素及び卑金属元素を含む化合物とを混合し炭化させる方法などが挙げられるが、それらに限定されるものではない。
Examples of the method for producing the catalyst ink material include a method of mixing and carbonizing a carbonaceous raw material, a compound containing a hetero element and a compound containing a base metal element,
A method of mixing and carbonizing a carbonaceous raw material and a compound containing a hetero element,
A method of mixing and carbonizing a carbonaceous raw material containing a hetero element and a compound containing a base metal element,
A method of carbonizing a compound containing heteroelements and base metal elements such as macrocyclic compounds such as phthalocyanines and porphyrins,
Examples include, but are not limited to, a method of mixing a carbonaceous raw material with a compound containing a hetero element and a base metal element and carbonizing the mixture.
炭化により、炭素六角網面を基本骨格とした炭素材料となり、当該炭素材料表面の炭素骨格内の炭素元素の少なくとも一部をヘテロ元素が置換するようにドープされる。また、ヘテロ元素を含む化合物ではなく、ヘテロ元素を含むガスによる炭素系原料へのドープでも良い。
そのような製造方法としては、炭素系原料と、卑金属元素を含む化合物とを混合し炭化させた材料に気相法でヘテロ元素をドープする方法、
炭素系原料に気相法でヘテロ元素をドープする方法など、従来公知のものを使用することが出来るが、それらに限定されるものではない。
気相法での反応により、炭素系原料表面の炭素骨格内の炭素元素の少なくとも一部がヘテロ元素で置換するようにドープされる。
好ましい製造方法としては、少なくともヘテロ元素を含む炭素系原料と、卑金属元素を含む化合物とを混合し、熱処理する方法や、少なくとも炭素系原料と、ヘテロ元素及び卑金属元素を含む化合物とを混合し、熱処理する方法が挙げられる。また、前記熱処理により得られた炭素材料を、酸で洗浄、及び乾燥する工程を含む方法が挙げられる。更に、前記酸洗浄により得られた炭素材料を、熱処理する工程を含む方法が挙げられる。
なお、卑金属元素は、炭素六角網面を形成する元素とはならず、炭素六角網面の近傍に存在する。
By carbonization, a carbon material having a carbon hexagonal mesh plane as a basic skeleton is obtained, and the carbon material is doped so that at least part of the carbon elements in the carbon skeleton on the surface of the carbon material is replaced with a hetero element. Alternatively, the carbon-based raw material may be doped with a gas containing a hetero element instead of a compound containing a hetero element.
Examples of such a production method include a method of doping a hetero element in a material obtained by mixing and carbonizing a carbonaceous raw material and a compound containing a base metal element by a vapor phase method;
A conventionally known method such as a method of doping a carbonaceous raw material with a hetero element by a vapor phase method can be used, but the method is not limited thereto.
By the reaction in the gas phase method, the carbon-based raw material is doped so that at least part of the carbon elements in the carbon skeleton on the surface of the carbon-based raw material is replaced with a hetero element.
Preferred production methods include a method of mixing a carbon-based raw material containing at least a hetero element and a compound containing a base metal element and heat-treating the mixture, or a method of mixing at least a carbon-based raw material with a compound containing a hetero element and a base metal element, A method of heat treatment is mentioned. Moreover, the method includes the steps of washing the carbon material obtained by the heat treatment with an acid and drying it. Furthermore, there is a method including a step of heat-treating the carbon material obtained by the acid washing.
In addition, the base metal element does not become an element forming the hexagonal carbon network plane, but exists in the vicinity of the hexagonal carbon network plane.
<炭素系原料>
本発明におけるバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料の構成成分である炭素系原料としては、無機炭素系原料が好ましい。例えば、カーボンブラック(ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ミディアムサーマルカーボンブラック)、活性炭、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、グラフェンナノプレートレット、ナノポーラスカーボン、炭素繊維等が挙げられる。炭素系原料は、種類やメーカーによって、結晶性、粒子径、形状、BET比表面積、細孔容積、細孔径、嵩密度、DBP吸油量、表面酸塩基度、表面親水度、導電性などの様々な物性や、コストが異なるため、使用する用途や要求性能に合わせて最適な材料を選択することができる。
<Carbon-based raw material>
Inorganic carbon-based raw materials are preferable as the carbon-based raw materials that are constituent components of the catalyst ink material for biofuel cell anodes in the present invention. Examples thereof include carbon black (furnace black, acetylene black, ketjen black, medium thermal carbon black), activated carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, graphene nanoplatelets, nanoporous carbon, and carbon fibers. Carbon-based raw materials vary in crystallinity, particle size, shape, BET specific surface area, pore volume, pore size, bulk density, DBP oil absorption, surface acid-basicity, surface hydrophilicity, conductivity, etc., depending on the type and manufacturer. Since they have different physical properties and costs, the most suitable material can be selected according to the intended use and required performance.
市販の無機炭素系原料としては、例えば、
ケッチェンブラックEC-300J、EC-600JD、ライオナイトEC-200L等のライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製ケッチェンブラック;
トーカブラック#4300、#4400、#4500、及び#5500等の東海カーボン社製ファーネスブラック;
プリンテックスL等のデグサ社製ファーネスブラック;
Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA、Conductex SC ULTRA、975 ULTRA、PUER BLACK100、115、及び205等のコロンビヤン社製ファーネスブラック;
#2350、#2400B、#2600B、#3050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、及び#5400B等の三菱化学社製ファーネスブラック;
MONARCH1400、1300、900、VulcanXC-72R、及びBlackPearls2000等のキャボット社製ファーネスブラック;
Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、及びSuperP-Li等のTIMCAL社製ファーネスブラック;
デンカブラック、デンカブラックHS-100、FX-35等のデンカ社製アセチレンブラック;
VGCF、VGCF-H、VGCF-X等の昭和電工社製カーボンナノチューブ;
名城ナノカーボン社製カーボンナノチューブ;
xGnP-C-300、xGnP-C-500、xGnP-C-750、xGnP-M-5、xGnP-M-15、xGnP-M-25、xGnP-H-5、xGnP-H-15、xGnP-H-25等のXGSciences社製グラフェンナノプレートレット;
Easy-N社製ナノポーラスカーボン;
カイノールジイソシア、カイノール活性炭繊維などの群栄化学工業社製炭素繊維;
クノーベルMHグレード、クノーベルP(2)010グレード、クノーベルP(3)010グレード、クノーベルP(4)050グレード、クノーベルMJ(4)030グレード、クノーベルMJ(4)010グレード等の東洋炭素社製多孔質炭素等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Commercially available inorganic carbon-based raw materials include, for example,
Ketjenblack manufactured by Lion Specialty Chemicals such as Ketjenblack EC-300J, EC-600JD, Lionite EC-200L;
Furnace blacks manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd. such as Toka Black #4300, #4400, #4500, and #5500;
Degussa furnace black such as Printex L;
Columbian furnace blacks such as Raven 7000, 5750, 5250, 5000 ULTRA III, 5000 ULTRA, Conductex SC ULTRA, 975 ULTRA, PUER BLACK 100, 115, and 205;
Mitsubishi Chemical Furnace Blacks such as #2350, #2400B, #2600B, #3050B, #3030B, #3230B, #3350B, #3400B, and #5400B;
Cabot furnace blacks such as MONARCH 1400, 1300, 900, Vulcan XC-72R, and BlackPearls 2000;
TIMCAL furnace blacks such as Ensaco 250G, Ensaco 260G, Ensaco 350G, and SuperP-Li;
Acetylene black manufactured by Denka such as Denka Black, Denka Black HS-100, and FX-35;
Showa Denko carbon nanotubes such as VGCF, VGCF-H, and VGCF-X;
Carbon nanotubes manufactured by Meijo Nano Carbon;
xGnP-C-300, xGnP-C-500, xGnP-C-750, xGnP-M-5, xGnP-M-15, xGnP-M-25, xGnP-H-5, xGnP-H-15, xGnP- XGSciences graphene nanoplatelets such as H-25;
Nanoporous carbon manufactured by Easy-N;
Carbon fibers manufactured by Gun Ei Chemical Industry Co., Ltd., such as Kynor diisosia and Kynor activated carbon fibers;
Knobel MH grade, Knobel P (2) 010 grade, Knobel P (3) 010 grade, Knobel P (4) 050 grade, Knobel MJ (4) 030 grade, Knobel MJ (4) 010 grade, etc. carbon, etc., but are not limited to these.
本発明におけるバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料の構成成分である炭素系原料としては、無機炭素系原料だけでなく、熱処理後、炭素六角網面の基本骨格を有する炭素粒子となる有機材料も使用することができる。熱処理後に炭素粒子となる有機材料としては、炭素以外に他の元素を含有していても良い。熱処理後の炭素粒子に窒素やホウ素等のヘテロ元素を含有させるため、予め同ヘテロ元素を含有する有機材料の使用が好ましい場合がある。具体的な有機材料としては、フェノール系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、ポリアニリン系樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂系樹脂、ポリイミダゾール系樹脂、ポリピロール系樹脂、ポリベンゾイミダゾール系樹脂、メラミン系樹脂、ピッチ、褐炭、ポリカルボジイミド、バイオマス、タンパク質、フミン酸等やそれらの誘導体などが挙げられる。その中でも窒素やホウ素などのヘテロ元素を含有する有機材料である、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、ポリアニリン系樹脂等が、窒素元素を含む炭素系原料として好ましい。 As the carbon-based raw material, which is a component of the catalyst ink material for a biofuel cell anode in the present invention, not only an inorganic carbon-based raw material, but also an organic material that becomes carbon particles having a basic skeleton of a hexagonal carbon network surface after heat treatment is used. can do. The organic material that becomes carbon particles after heat treatment may contain other elements besides carbon. In some cases, it is preferable to use an organic material containing a hetero element such as nitrogen or boron in advance in order to allow the heat-treated carbon particles to contain the hetero element. Specific organic materials include phenol-based resins, polyimide-based resins, polyamide-based resins, polyamide-imide-based resins, polyacrylonitrile-based resins, polyaniline-based resins, phenol-formaldehyde-based resins, polyimidazole-based resins, polypyrrole-based resins, poly Benzimidazole-based resins, melamine-based resins, pitch, lignite, polycarbodiimide, biomass, proteins, humic acid, and derivatives thereof can be used. Among them, polyimide-based resins, polyamide-based resins, polyamide-imide-based resins, polyacrylonitrile-based resins, polyaniline-based resins, etc., which are organic materials containing hetero elements such as nitrogen and boron, are preferable as carbon-based raw materials containing nitrogen elements. .
<ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物>
本発明におけるバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料として、ヘテロ元素、卑金属元素を導入する際に使用される原料としては、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物であれば特に限定されない。
例えば、色素、ポリマー等の有機化合物、金属単体、金属酸化物、金属塩等の無機化合物が挙げられる。また、1種類を単独で用いても、2種類以上を併用して用いても良い。
卑金属元素とは、遷移金属元素のうち貴金属元素(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金)を除く金属元素であり、卑金属元素としては、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、銅、チタン、バナジウム、クロム、亜鉛、スズから選ばれる一種以上を含有することが好ましい。
好ましくは錯体もしくは塩であり、その中でも、卑金属元素を分子中に含有することが可能な、窒素を含有した芳香族化合物は、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料中に効率的に窒素元素と卑金属元素を導入しやすいため好ましい。具体的には、フタロシアニン系化合物、ナフタロシアニン系化合物、ポルフィリン系化合物、テトラアザアヌレン系化合物等の大環状化合物が挙げられる。上記芳香族化合物は、電子吸引性官能基や電子供与性官能基を導入されたものであってもよい。特に、フタロシアニン系化合物は、様々な卑金属元素を含んだ化合物が入手可能であり、コスト的にも安価であるため、原料としては特に好ましい。中でも、コバルトフタロシアニン系化合物、ニッケルフタロシアニン系化合物、鉄フタロシアニン系化合物は、安価で高い活性を有するバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料を得ることができるためより好ましい。
<Compound containing hetero element and/or base metal element>
The raw material used for introducing the hetero element and the base metal element into the catalyst ink material for the biofuel cell anode in the present invention is not particularly limited as long as it is a compound containing the hetero element and/or the base metal element.
Examples include organic compounds such as dyes and polymers, and inorganic compounds such as elemental metals, metal oxides and metal salts. Moreover, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.
Base metal elements are transition metal elements excluding noble metal elements (ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, platinum, and gold). Base metal elements include cobalt, iron, nickel, manganese, and copper. , titanium, vanadium, chromium, zinc and tin.
A nitrogen-containing aromatic compound, which is preferably a complex or a salt, and which can contain a base metal element in the molecule, can efficiently combine a nitrogen element and a base metal in a catalyst ink material for a biofuel cell anode. It is preferable because it is easy to introduce the element. Specific examples include macrocyclic compounds such as phthalocyanine-based compounds, naphthalocyanine-based compounds, porphyrin-based compounds, and tetraazaannulene-based compounds. The aromatic compound may be one into which an electron-withdrawing functional group or an electron-donating functional group has been introduced. In particular, phthalocyanine-based compounds are particularly preferable as raw materials because compounds containing various base metal elements are available and are inexpensive. Among them, cobalt phthalocyanine-based compounds, nickel phthalocyanine-based compounds, and iron phthalocyanine-based compounds are more preferable because they can provide inexpensive and highly active catalyst ink materials for biofuel cell anodes.
バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料に導入される元素の由来としては複数の原料の組み合わせが考えられる。
炭素元素は無機炭素材料や熱処理後炭素粒子となる有機材料、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物など、
ヘテロ元素は、ヘテロ元素を含む、熱処理後炭素粒子となる有機材料や;ヘテロ元素を含む、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物;アンモニアなどヘテロ元素を含む反応性気体など、
卑金属元素は、卑金属元素を含む、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物などである。
A combination of a plurality of raw materials can be considered as the origin of the elements introduced into the catalyst ink material for the biofuel cell anode.
The carbon element is an inorganic carbon material, an organic material that becomes carbon particles after heat treatment, a compound containing a hetero element and / or a base metal element, etc.
The hetero element includes an organic material that becomes carbon particles after heat treatment; a compound that includes a hetero element and/or a base metal element; a reactive gas that includes a hetero element such as ammonia;
A base metal element is a hetero element and/or a compound containing a base metal element, including a base metal element.
原料の組み合わせとしては例えば、
炭素元素を無機炭素系原料、ヘテロ元素を気相法のヘテロドープ由来のバイオ燃料電池アノード用炭素系原料、
炭素元素を有機炭素系原料、ヘテロ元素を気相法のNドープ由来のバイオ燃料電池アノード用炭素系原料、
炭素元素とヘテロ元素を熱処理後炭素粒子となる有機材料由来のバイオ燃料電池アノード用炭素系原料、
炭素元素を無機炭素系原料、ヘテロ元素と卑金属元素を、ヘテロ元素及び卑金属元素を含む、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物由来のバイオ燃料電池アノード用炭素系原料、
炭素元素を熱処理後炭素粒子となる有機材料、ヘテロ元素と卑金属元素を、ヘテロ元素及び卑金属元素を含む、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物由来のバイオ燃料電池アノード用炭素系原料、
炭素元素を有機炭素系原料、ヘテロ元素を、卑金属元素を含まない、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物、卑金属元素を、ヘテロ元素を含まない、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物由来のバイオ燃料電池アノード用炭素系原料、
炭素元素とヘテロ元素を熱処理後炭素粒子となる有機材料由来のバイオ燃料電池アノード用炭素系原料、卑金属元素を、卑金属元素を含む、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物由来のバイオ燃料電池アノード用炭素系原料、
炭素元素、ヘテロ元素及び卑金属元素を、炭素元素、ヘテロ元素及び卑金属元素を含む、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物由来のバイオ燃料電池アノード用炭素系原料等が挙げられる。
Examples of raw material combinations include:
The carbon element is an inorganic carbon-based raw material, the hetero-element is a carbon-based raw material for a biofuel cell anode derived from the hetero dope of the gas phase method,
The carbon element is an organic carbon-based raw material, and the hetero-element is a carbon-based raw material for a biofuel cell anode derived from N doping in the vapor phase method,
A carbon-based raw material for a biofuel cell anode derived from an organic material that becomes carbon particles after heat treatment of a carbon element and a hetero element,
A carbon-based raw material for a biofuel cell anode derived from a compound containing a hetero element and/or a base metal element, wherein the carbon element is an inorganic carbon-based raw material, and the hetero element and the base metal element are the hetero element and the base metal element,
A carbon-based raw material for a biofuel cell anode derived from a compound containing a hetero element and/or a base metal element, including an organic material that becomes carbon particles after heat treatment of the carbon element, a hetero element and a base metal element,
The carbon element is an organic carbon-based raw material, the hetero element is a compound containing a hetero element and / or a base metal element that does not contain a base metal element, the base metal element is a hetero element that does not contain a hetero element and / or contains a base metal element Carbon-based feedstocks for biofuel cell anodes derived from compounds,
A carbon-based raw material for a biofuel cell anode derived from an organic material that becomes carbon particles after heat treatment of a carbon element and a hetero element, and a biofuel cell derived from a compound containing a hetero element and/or a base metal element containing a base metal element as a base metal element carbon-based raw materials for anodes,
A carbon-based raw material for a biofuel cell anode derived from a compound containing a carbon element, a hetero element and a base metal element, including a carbon element, a hetero element and a base metal element, and/or a hetero element and/or a base metal element.
原料の混合物である前駆体の作製方法としては、前駆体に炭素元素、ヘテロ元素、及び卑金属元素が含まれるよう、炭素材料と、1種類又は複数種類のヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物とを混合する際は、原料同士が均一に混合・複合されていれば良く、混合法としては、乾式混合及び湿式混合が挙げられる。混合装置としては、以下のような乾式混合装置や湿式混合装置を使用できる。 As a method for producing a precursor that is a mixture of raw materials, a carbon material and one or more types of hetero element and/or base metal element are included so that the precursor contains a carbon element, a hetero element, and a base metal element. When the compound is mixed, it is sufficient that the raw materials are uniformly mixed and compounded, and examples of the mixing method include dry mixing and wet mixing. As a mixing device, a dry mixing device or a wet mixing device as described below can be used.
乾式混合装置としては、例えば、
2本ロールや3本ロール等のロールミル、ヘンシェルミキサーやスーパーミキサー等の高速攪拌機、マイクロナイザーやジェットミル等の流体エネルギー粉砕機、アトライター、ホソカワミクロン社製粒子複合化装置「ナノキュア」、「ノビルタ」、「メカノフュージョン」、奈良機械製作所社製粉体表面改質装置「ハイブリダイゼーションシステム」、「メカノマイクロス」、「ミラーロ」等が挙げられる。
As a dry mixing device, for example,
2-roll or 3-roll roll mills, high-speed agitators such as Henschel mixers and super mixers, fluid energy pulverizers such as micronizers and jet mills, attritors, Hosokawa Micron's particle compounding equipment "Nanocure" and "Nobilta" , "Mechanofusion", powder surface modification apparatus "Hybridization System" manufactured by Nara Machinery Co., Ltd., "Mechanomicros", and "Mirraro".
又、乾式混合装置を使用する際、母体となる原料粉体に、他の原料を粉体のまま直接添加しても良いが、より均一な混合物を作成するために、前もって他の原料を少量の溶媒に溶解、又、分散させておき、母体となる原料粉体の凝集粒子を解しながら添加する方法が好ましい。更に、処理効率を上げるために、加温することが好ましい場合もある。 When using a dry mixing apparatus, other raw materials may be directly added in powder form to the base raw material powder. It is preferable to dissolve or disperse the powder in a solvent and add it while loosening the agglomerated particles of the base material powder. Furthermore, heating may be preferred in order to increase processing efficiency.
ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物の中には、常温では固体であるが、融点、軟化点、又はガラス転移温度が100℃未満と低い材料がある。それらの材料を用いる場合、常温で混合するより、加温下で溶融させて混合する方がより均一に混合できる場合もある。 Among compounds containing heteroelements and/or base metal elements, there are materials that are solid at room temperature but have a low melting point, softening point, or glass transition temperature of less than 100°C. When these materials are used, it may be possible to achieve more uniform mixing by melting and mixing under heating than by mixing at room temperature.
湿式混合の場合、湿式混合装置を用いて作製した分散体を乾燥させる工程が必要となる。この場合、用いる乾燥装置としては、棚式乾燥機、回転乾燥機、気流乾燥機、噴霧乾燥機 撹拌乾燥機、凍結乾燥機などが挙げられる。 In the case of wet mixing, a step of drying the dispersion produced using a wet mixing apparatus is required. In this case, the drying apparatus used includes a tray dryer, a rotary dryer, a flash dryer, a spray dryer, a stirring dryer, a freeze dryer, and the like.
湿式混合装置としては、例えば、
ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類;
エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはPRIMIX社製「フィルミックス」等のホモジナイザー類;
ペイントコンディショナー(レッドデビル社製)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、若しくはコボールミル等のメディア型分散機;
湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS-5」、若しくは奈良機械製作所社製「マイクロス」等のメディアレス分散機;
又は、その他ロールミル、ニーダー等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又、湿式混合装置としては、装置からの金属混入防止処理を施したものを用いることが好ましい。
As a wet mixing device, for example,
Mixers such as disper, homomixer, or planetary mixer;
Homogenizers such as "Clairmix" manufactured by M Technic Co., Ltd. or "Filmix" manufactured by PRIMIX;
Paint conditioner (manufactured by Red Devil), ball mill, sand mill ("Dyno Mill" manufactured by Shinmaru Enterprises, etc.), attritor, pearl mill ("DCP Mill" manufactured by Eirich, etc.), or media-type dispersing machine such as a coball mill;
Wet type jet mill ("Genus PY" manufactured by Genus, "Starburst" manufactured by Sugino Machine, "Nanomizer" manufactured by Nanomizer, etc.), "Crea SS-5" manufactured by M Technic, or "Micro medialess disperser such as
Alternatively, roll mills, kneaders, etc. may be used, but are not limited to these. As the wet mixing device, it is preferable to use one subjected to treatment to prevent metal contamination from the device.
例えば、メディア型分散機を使用する場合は、アジテーター及びベッセルがセラミック製又は樹脂製の分散機を使用する方法や、金属製アジテーター及びベッセル表面をタングステンカーバイド溶射や樹脂コーティング等の処理をした分散機を用いることが好ましい。そして、メディアとしては、ガラスビーズ、又は、ジルコニアビーズ、若しくはアルミナビーズ等のセラミックビーズを用いることが好ましい。又、ロールミルを使用する場合についても、セラミック製ロールを用いることが好ましい。分散装置は、1種のみを使用しても良いし、複数種の装置を組み合わせて使用しても良い。 For example, when using a media-type disperser, a disperser whose agitator and vessel are made of ceramic or resin, or a disperser whose metal agitator and vessel surface are treated with tungsten carbide spraying or resin coating. is preferably used. As media, it is preferable to use glass beads, zirconia beads, or ceramic beads such as alumina beads. Also when using a roll mill, it is preferable to use ceramic rolls. Only one type of dispersing device may be used, or a plurality of types of devices may be used in combination.
<分散剤>
又、各原料が均一に溶解した系でない場合、各原料の溶媒への濡れ性、分散性を向上させるために、一般的な水系用分散剤または溶剤系用分散剤を一緒に添加し、分散、混合することができる。
<Dispersant>
In addition, when each raw material is not uniformly dissolved in a system, in order to improve the wettability and dispersibility of each raw material in a solvent, a general water-based dispersant or solvent-based dispersant is added together to disperse. , can be mixed.
<水系用分散剤>
市販の水系用分散剤としては、特に限定されないが、例えば、以下のものが挙げられる。
<Aqueous Dispersant>
Commercially available aqueous dispersants include, but are not limited to, the following.
ビックケミー社製の分散剤としては、DISPERBYK-180、184、187、190、191、192、193、194、199、2010、2012、2015、2096等が挙げられる。 Dispersants manufactured by BYK-Chemie include DISPERBYK-180, 184, 187, 190, 191, 192, 193, 194, 199, 2010, 2012, 2015, 2096 and the like.
日本ルーブリゾール社製の分散剤としては、SOLSPERSE12000、20000、27000、41000、41090、43000、44000、又は45000等が挙げられる。 Dispersants manufactured by Lubrizol Japan include SOLSPERSE 12000, 20000, 27000, 41000, 41090, 43000, 44000, or 45000.
BASFジャパン社製の分散剤としては、JONCRYL67、678、586、611、680、682、683、690、60、61、62、63、HPD-96、Luvitec K17、K30、K60、K80、K85、K90、VA64等が挙げられる。 Dispersants manufactured by BASF Japan include JONCRYL67, 678, 586, 611, 680, 682, 683, 690, 60, 61, 62, 63, HPD-96, Luvitec K17, K30, K60, K80, K85, K90. , VA64, and the like.
川研ファインケミカル社製の分散剤としては、ヒノアクトA-110、300、303、又は501等が挙げられる。 Dispersants manufactured by Kawaken Fine Chemicals Co., Ltd. include Hinoact A-110, 300, 303, and 501.
ニットーボーメディカル社製の分散剤としては、PAAシリーズ、PASシリーズ、両性シリーズPAS-410C、410SA、84、2451、又は2351等が挙げられる。 Examples of dispersants manufactured by Nittobo Medical Co., Ltd. include PAA series, PAS series, amphoteric series PAS-410C, 410SA, 84, 2451, and 2351.
アイエスピー・ジャパン社製の分散剤としては、ポリビニルピロリドンPVP K-15、K-30、K-60、K-90、又はK-120等が挙げられる。 Dispersants manufactured by ISP Japan include polyvinylpyrrolidone PVP K-15, K-30, K-60, K-90, K-120, and the like.
丸善石油化学社製の分散剤としては、ポリビニルイミダゾールPVI等が挙げられる。 Dispersants manufactured by Maruzen Petrochemical Co., Ltd. include polyvinylimidazole PVI and the like.
<溶剤系用分散剤>
市販の溶剤系用分散剤としては、特に限定されないが、例えば、以下のものが挙げられる。
<Dispersant for solvent system>
Commercially available solvent-based dispersants are not particularly limited, but include, for example, the following.
ビックケミー社製の分散剤としては、Anti-Terra-U、U100、204、DISPERBYK-101、102、103、106、107、108、109、110、111、140、161、163、168、170、171等が挙げられる。 Dispersants manufactured by BYK Chemie include Anti-Terra-U, U100, 204, DISPERBYK-101, 102, 103, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 140, 161, 163, 168, 170, 171. etc.
日本ルーブリゾール社製の分散剤としては、SOLSPERSE3000、5000、9000、13240、13650、13940、17000、18000、19000、21000、22000、24000SC、24000GR、26000、28000、31845、32000、32500、32600、33500、34750、35100、35200、36600、37500、38500、又は53095が挙げられる。 Dispersants manufactured by Lubrizol Japan include SOLSPERSE 3000, 5000, 9000, 13240, 13650, 13940, 17000, 18000, 19000, 21000, 22000, 24000SC, 24000GR, 26000, 28000, 31845, 32000, 325000, 3265000, , 34750, 35100, 35200, 36600, 37500, 38500, or 53095.
味の素ファインテクノ社製の分散剤としては、アジスパーPB821、PB822、PN411、又はPA111が挙げられる。 Dispersants manufactured by Ajinomoto Fine-Techno Co., Inc. include Ajisper PB821, PB822, PN411, or PA111.
川研ファインケミカル社製の分散剤としては、ヒノアクトKF-1000、1300M、1500、T-6000、8000、8000E、又は9100等が挙げられる。 Dispersants manufactured by Kawaken Fine Chemicals include Hinoact KF-1000, 1300M, 1500, T-6000, 8000, 8000E and 9100.
BASFジャパン社製の分散剤としては、Luvicap等が挙げられる。 Luvicap etc. are mentioned as a dispersing agent by BASF Japan.
<炭化、熱処理>
次に、炭素系原料と、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物の混合物を熱処理する方法においては、原料となる炭素材料、ヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含有する化合物によって異なるが、加熱温度は500~1100℃が好ましく、700~1000℃がより好ましい。
この場合、ある程度高温で熱処理することで、活性点の構造が安定化し、実用的な電池運転条件に耐え得る表面となることが多い。このときの温度は600℃以上であることが好ましい。
<Carbonization, heat treatment>
Next, in the method of heat-treating a mixture of a carbonaceous raw material and a compound containing a hetero element and/or a base metal element, depending on the raw material carbon material and the compound containing the hetero element and/or the base metal element, heating The temperature is preferably 500-1100°C, more preferably 700-1000°C.
In this case, heat treatment at a relatively high temperature often stabilizes the structure of the active sites, resulting in a surface that can withstand practical battery operating conditions. The temperature at this time is preferably 600° C. or higher.
加熱時間は特に限定されないが、通常は1時間から5時間であることが好ましい。 Although the heating time is not particularly limited, it is usually preferably from 1 hour to 5 hours.
更に、熱処理工程における雰囲気に関しては、原料をできるだけ不完全燃焼により炭化させ、ヘテロ元素や金属元素などを炭素材料表面に残存させる必要性があるため、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気や、窒素やアルゴンに水素が混合された還元性ガス雰囲気などが好ましい。また、熱処理時の炭素触媒中のヘテロ元素量低減を抑制するために、窒素元素を多量に含むアンモニアガス雰囲気下で熱処理を行なったり、炭素触媒の表面構造を制御するために、水蒸気、二酸化炭素、低酸素雰囲気下で熱処理したりしても良い。この場合では、雰囲気によっては酸化が進むと金属が酸化物となり粒子成分が凝集しやすくなるため、温度や時間などを適切に選択する必要がある。 Furthermore, regarding the atmosphere in the heat treatment process, it is necessary to carbonize the raw material by incomplete combustion as much as possible and leave the hetero element and metal element on the surface of the carbon material. or a reducing gas atmosphere in which hydrogen is mixed with argon. In addition, in order to suppress the reduction of the amount of hetero elements in the carbon catalyst during heat treatment, the heat treatment is performed in an ammonia gas atmosphere containing a large amount of nitrogen element, and in order to control the surface structure of the carbon catalyst, water vapor, carbon dioxide , the heat treatment may be performed in a low-oxygen atmosphere. In this case, depending on the atmosphere, if the oxidation progresses, the metal becomes an oxide and the particle components tend to aggregate, so it is necessary to appropriately select the temperature, time, and the like.
また、熱処理工程に関しては、一定の雰囲気及び温度下で、1段階で処理を行う方法だけでなく、一度、不活性ガス雰囲気下、500℃程度の比較的低温で熱処理し、その後、不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気下、または賦活ガス雰囲気下で、1段階目を超える温度で熱処理することも可能である。そうすることで、触媒活性サイトとして考えられているヘテロ元素や金属元素からなる活性サイト部位を、より効率的且つ、多量に残存させられることがある。 Regarding the heat treatment process, in addition to the method of performing treatment in one step under a constant atmosphere and temperature, heat treatment is performed once at a relatively low temperature of about 500 ° C. in an inert gas atmosphere, and then an inert gas is used. It is also possible to heat-treat at temperatures above the first step in atmosphere, in a reducing gas atmosphere, or in an activating gas atmosphere. By doing so, active site sites composed of hetero elements and metal elements, which are considered as catalytic active sites, may be left more efficiently and in large amounts.
<洗浄、乾燥>
バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料の製造方法としては、さらに、前記熱処理により得られたバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料を酸で洗浄、及び乾燥する工程を含む方法が挙げられる。ここで用いる酸は、前記熱処理により得られたバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料表面に存在する活性点として作用しない卑金属成分を溶出させることができるものであれば、特に限定されない。バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料との反応性が低く、卑金属成分の溶解力が強い濃塩酸や希硫酸等が好ましい。具体的な洗浄方法としては、ガラス容器内に酸を加え、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料を添加し、分散させながら数時間撹拌させた後、静置し、上澄みを除去する。そして、上澄みの着色が確認されなくなるまで上記方法を繰り返し行い、最後に、ろ過、水洗により酸を除去し、乾燥する方法が挙げられる。
<Washing, drying>
The method for producing the biofuel cell anode catalyst ink material further includes a process of washing the biofuel cell anode catalyst ink material obtained by the heat treatment with an acid and drying. The acid used here is not particularly limited as long as it can dissolve base metal components that do not act as active sites present on the surface of the biofuel cell anode catalyst ink material obtained by the heat treatment. Concentrated hydrochloric acid, dilute sulfuric acid, etc., which have low reactivity with the biofuel cell anode catalyst ink material and strong dissolving power for base metal components, are preferred. As a specific cleaning method, an acid is added into a glass container, a catalyst ink material for a biofuel cell anode is added, the mixture is stirred for several hours while being dispersed, and the mixture is allowed to stand and the supernatant is removed. Then, the above method is repeated until the supernatant is no longer colored, and finally, the acid is removed by filtering and washing with water, followed by drying.
バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料の製造方法としては、さらに、前記酸洗浄により得られたバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料を再度熱処理する工程を含む方法が挙げられる。ここでの熱処理は、先に行った熱処理の条件と大きく変わるものではない。加熱温度は500~1100℃が好ましく、700~1000℃がより好ましい。また、雰囲気は、表面の窒素元素が分解し減少しにくい観点から、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気や、不活性ガスに水素が混合された還元性ガス雰囲気、窒素元素を多量に含むアンモニアガス雰囲気下等が好ましい。 The method for producing the biofuel cell anode catalyst ink material further includes a step of heat-treating the biofuel cell anode catalyst ink material obtained by the acid washing. The heat treatment here is not much different from the conditions of the previous heat treatment. The heating temperature is preferably 500-1100°C, more preferably 700-1000°C. In addition, from the viewpoint that the nitrogen element on the surface is difficult to decompose and decrease, the atmosphere is an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, a reducing gas atmosphere in which hydrogen is mixed with an inert gas, or an atmosphere of ammonia containing a large amount of nitrogen element. A gas atmosphere or the like is preferable.
<バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物>
本発明のバイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物は、バイオ燃料電池アノードの電極形成用として使用できる。バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物は、少なくとも、前記バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料と、バインダー樹脂とを含有する。
前記触媒インキ用材料とバインダー樹脂との質量比は、アノード反応が得られれば特に限定されることはないが、好ましくは50:50~99:1、さらに好ましくは65:35~95:5である。
本発明のバイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物は、分散剤、溶剤を含んでいてもよい。
また、分散剤を含有する場合は、バイオ燃料電池用アノード用触媒インキ全体の固形分の0.01~10質量%であり、好ましくは0.05~8質量%であり、さらに好ましくは0.1~5質量%である。
また、溶剤を含有する場合は、バイオ燃料電池用アノード用触媒インキ全体の固形分100質量%に対して、1~9900質量%であり、好ましくは5~1900質量%であり、さらに好ましくは25~400質量%である。
また、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物の適正粘度は、組成物の塗工方法によるが、一般には、10mPa・s以上、30,000mPa・s以下とするのが好ましい。
<Catalyst ink composition for biofuel cell anode>
The catalyst ink composition for a biofuel cell anode of the present invention can be used for forming an electrode of a biofuel cell anode. The biofuel cell anode catalyst ink composition contains at least the biofuel cell anode catalyst ink material and a binder resin.
The mass ratio of the catalyst ink material to the binder resin is not particularly limited as long as an anode reaction can be obtained, but it is preferably 50:50 to 99:1, more preferably 65:35 to 95:5. be.
The biofuel cell anode catalyst ink composition of the present invention may contain a dispersant and a solvent.
When a dispersing agent is contained, it is 0.01 to 10% by mass, preferably 0.05 to 8% by mass, more preferably 0.05 to 8% by mass of the solid content of the entire biofuel cell anode catalyst ink. It is 1 to 5% by mass.
When a solvent is contained, it is 1 to 9900% by mass, preferably 5 to 1900% by mass, more preferably 25% by mass, based on 100% by mass of the solid content of the entire biofuel cell anode catalyst ink. ~400% by mass.
The appropriate viscosity of the catalyst ink composition for a biofuel cell anode depends on the coating method of the composition, but is generally preferably 10 mPa·s or more and 30,000 mPa·s or less.
<バインダー樹脂>
次に、バインダー樹脂について説明する。バインダー樹脂を使用することで、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料同士や、それらと基材を強く結着させることが出来るため、良好な発電特性や耐久性を向上させることが出来る。
バインダー樹脂としては、ポリウレタン系樹脂、ポリアミド系樹脂、アクリロニトリル系樹脂、アクリル系樹脂、ブタジエン系樹脂、ポリビニルブチラール系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、EVA系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、及びシリコン系樹脂等からなる群から選ばれる1種以上を含むことができる。ただし、これらの樹脂に限定されるわけではなく、バインダー樹脂は1種単独で用いても良いし、2種以上併用しても良い。
このようなバインダー樹脂は、有機溶剤に溶解させて使用する溶剤系樹脂や、水に溶解ないし分散させて使用する水系樹脂を使用することが出来る。
また、バインダー樹脂は、炭素材料とバインダー樹脂を混合したバイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物を作製後に、硬化(架橋)反応を受ける、硬化性樹脂とすることもできる。バインダー樹脂は、自己硬化性のものを選択したり後述する硬化剤と組み合わせたりして、触媒インキ組成物を基材上へ塗工後、硬化(架橋)させることもできる。
<Binder resin>
Next, the binder resin will be explained. By using a binder resin, it is possible to strongly bind the catalyst ink materials for a biofuel cell anode to each other and to the base material, so that good power generation characteristics and durability can be improved.
Examples of binder resins include polyurethane-based resins, polyamide-based resins, acrylonitrile-based resins, acrylic-based resins, butadiene-based resins, polyvinyl butyral-based resins, polyolefin-based resins, polyester-based resins, polystyrene-based resins, EVA-based resins, and polyvinylidene fluoride-based resins. At least one selected from the group consisting of resins, silicon-based resins, and the like can be included. However, the binder resin is not limited to these resins, and one type of binder resin may be used alone, or two or more types may be used in combination.
As such a binder resin, a solvent-based resin dissolved in an organic solvent and used, or a water-based resin dissolved or dispersed in water can be used.
The binder resin can also be a curable resin that undergoes a curing (crosslinking) reaction after preparing a biofuel cell anode catalyst ink composition in which a carbon material and a binder resin are mixed. As the binder resin, a self-curing one may be selected or combined with a curing agent to be described later, and the catalyst ink composition may be cured (crosslinked) after being applied onto the substrate.
有機溶剤に溶解させて使用する溶剤系樹脂として用いる場合について説明する。 The case of using as a solvent-based resin dissolved in an organic solvent will be described.
<ポリウレタン樹脂>
ポリウレンタン樹脂の合成方法としては特に限定はされないが例えば、ポリオール化合物(a)とジイソシアネート(b)とを反応させたり、ポリオール化合物(a)とジイソシアネート(b)とカルボキシル基を有するジオール化合物(c)とを反応させてイソシアネート基を有するウレタンプレポリマー(d)を得たり、前記ウレタンプレポリマー(d)にポリアミノ化合物(e)をさらに反応させたり、あるいは前記3つの場合において、必要に応じて反応停止剤を反応させて得られるものなどが挙げられる。
<Polyurethane resin>
The method for synthesizing the polyurethane resin is not particularly limited. to obtain a urethane prepolymer (d) having an isocyanate group, or further reacting the urethane prepolymer (d) with a polyamino compound (e), or in the above three cases, reacting as necessary Examples thereof include those obtained by reacting with a terminating agent.
ポリオール化合物(a) としては、一般にポリウレタン樹脂を構成するポリオール成分として知られている、各種のポリエーテルポリオール類、ポリエステルポリオール類、ポリカーボネートポリオール類、ポリブタジエングリコール類、またはこれらの混合物等が使用できる。 As the polyol compound (a), various polyether polyols, polyester polyols, polycarbonate polyols, polybutadiene glycols, or mixtures thereof, which are generally known as polyol components constituting polyurethane resins, can be used.
上記ポリオール化合物の数平均分子量(Mn)は、触媒インキ組成物を製造する際のポリウレタン樹脂の溶解性、形成されるアノードの耐久性や結着強度等を考慮して適宜決定されるが、通常は580~8000の範囲が好ましく、さらに好ましくは1000~5000である。
上記ポリオール化合物は、単独で用いても、2種類以上併用してもよい。更に、ポリウ
レタン樹脂の性能が失われない範囲内で、上記ポリオール化合物の一部を低分子ジオール類、例えば前記ポリオール化合物の製造に用いられる各種低分子ジオールに替えることもできる。
The number average molecular weight (Mn) of the polyol compound is appropriately determined in consideration of the solubility of the polyurethane resin when producing the catalyst ink composition, the durability and binding strength of the formed anode, and the like. is preferably in the range of 580-8000, more preferably 1000-5000.
The above polyol compounds may be used alone or in combination of two or more. Further, part of the polyol compound can be replaced with low-molecular-weight diols, such as various low-molecular-weight diols used in the production of the polyol compound, as long as the performance of the polyurethane resin is not lost.
ジイソシアネート化合物(b)としては、芳香族ジイソシアネート、脂肪族ジイソシアネート、脂環族ジイソシアネート、またはこれらの混合物を使用できるが、特にイソホロンジイソシアネートが好ましい。 As the diisocyanate compound (b), an aromatic diisocyanate, an aliphatic diisocyanate, an alicyclic diisocyanate, or a mixture thereof can be used, and isophorone diisocyanate is particularly preferred.
カルボキシル基を有するジオール化合物(c)としては、ジメチロール酢酸、ジメチロールプロピオン酸、ジメチロールブタン酸、ジメチロールペンタン酸等のジメチロールアルカン酸、ジヒドロキシコハク酸、ジヒドロキシ安息香酸が挙げられる。特に反応性、溶解性の点からジメチロールプロピオン酸、ジメチロールブタン酸が好ましい。
ポリオール化合物(a)とジイソシアネート(b)とカルボキシル基を有するジオール化合物(c)とを反応させ、イソシアネート基を有するウレタンプレポリマー(d)を得る際の条件は、イソシアネート基を過剰にする他にとくに限定はないが、イソシアネート基/水酸基の当量比が1.05/1~3/1の範囲内であることが好ましい。更に好ましくは1.2/1~2/1である。また、反応は通常常温~150℃の間で行なわれ、更に製造時間、副反応の制御の面から好ましくは60~120℃の間で行なわれる。
Examples of the diol compound (c) having a carboxyl group include dimethylolalkanoic acids such as dimethylolacetic acid, dimethylolpropionic acid, dimethylolbutanoic acid and dimethylolpentanoic acid, dihydroxysuccinic acid and dihydroxybenzoic acid. Dimethylolpropionic acid and dimethylolbutanoic acid are particularly preferred from the viewpoint of reactivity and solubility.
The conditions for reacting the polyol compound (a), the diisocyanate (b), and the diol compound (c) having a carboxyl group to obtain a urethane prepolymer (d) having an isocyanate group are, in addition to excessive isocyanate groups, Although not particularly limited, the isocyanate group/hydroxyl equivalent ratio is preferably in the range of 1.05/1 to 3/1. It is more preferably 1.2/1 to 2/1. The reaction is usually carried out at room temperature to 150.degree. C., preferably at 60 to 120.degree. C. in terms of production time and control of side reactions.
ポリアミノ化合物(e)は、鎖延長剤として働くものであり、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、イソホロンジアミン、ジシクロヘキシルメタン-4,4′-ジアミン、ノルボルナンジアミンの他、2-(2-アミノエチルアミノ)エタノール、2-ヒドロキシエチルエチレンジアミン、2-ヒドロキシエチルプロピレンジアミン、ジ-2-ヒドロキシエチルエチレンジアミン、ジ-2-ヒドロキシプロピルエチレンジアミン等の水酸基を有するアミン類も使用することができる。なかでも、イソホロンジアミンが好適に使用される。 The polyamino compound (e) functions as a chain extender and includes ethylenediamine, propylenediamine, hexamethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, isophoronediamine, dicyclohexylmethane-4,4'-diamine, norbornanediamine, and 2 -(2-Aminoethylamino) ethanol, 2-hydroxyethylethylenediamine, 2-hydroxyethylpropylenediamine, di-2-hydroxyethylethylenediamine, di-2-hydroxypropylethylenediamine and other amines having a hydroxyl group can also be used. can. Among them, isophoronediamine is preferably used.
イソシアネート基を有するウレタンプレポリマー(d)とポリアミノ化合物(e)を反応させてポリウレタン樹脂を合成するときに、得られるポリウレタン樹脂の分子量を調整する為に反応停止剤を併用することができる。反応停止剤としては、ジ-n-ブチルアミン等のジアルキルアミン類、ジエタノールアミン等のジアルカノールアミン類や、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類が使用できる。 When synthesizing a polyurethane resin by reacting the urethane prepolymer (d) having an isocyanate group with the polyamino compound (e), a reaction terminator can be used in combination to adjust the molecular weight of the resulting polyurethane resin. As the reaction terminator, dialkylamines such as di-n-butylamine, dialkanolamines such as diethanolamine, and alcohols such as ethanol and isopropyl alcohol can be used.
イソシアネート基を有するウレタンプレポリマー(d)と、ポリアミノ化合物(e)、および必要に応じて反応停止剤を反応させる際の条件はとくに限定はないが、ウレタンプレポリマーの両末端に有する遊離のイソシアネート基を1当量とした場合、ポリアミノ化合物(e)および反応停止剤中のアミノ基の合計当量が0.5~1.3の範囲内であることが好ましい。更に好ましくは0.8~0.995の範囲内である。
ポリウレタン樹脂の重量平均分子量は、5000~200000の範囲が好ましい。
The conditions for reacting the urethane prepolymer (d) having an isocyanate group, the polyamino compound (e), and, if necessary, the reaction terminator are not particularly limited, but the free isocyanate possessed at both ends of the urethane prepolymer The total equivalent weight of the amino groups in the polyamino compound (e) and the reaction terminator is preferably in the range of 0.5 to 1.3 when the group is taken as 1 equivalent. More preferably, it is within the range of 0.8 to 0.995.
The weight average molecular weight of the polyurethane resin is preferably in the range of 5,000 to 200,000.
ポリウレタン樹脂の合成時には、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、グリコールエーテル系溶剤、脂肪族系溶剤、芳香族系溶剤、アルコール系溶剤、カーボネート系溶剤、水等から選ばれる一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。 When synthesizing polyurethane resin, one or two selected from ester-based solvents, ketone-based solvents, glycol ether-based solvents, aliphatic-based solvents, aromatic-based solvents, alcohol-based solvents, carbonate-based solvents, water, etc. Any combination of the above can be used.
<ポリアミド樹脂>
本発明に用いられるポリアミド樹脂とは、基本的に二塩基酸とジアミンの重縮合、アミノカルボン酸の重縮合、或いはラクタムの開環重合などの各種反応で得られるアミド結合を有する高分子の総称であり、各種の変性ポリアミドをはじめ、一部水素添加された反応物で製造されたもの、他のモノマーが一部共重合された製造物、或いは各種添加剤などの他の物質が混合されたものなどを含む広い概念である。
<Polyamide resin>
The polyamide resin used in the present invention is basically a general term for polymers having amide bonds obtained by various reactions such as polycondensation of dibasic acid and diamine, polycondensation of aminocarboxylic acid, or ring-opening polymerization of lactam. , including various modified polyamides, products made from partially hydrogenated reactants, products partially copolymerized with other monomers, or mixed with other substances such as various additives It is a broad concept that includes things.
本発明に用いられるポリアミド樹脂は上記のような条件が満たされれば特に限定されないが、ダイマー酸を主成分とする二塩基酸とポリアミン類とを縮合重合させて得られるダイマー酸変性ポリアミド樹脂が好ましい。ダイマー酸変性ポリアミド樹脂を製造する際のダイマー酸としては、トール油脂肪酸、大豆油脂肪酸などに含まれる天然の一塩基性不飽和脂肪酸を重合したダイマー酸が工業的に広く用いられるが、原理的には、飽和脂肪族、不飽和脂肪族、脂環式、或いは芳香族などの各種ジカルボン酸などであってもよい。
上記ダイマー酸以外に、適当な柔軟性を有するポリアミド樹脂にするため、二塩基酸として各種のジカルボン酸を用いることができる。
The polyamide resin used in the present invention is not particularly limited as long as the above conditions are satisfied, but a dimer acid-modified polyamide resin obtained by condensation polymerization of a dibasic acid containing dimer acid as a main component and polyamines is preferable. . Dimer acid obtained by polymerizing natural monobasic unsaturated fatty acids contained in tall oil fatty acid, soybean oil fatty acid, etc. is widely used industrially as the dimer acid for producing dimer acid-modified polyamide resin. may be saturated aliphatic, unsaturated aliphatic, alicyclic or aromatic dicarboxylic acids.
In addition to the above dimer acid, various dicarboxylic acids can be used as the dibasic acid in order to obtain a polyamide resin having suitable flexibility.
さらに、二塩基酸としてフェノール性水酸基を有するものも使用できる。フェノール性水酸基を有する二塩基酸を使用することによって、ポリアミド樹脂の側鎖にフェノール性水酸基を導入することができ、硬化剤との反応に利用することができる。 Further, a dibasic acid having a phenolic hydroxyl group can also be used. By using a dibasic acid having a phenolic hydroxyl group, a phenolic hydroxyl group can be introduced into the side chain of the polyamide resin and used for reaction with the curing agent.
さらに、加熱時に適当な流動性を有するポリアミド樹脂にするため、必要に応じて各種のモノカルボン酸を用いる。
上記ダイマー酸変性ポリアミド樹脂を製造する際の反応物としてのポリアミン類は、例えば、脂肪族、脂環式、芳香族などの各種ジアミン、トリアミン、ポリアミンなどである。
Furthermore, various monocarboxylic acids are used as necessary in order to obtain a polyamide resin having suitable fluidity when heated.
Examples of polyamines as reactants in producing the dimer acid-modified polyamide resin include various diamines such as aliphatic, alicyclic and aromatic diamines, triamines and polyamines.
<水系樹脂>
次に水系樹脂として用いる場合について説明する。水系樹脂は、水に溶解させて使用する水溶性樹脂や、水には不溶な樹脂微粒子を水中で分散させて使用する水性樹脂微粒子(一般的には水性エマルションと呼ばれる)が挙げられる。これらの樹脂は、1種または複数を組み合わせて使用することも出来る。
<Water-based resin>
Next, the case where it is used as a water-based resin will be described. Examples of water-based resins include water-soluble resins that are used by dissolving them in water, and water-based resin fine particles that are used by dispersing water-insoluble resin fine particles in water (generally called aqueous emulsions). These resins can also be used singly or in combination.
水溶性樹脂としては、上述の通り水溶性を示す樹脂であれば特に限定されるものではないが、例えば、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール誘導体、キサンタンガム誘導体、グァーガム誘導体、キトサン誘導体、セルロース誘導体、アルギン酸、アルギン酸誘導体、コーンスターチ誘導体等が挙げられる。また、水溶性であれば、これらの樹脂の変性物、混合物、又は共重合体でも良い。これら水溶性樹脂は、1種または複数を組み合わせて使用することも出来る。
水溶性樹脂の分子量は特に限定されないが、好ましくは重量平均分子量が5,000~2,500,000である。重量平均分子量(Mw)とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)におけるポリエチレンオキサイド換算分子量を示す。
The water-soluble resin is not particularly limited as long as it is a resin exhibiting water solubility as described above. Examples include acrylic resins, polyurethane resins, polyester resins, phenol resins, epoxy resins, polyvinyl alcohol derivatives, xanthan gum derivatives, Guar gum derivatives, chitosan derivatives, cellulose derivatives, alginic acid, alginic acid derivatives, cornstarch derivatives and the like. Modified products, mixtures, or copolymers of these resins may also be used as long as they are water-soluble. These water-soluble resins can also be used singly or in combination.
Although the molecular weight of the water-soluble resin is not particularly limited, it preferably has a weight average molecular weight of 5,000 to 2,500,000. A weight average molecular weight (Mw) indicates a polyethylene oxide equivalent molecular weight in gel permeation chromatography (GPC).
水性樹脂微粒子としては、(メタ)アクリル系エマルション、ニトリル系エマルション、ウレタン系エマルション、ジエン系エマルション(スチレン・ブタジエンゴム(SBR)など)、フッ素系エマルション(ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)など)等が挙げられる。水溶性高分子と異なり、エマルションは粒子間の結着性と柔軟性(膜の可とう性)に優れるものが好ましい。 Examples of aqueous resin fine particles include (meth)acrylic emulsions, nitrile emulsions, urethane emulsions, diene emulsions (styrene-butadiene rubber (SBR), etc.), fluorine emulsions (polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc.). Unlike water-soluble polymers, emulsions preferably have excellent adhesion between particles and excellent flexibility (flexibility of membranes).
(水性樹脂微粒子の粒子構造)
また、本発明に用いる水性樹脂微粒子の粒子構造は、多層構造、いわゆるコアシェル粒子にすることもできる。例えば、コア部、またはシェル部に官能基を有する単量体を主に重合させた樹脂を局在化させたり、コアとシェルによってTgや組成に差を設けたりすることにより、硬化性、乾燥性、成膜性、バインダーの機械強度を向上させることができる。
(Particle structure of aqueous resin fine particles)
Moreover, the particle structure of the aqueous resin fine particles used in the present invention can be a multi-layer structure, that is, a so-called core-shell particle. For example, by localizing a resin obtained by mainly polymerizing a monomer having a functional group in the core or shell, or by providing a difference in Tg or composition between the core and the shell, curability and drying can be improved. properties, film formability, and mechanical strength of the binder can be improved.
(水性樹脂微粒子の粒子径)
本発明に用いる水性樹脂微粒子の平均粒子径は、結着性や粒子の安定性の点から、10~500nmであることが好ましく、10~300nmであることがより好ましい。また、1μmを超えるような粗大粒子が多く含有されるようになると粒子の安定性が損なわれるので、1μmを超える粗大粒子は多くとも5%以下であることが好ましい。なお、本発明における平均粒子径とは、体積平均粒子径のことを表し、動的光散乱法により測定できる。
(Particle diameter of aqueous resin fine particles)
The average particle size of the aqueous resin fine particles used in the present invention is preferably 10 to 500 nm, more preferably 10 to 300 nm, from the viewpoint of binding properties and particle stability. Also, if a large amount of coarse particles exceeding 1 μm is contained, the stability of the particles is impaired, so the content of coarse particles exceeding 1 μm is preferably 5% or less. The average particle size in the present invention means volume average particle size, which can be measured by a dynamic light scattering method.
動的光散乱法による平均粒子径の測定は、以下のようにして行うことができる。架橋型樹脂微粒子分散液は固形分に応じて200~1000倍に水希釈しておく。該希釈液約5mlを測定装置[(株)日機装社製マイクロトラック]のセルに注入し、サンプルに応じた溶剤(本発明では水)および樹脂の屈折率条件を入力後、測定を行う。この時得られた体積粒子径分布データ(ヒストグラム)のピークを本発明の平均粒子径とする。 Measurement of the average particle size by the dynamic light scattering method can be performed as follows. The crosslinked resin fine particle dispersion is diluted with water 200 to 1000 times depending on the solid content. About 5 ml of the diluted solution is injected into a cell of a measuring device [Microtrac manufactured by Nikkiso Co., Ltd.], and the solvent (water in the present invention) and the refractive index conditions of the resin are input according to the sample, and then the measurement is performed. The peak of the volume particle size distribution data (histogram) obtained at this time is taken as the average particle size of the present invention.
<(メタ)アクリル系エマルション>
次に、(メタ)アクリル系エマルションについて説明する。(メタ)アクリル系エマルションとは、(メタ)アクリロイル基を有する単量体を10質量部以上含有する乳化重合物であり、好ましくは20質量部以上、更に好ましくは30質量部以上含有されているとよい。アクリロイル基を有する単量体は反応性に優れるため、樹脂微粒子を比較的容易に作製することができる。また、(メタ)アクリル系エマルションによるアノードは結着性に優れる。
<(Meth)acrylic emulsion>
Next, the (meth)acrylic emulsion will be described. The (meth)acrylic emulsion is an emulsion polymer containing 10 parts by mass or more, preferably 20 parts by mass or more, more preferably 30 parts by mass or more of a monomer having a (meth)acryloyl group. Good. Since a monomer having an acryloyl group is excellent in reactivity, resin fine particles can be produced relatively easily. In addition, the (meth)acrylic emulsion anode has excellent binding properties.
<本発明で好適に使用される(メタ)アクリル系エマルション中の架橋型樹脂微粒子の製造方法>
本発明で好適に使用される(メタ)アクリル系エマルション中の架橋型樹脂微粒子は、従来既知の乳化重合方法により合成される。
<Method for Producing Crosslinked Resin Fine Particles in (Meth)Acrylic Emulsion Suitable for Use in the Present Invention>
The crosslinkable resin fine particles in the (meth)acrylic emulsion suitably used in the present invention are synthesized by a conventionally known emulsion polymerization method.
<乳化重合で用いられる乳化剤>
本発明において乳化重合の際に用いられる乳化剤としては、エチレン性不飽和基を有する反応性乳化剤やエチレン性不飽和基を有しない非反応性乳化剤など、従来公知のものを任意に使用することができる。
<Emulsifier used in emulsion polymerization>
As the emulsifier used in emulsion polymerization in the present invention, conventionally known emulsifiers such as reactive emulsifiers having ethylenically unsaturated groups and non-reactive emulsifiers having no ethylenically unsaturated groups can be arbitrarily used. can.
<反応に用いられるその他の材料>
さらに必要に応じて、緩衝剤として、酢酸ナトリウム、クエン酸ナトリウム、重炭酸ナトリウムなどが、また、連鎖移動剤としてのオクチルメルカプタン、チオグリコール酸2-エチルヘキシル、チオグリコール酸オクチル、ステアリルメルカプタン、ラウリルメルカプタン、t-ドデシルメルカプタンなどのメルカプタン類が適量使用できる。
<Other materials used in the reaction>
Further, if necessary, buffering agents such as sodium acetate, sodium citrate, sodium bicarbonate, etc., and chain transfer agents such as octyl mercaptan, 2-ethylhexyl thioglycolate, octyl thioglycolate, stearyl mercaptan, lauryl mercaptan. , and t-dodecylmercaptan can be used in appropriate amounts.
本発明で好適に使用される(メタ)アクリル系エマルション中の架橋型樹脂微粒子の重合にカルボキシル基含有エチレン性不飽和単量体などの酸性官能基を有する単量体を使用した場合、重合前や重合後に塩基性化合物で中和することができる。中和する際、アンモニアもしくはトリメチルアミン、トリエチルアミン、ブチルアミンなどのアルキルアミン類;2-ジメチルアミノエタノール、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、アミノメチルプロパノールなどのアルコールアミン類;モルホリンなどの塩基で中和することができる。ただし、乾燥性に効果が高いのは揮発性の高い塩基であり、好ましい塩基はアミノメチルプロパノール、アンモニアである。 When a monomer having an acidic functional group such as a carboxyl group-containing ethylenically unsaturated monomer is used in the polymerization of the crosslinkable resin fine particles in the (meth)acrylic emulsion preferably used in the present invention, or can be neutralized with a basic compound after polymerization. When neutralizing, it can be neutralized with ammonia or alkylamines such as trimethylamine, triethylamine and butylamine; alcoholamines such as 2-dimethylaminoethanol, diethanolamine, triethanolamine and aminomethylpropanol; and bases such as morpholine. . However, highly volatile bases are highly effective for drying, and preferred bases are aminomethylpropanol and ammonia.
<溶剤>
次に、溶剤について説明する。バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物中の材料を均一に混合する場合、溶剤を適宜用いることが出来る。そのような溶剤としては、有機溶剤や水を挙げることが出来る。
有機溶剤としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、クメン等の芳香族類、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類などの内から触媒インキ組成物の組成に応じ適当なものが使用できる。また、溶剤は2種以上用いてもよい。
また、水を使用する場合は、例えば、触媒インキ組成物の分散性や基材への塗工性向上のために、水と相溶する液状媒体を使用しても良い。
水と相溶する液状媒体としては、アルコール類、グリコール類、セロソルブ類、アミノアルコール類、アミン類、ケトン類、カルボン酸アミド類、リン酸アミド類、スルホキシド類、カルボン酸エステル類、リン酸エステル類、エーテル類、ニトリル類等が挙げられ、水と相溶する範囲で使用しても良い。
<Solvent>
Next, the solvent will be explained. When uniformly mixing the materials in the catalyst ink composition for a biofuel cell anode, a solvent can be used as appropriate. Examples of such solvents include organic solvents and water.
Organic solvents include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol methyl ether and diethylene glycol methyl ether, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone and cyclohexanone, tetrahydrofuran, dioxane, ethylene glycol dimethyl ether and diethylene glycol dimethyl ether. and other ethers, hydrocarbons such as hexane, heptane and octane, aromatics such as benzene, toluene, xylene and cumene, and esters such as ethyl acetate and butyl acetate, depending on the composition of the catalyst ink composition. Any suitable one can be used. Moreover, you may use 2 or more types of solvents.
When water is used, for example, a liquid medium compatible with water may be used in order to improve the dispersibility of the catalyst ink composition and the coatability of the catalyst ink composition onto the substrate.
Liquid media compatible with water include alcohols, glycols, cellosolves, aminoalcohols, amines, ketones, carboxylic acid amides, phosphoric acid amides, sulfoxides, carboxylic acid esters, and phosphate esters. , ethers, nitriles, etc., and may be used as long as they are compatible with water.
更に、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物には、導電助剤、増粘剤、分散剤、成膜助剤、消泡剤、レベリング剤、防腐剤、pH調整剤などを必要に応じて配合できる。 Furthermore, the catalyst ink composition for the biofuel cell anode may optionally contain a conductive agent, a thickener, a dispersant, a film-forming agent, an antifoaming agent, a leveling agent, a preservative, a pH adjuster, and the like. can.
<バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物の調製方法>
バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物の調製方法に特に限定されるものではない。調製方法は、
(1)各成分を同時に分散しても良いし、
(2)炭素材料を溶剤中に分散後、他の材料を添加しても良いし、
(3)炭素材料とバインダー樹脂とを溶剤中に分散後、他の材料を添加しても良いし、
使用する炭素材料、バインダー樹脂、溶剤により選択することができる。
<Method for preparing catalyst ink composition for biofuel cell anode>
The method for preparing the catalyst ink composition for a biofuel cell anode is not particularly limited. The preparation method is
(1) each component may be dispersed at the same time,
(2) After dispersing the carbon material in the solvent, another material may be added,
(3) Other materials may be added after dispersing the carbon material and the binder resin in the solvent,
It can be selected according to the carbon material, binder resin, and solvent used.
<分散機・混合機>
バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物を得る際に用いられる装置としては、顔料分散等に通常用いられている分散機、混合機が使用できる。
<Disperser/Mixer>
Dispersers and mixers that are commonly used for dispersing pigments and the like can be used as apparatuses for obtaining the catalyst ink composition for biofuel cell anodes.
例えば、ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類;エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはPRIMIX社「フィルミックス」等のホモジナイザー類;ペイントコンディショナー(レッドデビル社製)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、若しくはコボールミル等のメディア型分散機;湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS-5」、若しくは奈良機械社製「MICROS」等のメディアレス分散機;または、その他ロールミル等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 For example, mixers such as Disper, Homomixer, or Planetary Mixer; Homogenizers such as M Technic's "Clairmix" or PRIMIX's "Filmix"; Paint conditioner (manufactured by Red Devil), ball mill, sand mill (“Dyno Mill” manufactured by Shinmaru Enterprises Co., Ltd.), Attritor, Pearl Mill (“DCP Mill” manufactured by Eirich Co., etc.), media-type dispersing machines such as coball mills; wet jet mills (“Genus PY” manufactured by Genus Co., Ltd., Sugino "Starburst" manufactured by Machine Co., Ltd., "Nanomizer" manufactured by Nanomizer, etc.), "Crea SS-5" manufactured by M Technic Co., Ltd., or "MICROS" manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. Medialess disperser; or other roll mills, etc. Examples include, but are not limited to.
例えば、メディア型分散機を使用する場合は、アジテーター及びベッセルがセラミック製又は樹脂製の分散機を使用する方法や、金属製アジテーター及びベッセル表面をタングステンカーバイド溶射や樹脂コーティング等の処理をした分散機を用いることが好ましい。そして、メディアとしては、ガラスビーズ、または、ジルコニアビーズ、若しくはアルミナビーズ等のセラミックビーズを用いることが好ましい。また、ロールミルを使用する場合についても、セラミック製ロールを用いることが好ましい。分散装置は、1種のみを使用しても良いし、複数種の装置を組み合わせて使用しても良い。また、強い衝撃で触媒担持炭素材料が割れやすいあるいは潰れやすい場合は、メディア型分散機よりは、ロールミルやホモジナイザー等のメディアレス分散機が好ましい。 For example, when using a media-type disperser, a disperser whose agitator and vessel are made of ceramic or resin, or a disperser whose metal agitator and vessel surface are treated with tungsten carbide spraying or resin coating. is preferably used. As media, it is preferable to use glass beads, zirconia beads, or ceramic beads such as alumina beads. Also when using a roll mill, it is preferable to use ceramic rolls. Only one type of dispersing device may be used, or a plurality of types of devices may be used in combination. When the catalyst-carrying carbon material is likely to crack or crush due to strong impact, a medialess disperser such as a roll mill or homogenizer is preferable to a media type disperser.
<バイオ燃料電池アノード>
バイオ燃料電池アノードは、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物を基材に塗布などして塗膜を形成させ作製することが出来る。
<Bio fuel cell anode>
A biofuel cell anode can be produced by coating a substrate with a catalyst ink composition for a biofuel cell anode to form a coating film.
<基材>
本発明のアノードで使用する基材としては、耐腐食性、電気伝導性に優れ、表面積が大きく、反応物及び生成物の拡散に優れるものが良く、材質や形状は特に限定されない。例えばグラファイトペーパー(カーボンペーパー)、グラファイトクロス(カーボンクロス)及びグラファイトフェルト(カーボンフェルト)等のカーボン材料の他、ステンレスメッシュ、銅メッシュや白金メッシュ等の金属材料を用いることができるが、この限りではない。電極に用いる導電性基材には、予め撥水処理しても良い。例えば、PTFEの分散液をカソードに含浸させ、乾燥後400℃前後で加熱することで撥水性が発現する。また、PTFE分散液には導電材を分散させても良い。なお、撥水処理はこれらに限定されるものではない。
<Base material>
As the base material used in the anode of the present invention, those having excellent corrosion resistance, excellent electrical conductivity, large surface area, and excellent diffusion of reactants and products are preferred, and the material and shape are not particularly limited. For example, in addition to carbon materials such as graphite paper (carbon paper), graphite cloth (carbon cloth) and graphite felt (carbon felt), metal materials such as stainless steel mesh, copper mesh and platinum mesh can be used, but as far as this Absent. The conductive base material used for the electrode may be subjected to a water-repellent treatment in advance. For example, the cathode is impregnated with a PTFE dispersion, dried, and then heated at around 400° C. to exhibit water repellency. Also, a conductive material may be dispersed in the PTFE dispersion. Note that the water-repellent treatment is not limited to these.
<塗工方法>
本発明のバイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物を基材に塗布する方法は、特に制限はなく公知の方法を用いることができる。例示すると、グラビアコーティング法、スプレーコーティング法、スクリーン印刷法、ディップコーティング法、ダイコーティング法、ロールコーティング法、ドクターコーティング法、ナイフコーティング法、スクリーン印刷法または静電塗装法等を挙げることができ、乾燥方法としては放置乾燥、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱機、遠赤外線加熱機等が使用できるが、特にこれらに限定されるものではない。
<Coating method>
The method of applying the catalyst ink composition for a biofuel cell anode of the present invention to a substrate is not particularly limited, and known methods can be used. Examples include gravure coating, spray coating, screen printing, dip coating, die coating, roll coating, doctor coating, knife coating, screen printing or electrostatic coating. As a drying method, drying by standing, a blow dryer, a hot air dryer, an infrared heater, a far-infrared heater, etc. can be used, but the method is not particularly limited to these.
<バイオ燃料電池デバイス>
本発明のバイオ燃料電池デバイスは、前記バイオ燃料電池アノードと、バイオ燃料電池カソードと、還元性有機物を含む燃料とを含んでなる。必要に応じて、セパレーター、イオン伝導体を含んでいてもよい。
<Bio fuel cell device>
The biofuel cell device of the present invention comprises the biofuel cell anode, the biofuel cell cathode, and a fuel containing reducing organic matter. A separator and an ionic conductor may be included as necessary.
<バイオ燃料電池カソード>
バイオ燃料電池カソードは、酸素還元触媒を用いる以外には、従来公知の方法や前記アノードと同様の材料構成およびプロセスで作製することが出来る。
酸素還元触媒は、バイオ燃料電池カソードに用いられる公知の触媒を使用することができる。
<Biofuel cell cathode>
The biofuel cell cathode can be produced by a conventionally known method or the same material composition and process as those of the anode, except that an oxygen reduction catalyst is used.
As the oxygen reduction catalyst, a known catalyst used in biofuel cell cathodes can be used.
<燃料>
本発明のバイオ燃料電池に用いられる燃料は、電極上で直接酸化可能な1種類以上の還元性有機物を含む。アスコルビン酸、アスコルビン酸誘導体、エリソルビン酸、エリソルビン酸誘導体、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド誘導体、ニコチンアミドアデニンジヌクレオリン酸、クエン酸、酒石酸等が例示できる。ここで、誘導体とは、酸エステル、酸アミドなどのアルコールやアミンとの縮合物のほか、アルキル基などの置換基で置換したものを含む。
中でもアスコルビン酸、エリソルビン酸、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオリン酸、およびそれらの誘導体は好ましく、更にアスコルビン酸は好ましい。
<Fuel>
The fuel used in the biofuel cell of the present invention contains one or more reducible organics that are directly oxidizable on the electrode. Examples include ascorbic acid, ascorbic acid derivatives, erythorbic acid, erythorbic acid derivatives, nicotinamide adenine dinucleotide, nicotinamide adenine dinucleotide derivatives, nicotinamide adenine dinucleolin acid, citric acid, tartaric acid and the like. Here, the derivatives include condensates with alcohols and amines such as acid esters and acid amides, as well as those substituted with substituents such as alkyl groups.
Among them, ascorbic acid, erythorbic acid, nicotinamide adenine dinucleotide, nicotinamide adenine dinucleophosphate, and derivatives thereof are preferred, and ascorbic acid is more preferred.
<セパレーター>
セパレーターとしては、カソードとアノードを電気的に分離できる(短絡の防止)ものであれば、特に限定されず従来公知の材料を用いる事ができる。具体的には、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ガラス繊維、樹脂不織布、ガラス不織布、フェルト、濾紙、和紙等を用いることができる。また、カソードとアノードが十分な距離を保ち接触による短絡が無い構造を取るならば、セパレーターを用いなくてもよい。
<Separator>
The separator is not particularly limited as long as it can electrically separate the cathode and the anode (prevention of short circuit), and conventionally known materials can be used. Specifically, polyethylene fiber, polypropylene fiber, glass fiber, resin nonwoven fabric, glass nonwoven fabric, felt, filter paper, Japanese paper, and the like can be used. Also, if the cathode and the anode maintain a sufficient distance and take a structure that does not cause a short circuit due to contact, the separator may not be used.
<イオン伝導体>
本発明におけるイオン伝導体はアノードとカソードの間でイオンの伝導を行うものである。イオン伝導体の形態はイオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではない。イオン伝導体としては例えば、リン酸緩衝液などの液体に電解質が溶けている電解液や、固体のポリマー電解質などを使用しても良い。固体のポリマー電解質はセパレーター機能も兼ねる場合もある。
<Ionic conductor>
The ionic conductor in the present invention conducts ions between the anode and the cathode. The form of the ionic conductor is not particularly limited as long as it has ionic conductivity. As the ionic conductor, for example, an electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in a liquid such as a phosphate buffer, or a solid polymer electrolyte may be used. A solid polymer electrolyte may also serve as a separator.
<バイオ燃料電池デバイスの用途>
本発明における還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池デバイスは前述の様に、発電した電力を用いた電源、電源とセンサーを兼ねる自己発電型センサー、有機物センサーや水分センサー等として機能し、これらは様々な用途での利用が見込まれる。使い方としては、電源として別方式の電池(コイン電池など)、センサーとして本発明の還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池デバイスを利用したり、電源及びセンサーに本発明の還元性有機物を燃料とする燃料電池デバイスを1種類以上利用したり、電源として本発明の還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池デバイス、センサーとして別方式のセンサーを利用したりすることができる。
<Uses of biofuel cell devices>
As described above, the biofuel cell device using a reducing organic substance as a fuel in the present invention functions as a power source using the generated power, a self-powered sensor that serves as both a power source and a sensor, an organic substance sensor, a moisture sensor, etc. It is expected to be used for various purposes. As for usage, a battery of another type (coin battery, etc.) is used as a power source, a biofuel cell device using the reducing organic substance of the present invention as a fuel is used as a sensor, or the reducing organic substance of the present invention is used as a power source and a sensor. It is also possible to use one or more types of fuel cell devices, or a biofuel cell device using the reducing organic substance of the present invention as a power source and a sensor of another type as a sensor.
本発明における還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池の電源用途としては、例えば、家庭用電源、モバイル機器用の電源、使い捨て電源、生体用ウェアラブル電源・インプラント電源、バイオマス燃料用電源、IoTセンサー用電源、周囲の還元性有機物を燃料として発電できる環境発電(エネルギーハーベスト)電源などが挙げられる。 Examples of power applications of biofuel cells using reducing organic matter as fuel in the present invention include household power sources, power sources for mobile devices, disposable power sources, wearable power sources/implant power sources for living organisms, power sources for biomass fuels, and IoT sensors. Examples include a power source, an energy harvesting power source that can generate power using the surrounding reducing organic matter as fuel, and the like.
センサーの用途としては、例えば、還元性有機物を対象とした有機物センサー、血液や汗、尿、便、涙、唾液、呼気などの生体試料中の還元性有機物や体液を対象とした生体センサー、水分を対象にした水分センサー、果物や食品中の還元性有機物を対象にした食品用センサー、IoTセンサー、大気や河川、土壌など環境中の還元性有機物を対象にした環境センサー、動物や昆虫、植物を対象にした動植物センサー等が挙げられ、上記は電源とセンサーを兼ねる自己発電型センサーであっても良いし、電源としては利用しないセンサーとしての利用だけでも良い。生体センサーとしては、例えば、汗や尿中の水分をセンシングする発汗センサーや排尿センサー等が挙げられる。また、生体向けのウェアラブルセンサーとしての用途として例えば、おむつ内にセンサーを仕込んだ排尿センサーや肌貼付型の発汗センサーなどが挙げられる。 Sensor applications include, for example, organic sensors for reducing organic substances, biosensors for reducing organic substances in biological samples such as blood, sweat, urine, feces, tears, saliva, and exhaled breath, and body fluids. Moisture sensor for food, food sensor for reducing organic matter in fruits and food, IoT sensor, environmental sensor for reducing organic matter in the environment such as air, rivers, soil, animals, insects, plants The above may be a self-powered sensor that serves as both a power source and a sensor, or may be used only as a sensor that does not use it as a power source. Examples of biosensors include perspiration sensors and urination sensors that sense moisture in sweat and urine. Also, examples of applications as wearable sensors for living organisms include urination sensors in which sensors are embedded in diapers and skin-attached perspiration sensors.
IoTセンサーとしては、無線機とセンサーを組み合わせ、センシング情報をワイヤレスで外部に送信する使い方ができる。その場合、本発明の還元性有機物を燃料とする燃料電池デバイスを好適に使用することができる。 As an IoT sensor, it can be used by combining a wireless device and a sensor to wirelessly transmit sensing information to the outside. In that case, a fuel cell device using the reducing organic substance of the present invention as a fuel can be suitably used.
例えば、無線機の電源及びセンサーとして還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池デバイスを利用したり、無線機の電源に還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池デバイス、センサーとして別の還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池デバイスを利用したり、無線機の電源に還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池デバイス、センサーとして別方式のセンサーを利用したり、無線機及びセンサーの電源に1種以上の還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池デバイス、センサーとして別方式のセンサーを利用したり、無線機の電源に別方式の電池(コイン電池など)、センサーとして還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池デバイスを利用したりすることができる。 For example, using a biofuel cell device using reducing organic matter as fuel for the power source and sensor of a wireless device, or using a biofuel cell device using reducing organic matter as fuel for the power source of a wireless device and another reducing organic matter as a sensor. Using a biofuel cell device as fuel, using a biofuel cell device using reducing organic matter as a power source for a wireless device, using a different type of sensor as a sensor, or using one or more types of power sources for wireless devices and sensors A biofuel cell device using reducing organic matter as fuel, using a different type of sensor as a sensor, or using a different type of battery (coin battery, etc.) for the power supply of a wireless device, biofuel using reducing organic matter as a sensor A battery device can be used.
上記のIoTセンサーをおむつ用の生体センサーとして利用する場合は、おむつ内に還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池デバイスを仕込み、例えば下記の様な使い方が出来る。排尿センサーの場合、予め燃料を内蔵し尿中の水分をセンシング対象とし、また同時に水分を利用し発電し得られた電力で無線機を作動したり、予め燃料を内蔵し尿中の水分を利用し発電し得られた電力で無線機及び別方式の排尿センサーを作動したり、予め燃料を内蔵し尿中の水分をセンシング対象とし、別方式の電池(コイン電池など)の電力で無線機を作動したりできる。 When the above IoT sensor is used as a biosensor for diapers, a biofuel cell device that uses reducing organic matter as a fuel is installed in the diaper, and the following uses are possible. In the case of a urination sensor, fuel is built in beforehand and moisture in urine is used as a sensing target. With the power obtained, the wireless device and another type of urination sensor are operated, or the moisture in the urine is detected by incorporating fuel in advance, and the wireless device is operated with the power of another type of battery (coin battery, etc.). can.
以下、実施例により、本発明をより詳細に説明する。なお、部、%は、特に断らない限り、質量部、質量%を表し、Mwはポリスチレン換算の重量平均分子量を意味する。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. Unless otherwise specified, parts and % represent parts by mass and % by mass, and Mw means weight average molecular weight in terms of polystyrene.
<合成例(1)バインダー樹脂溶液>
攪拌機、温度計、還流冷却器、滴下装置、窒素導入管を備えた反応容器に、テレフタル酸とアジピン酸と3-メチル-1,5-ペンタンジオールとから得られるポリエステルポリオール((株)クラレ製「クラレポリオールP-2011」、Mn=2011)455.5部、ジメチロールブタン酸16.5部、イソホロンジイソシアネート105.2部、トルエン140部を仕込み、窒素雰囲気下90℃3時間反応させ、これにトルエン360部を加えてイソシアネート基を有するウレタンプレポリマー溶液を得た。次に、イソホロンジアミン19.9部、ジ-n-ブチルアミン0.63部、2-プロパノール294.5部、トルエン335.5部を混合したものに、得られたイソシアネート基を有するウレタンプレポリマー溶液969.5部を添加し、50℃で3時間続いて70℃2時間反応させ、トルエン126部、2-プロパノール54部で希釈し、Mw=61,000、酸価=10mgKOH/g、ウレタンプレポリマーの両末端に有する遊離のイソシアネート基に対してポリアミノ化合物および反応停止剤中のアミノ基の合計当量は0.98である、ポリウレタン樹脂溶液を得た。この溶液をトルエン/メチルエチルケトン/2-プロパノール(1/1/1)で希釈して固形分20%のバインダー樹脂(1)の溶液を得た。
<Synthesis Example (1) Binder Resin Solution>
Polyester polyol obtained from terephthalic acid, adipic acid and 3-methyl-1,5-pentanediol (manufactured by Kuraray Co., Ltd. 455.5 parts of "Kuraray Polyol P-2011", Mn = 2011), 16.5 parts of dimethylolbutanoic acid, 105.2 parts of isophorone diisocyanate, and 140 parts of toluene are charged and reacted at 90°C for 3 hours in a nitrogen atmosphere. 360 parts of toluene was added to obtain a urethane prepolymer solution having an isocyanate group. Next, 19.9 parts of isophoronediamine, 0.63 parts of di-n-butylamine, 294.5 parts of 2-propanol, and 335.5 parts of toluene were mixed, and the resulting urethane prepolymer solution having an isocyanate group was obtained. 969.5 parts was added, reacted at 50° C. for 3 hours and then at 70° C. for 2 hours, diluted with 126 parts of toluene and 54 parts of 2-propanol, Mw = 61,000, acid value = 10 mgKOH/g, urethane pre- A polyurethane resin solution was obtained in which the total equivalent weight of the amino groups in the polyamino compound and the reaction terminator was 0.98 with respect to the free isocyanate groups at both ends of the polymer. This solution was diluted with toluene/methyl ethyl ketone/2-propanol (1/1/1) to obtain a solution of binder resin (1) having a solid content of 20%.
<バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料>
[実施例A1]
グラフェンナノプレートレットxGnP-C-750(XGscience社製)を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にてアンモニア雰囲気下、1000℃で2時間熱処理を行い、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(1)を得た。
<Catalyst ink material for biofuel cell anode>
[Example A1]
Graphene nanoplatelets xGnP-C-750 (manufactured by XGscience) are filled in an alumina crucible and heat treated at 1000 ° C. for 2 hours in an ammonia atmosphere in an electric furnace to obtain a catalyst ink material for a biofuel cell anode (1 ).
[実施例A2]
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物5部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレットxGnP-C-750(XGscience社製)5部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(2)を得た。
[Example A2]
After preparing a uniform aqueous solution by weighing 90 parts of ion-exchanged water and 5 parts of iron (II) chloride tetrahydrate in a glass bottle, add 5 parts of graphene nanoplatelet xGnP-C-750 (manufactured by XGscience), and further. After adding zirconia beads as a medium, they were dispersed with a paint shaker (manufactured by Mitsuwa Tech Co., Ltd.: Scandex SK450) to obtain a precursor mixed paste. This precursor mixed paste was distilled off under reduced pressure using a rotary evaporator, and the obtained solid content was finely pulverized using a mortar to obtain a uniform precursor powder. The obtained precursor powder was filled in an alumina crucible and heat treated at 800° C. for 2 hours in an electric furnace under a nitrogen atmosphere to obtain a biofuel cell anode catalyst ink material (2).
[実施例A3]
ケッチェンブラックEC-600JD(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製)とコバルトフタロシアニン(東京化成社製)を、質量比1/0.75(ケッチェンブラック/コバルトフタロシアニン)となるようにそれぞれ秤量し、乾式混合を行い、混合物を得た。上記混合物を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(3)を得た。
[Example A3]
Ketjenblack EC-600JD (manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd.) and cobalt phthalocyanine (manufactured by Tokyo Kasei Co., Ltd.) were weighed so that the mass ratio was 1/0.75 (Ketjenblack/cobalt phthalocyanine), respectively, and dried. Mixing was performed to obtain a mixture. The mixture was filled in an alumina crucible and heat-treated at 800° C. for 2 hours in an electric furnace in a nitrogen atmosphere to obtain a biofuel cell anode catalyst ink material (3).
[実施例A4]
フェノール樹脂(群栄化学社製 PSM-4326)と鉄フタロシアニン P-26(山陽色素社製)を質量比3.3:1で秤量し、アセトン中で湿式混合した。上記混合物を減圧留去した後、乳鉢で粉砕し、前駆体とした。上記前駆体粉末をアルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、600℃で2時間熱処理を行い、炭素焼結体(1)を得た。上記炭素焼結体(1)を濃塩酸中でリスラリーし、静置させ、炭素焼結体(1)沈殿後、上澄み液を除去した。上記操作を上澄みの着色がなくなるまで、繰り返し行い、ろ過、水洗、乾燥した後、乳鉢で粉砕し、アルミナ製るつぼに充填、電気炉にてアンモニア雰囲気下、800℃で1時間熱処理し、炭素焼結体(2)を得た。上記炭素焼結体(2)を濃塩酸中でリスラリーし、静置させ、炭素焼結体沈殿後、上澄み液を除去した。上記操作を上澄みの着色がなくなるまで、繰り返し行った後、ろ過、水洗、乾燥し、乳鉢で粉砕し、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(4)を得た。
[Example A4]
A phenolic resin (PSM-4326 manufactured by Gunei Chemical Co., Ltd.) and iron phthalocyanine P-26 (manufactured by Sanyo Color Co., Ltd.) were weighed at a mass ratio of 3.3:1 and wet-mixed in acetone. After distilling off the above mixture under reduced pressure, the residue was pulverized in a mortar to obtain a precursor. The above precursor powder was filled in an alumina crucible and heat treated at 600° C. for 2 hours in an electric furnace in a nitrogen atmosphere to obtain a carbon sintered body (1). The carbon sintered body (1) was reslurried in concentrated hydrochloric acid and allowed to stand. After the carbon sintered body (1) precipitated, the supernatant liquid was removed. The above operation is repeated until the supernatant is no longer colored, filtered, washed with water, dried, pulverized in a mortar, filled in an alumina crucible, heat treated in an electric furnace at 800 ° C. for 1 hour in an ammonia atmosphere, and charcoal fired. Result (2) was obtained. The carbon sintered body (2) was reslurried in concentrated hydrochloric acid and allowed to stand. After the carbon sintered body precipitated, the supernatant liquid was removed. After repeating the above operation until the coloration of the supernatant disappeared, it was filtered, washed with water, dried and pulverized in a mortar to obtain a biofuel cell anode catalyst ink material (4).
[実施例A5]
ポリビニルピリジン(アルドリッチ社製)をジメチルホルムアミドに溶解させ、ポリビニルピリジンに対して質量比4:1の塩化鉄六水和物を加え、室温で24時間攪拌し、ポリビニルピリジン鉄錯体を得た。上記ポリビニルピリジン鉄錯体を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、得られた炭化物を乳鉢にて粉砕し、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(5)を得た。
[Example A5]
Polyvinylpyridine (manufactured by Aldrich) was dissolved in dimethylformamide, iron chloride hexahydrate was added in a mass ratio of 4:1 to polyvinylpyridine, and the mixture was stirred at room temperature for 24 hours to obtain a polyvinylpyridine iron complex. The above polyvinylpyridine iron complex is filled in an alumina crucible and heat-treated at 800° C. for 2 hours in an electric furnace under a nitrogen atmosphere. (5) was obtained.
[実施例A6]
グラフェンナノプレートレットxGnP-C-750(XGscience社製)と鉄フタロシアニン P-26(山陽色素社製)を、質量比1/0.75(グラフェンナノプレートレット/鉄フタロシアニン)となるようにそれぞれ秤量し、乾式混合を行い、混合物を得た。上記混合物を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(6)を得た。
[Example A6]
Graphene nanoplatelets xGnP-C-750 (manufactured by XGscience) and iron phthalocyanine P-26 (manufactured by Sanyo Color Co., Ltd.) were weighed so that the mass ratio was 1/0.75 (graphene nanoplatelets/iron phthalocyanine). and dry-blended to obtain a mixture. The above mixture was filled in an alumina crucible and heat-treated at 800° C. for 2 hours in an electric furnace under a nitrogen atmosphere to obtain a biofuel cell anode catalyst ink material (6).
[実施例A7]
カーボンナノチューブVGCF-H(昭和電工社製)とコバルトフタロシアニン(東京化成社製)を、質量比1/0.1(カーボンナノチューブ/コバルトフタロシアニン)となるようにそれぞれ秤量し、乾式混合を行い、混合物を得た。上記混合物を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(7)を得た。
[Example A7]
Carbon nanotubes VGCF-H (manufactured by Showa Denko KK) and cobalt phthalocyanine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were weighed so that the mass ratio was 1/0.1 (carbon nanotubes/cobalt phthalocyanine), and dry-mixed to form a mixture. got The mixture was filled in an alumina crucible and heat-treated at 800° C. for 2 hours in an electric furnace in a nitrogen atmosphere to obtain a biofuel cell anode catalyst ink material (7).
[実施例A8]
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物3.4部、フタロシアニン(東京化成社製)0.2部を秤量し均一な水溶液を作製後、グラフェンナノプレートレットxGnP-C-750(XGscience社製)6.4部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(8)を得た。
[Example A8]
90 parts of ion-exchanged water, 3.4 parts of iron (II) chloride tetrahydrate, and 0.2 parts of phthalocyanine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were weighed into a glass bottle to prepare a uniform aqueous solution, and then graphene nanoplatelets xGnP- After adding 6.4 parts of C-750 (manufactured by XGscience) and further adding zirconia beads as media, the mixture was dispersed with a paint shaker (manufactured by Mitsuwa Tech Co., Ltd.: Scandex SK450) to obtain a precursor mixed paste. This precursor mixed paste was distilled off under reduced pressure using a rotary evaporator, and the obtained solid content was finely pulverized using a mortar to obtain a uniform precursor powder. The obtained precursor powder was filled in an alumina crucible and heat treated at 800° C. for 2 hours in an electric furnace under a nitrogen atmosphere to obtain a biofuel cell anode catalyst ink material (8).
[実施例A9]
ガラス瓶にイオン交換水90部と、塩化鉄(II)四水和物1.5部、フタロシアニン(東京化成社製)1.5部を秤量し均一な水溶液を作製後、アセチレンブラックHS-100(デンカ社製)7部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントシェーカー(ミツワテック社製:スキャンデックス SK450)で分散し、前駆体混合ペーストを得た。この前駆体混合ペーストをロータリーエバポレータにて減圧留去し、得られた固形分を乳鉢で細かく粉砕し、均一な前駆体粉末を得た。得られた前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(9)を得た。
[Example A9]
90 parts of ion-exchanged water, 1.5 parts of iron (II) chloride tetrahydrate, and 1.5 parts of phthalocyanine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were weighed into a glass bottle to prepare a uniform aqueous solution, followed by acetylene black HS-100 ( Denka Co., Ltd.) was added, and zirconia beads were added as media, followed by dispersion with a paint shaker (Mitsuwatec Co., Ltd.: Scandex SK450) to obtain a precursor mixed paste. This precursor mixed paste was distilled off under reduced pressure using a rotary evaporator, and the obtained solid content was finely pulverized using a mortar to obtain a uniform precursor powder. The obtained precursor powder was filled in an alumina crucible and heat-treated at 800° C. for 2 hours in an electric furnace under a nitrogen atmosphere to obtain a biofuel cell anode catalyst ink material (9).
[実施例A10]
多孔質炭素クノーベルMJ(4)150(東洋炭素社製)と銅フタロシアニン誘導体SOLSPERSE12000(日本ルーブリゾール社製)を、質量比1/1(クノーベル/銅フタロシアニン)となるようにそれぞれ秤量し、乾式混合を行い、混合物を得た。上記混合物を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(10)を得た。
[Example A10]
Porous carbon Knobel MJ (4) 150 (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) and copper phthalocyanine derivative SOLSPERSE 12000 (manufactured by Nippon Lubrizol Co., Ltd.) were weighed so that the mass ratio was 1/1 (Cnobel / copper phthalocyanine), and dry mixed. to obtain a mixture. The above mixture was filled in an alumina crucible and heat-treated at 800° C. for 2 hours in an electric furnace in a nitrogen atmosphere to obtain a biofuel cell anode catalyst ink material (10).
上述のバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料の分析は、以下の測定機器を使用した。その結果を表1に示す。
・BET比表面積の測定:窒素吸着量測定(日本ベル社製 BELSORP-mini)
・RC、RN、RM:CHN元素分析(パーキンエルマー社製 2400型CHN元素分析装置)、ICP発光分光分析(SPECTRO社製 SPECTROARCOS FHS12)
また、CuKα線をX線源として得られるX線回折(XRD)測定により、バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(1)~(10)が炭素六角網面の基本骨格を有することを確認した。
The analysis of the catalyst ink material for the biofuel cell anode described above used the following measurement equipment. Table 1 shows the results.
・ Measurement of BET specific surface area: Measurement of nitrogen adsorption amount (BELSORP-mini manufactured by Bell Japan)
- RC , RN, RM: CHN elemental analysis (2400 model CHN elemental analyzer manufactured by PerkinElmer), ICP emission spectroscopic analysis ( SPECTROARCOS FHS12 manufactured by SPECTRO)
In addition, it was confirmed by X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα rays as an X-ray source that the catalyst ink materials (1) to (10) for a biofuel cell anode had a basic skeleton of a carbon hexagonal mesh plane.
<還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物の調製>
[実施例B1]
バイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料(1)60部、バインダー樹脂としてエマルション型アクリル樹脂分散溶液(トーヨーケム社製:W-168)40部(固形分50%)、溶剤として水380部、更に増粘剤としてカルボキシメチルセルロース水溶液20部をミキサーに入れて混合し、更にサンドミルに入れて分散して還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物(1)を得た。
<Preparation of catalyst ink composition for biofuel cell anode using reducing organic matter as fuel>
[Example B1]
60 parts of catalyst ink material (1) for biofuel cell anode, 40 parts of emulsion-type acrylic resin dispersion solution (Toyochem: W-168) as binder resin (solid content: 50%), 380 parts of water as solvent, further thickening As an agent, 20 parts of an aqueous carboxymethyl cellulose solution was added to a mixer, mixed, and dispersed in a sand mill to obtain a biofuel cell anode catalyst ink composition (1) using a reducing organic substance as a fuel.
[実施例B2~B10、比較例B1~B3]
表2に示す材料を用いて実施例B1と同様の方法で、還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物(2)~(10)、(I)~(III)を得た。
[Examples B2 to B10, Comparative Examples B1 to B3]
Using the materials shown in Table 2, in the same manner as in Example B1, biofuel cell anode catalyst ink compositions (2) to (10) and (I) to (III) using reducing organic matter as fuel were obtained. rice field.
<還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノードの作製>
[実施例C1~C10、比較例C1~C3]
実施例B1~B10、比較例B1~B3の還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノード用触媒インキ組成物(1)~(10)、(I)~(III)を、ドクターブレードにより、乾燥後の還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノード触媒層の目付け量が1.5mg/cm2となるように、導電性基材(カーボンペーパー、東レ社製)上に塗布し、100℃オーブン中で、1時間乾燥し、還元性有機物を燃料とするバイオ燃料アノード(1)~(10)、(I)~(III)を作製した。
<Preparation of biofuel cell anode using reducing organic matter as fuel>
[Examples C1 to C10, Comparative Examples C1 to C3]
The biofuel cell anode catalyst ink compositions (1) to (10) and (I) to (III) of Examples B1 to B10 and Comparative Examples B1 to B3 using reducing organic matter as fuel were dried with a doctor blade. It is coated on a conductive substrate (carbon paper, manufactured by Toray Industries, Inc.) so that the basis weight of the subsequent biofuel cell anode catalyst layer using reducing organic matter as fuel is 1.5 mg/cm 2 , and the catalyst is heated in an oven at 100°C. After drying for 1 hour, biofuel anodes (1) to (10) and (I) to (III) using reducing organic matter as fuel were produced.
<還元性有機物(アスコルビン酸)を燃料とするバイオ燃料電池アノードの発電特性評価>
作用極に表3に示す前記で作製した還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池用アノード、対極に白金線コイル、参照極にAg/AgCl電極、還元性有機物燃料であるアスコルビン酸が10mMとなるように添加した100mMリン酸緩衝液(pH7.0)を電解液として電気化学セルを作製した。次に、ポテンショ・ガルバノスタットを用いて、室温下で、測定電位-0.1~+0.1Vの範囲でLinear Sweep Voltammetry(LSV)測定を行い、測定電位+0.1Vにおける電流(μA/cm2)を算出した。評価結果を表3に示す。
<Evaluation of power generation characteristics of biofuel cell anode using reducing organic matter (ascorbic acid) as fuel>
A biofuel cell anode using the reducing organic substance prepared above shown in Table 3 as a working electrode, a platinum wire coil as a counter electrode, an Ag/AgCl electrode as a reference electrode, and ascorbic acid as a reducing organic fuel is 10 mM. An electrochemical cell was produced using a 100 mM phosphate buffer (pH 7.0) added as an electrolyte. Next, using a potentio-galvanostat, at room temperature, Linear Sweep Voltammetry (LSV) measurement is performed in the range of measurement potential -0.1 to +0.1 V, and the current (μA/cm 2 ) was calculated. Table 3 shows the evaluation results.
<還元性有機物(アスコルビン酸)を燃料とするバイオ燃料電池カソードの作製>
実施例B1のバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料をケッチェンブラックEC-600JD(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製に変更した以外は、実施例B1と同様の方法でバイオ燃料電池カソード用触媒インキを作製し、実施例C1と同様の方法でバイオ燃料電池用カソードを作製した。
<Preparation of biofuel cell cathode using reducing organic matter (ascorbic acid) as fuel>
A catalyst ink for a biofuel cell cathode was produced in the same manner as in Example B1, except that the catalyst ink material for the biofuel cell anode in Example B1 was changed to Ketjenblack EC-600JD (manufactured by Lion Specialty Chemicals). Then, a biofuel cell cathode was produced in the same manner as in Example C1.
<還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池の作製>
[実施例D1~D10、比較例D1~D3]
上記で作製したバイオ燃料電池カソード、バイオ燃料電池アノードと、還元性有機物燃料であるアスコルビン酸が10mMとなるように添加した100mMリン酸緩衝液(pH7.0)を電解液としてろ紙に浸み込ませたセパレーターをカソードとアノードの間に挟んで還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池(1)~(10)、(I)~(III)を作製し、室温下でLSV測定により出力特性を評価した。出力特性は、LSV測定から算出した比較例1の最大出力に対する各実施例における最大出力の百分率(%)で比較し、以下の基準で評価した。
◎:比較例1に対する最大出力の百分率が300%以上。
〇:比較例1に対する最大出力の百分率が200%以上、300%未満。
○△:比較例1に対する最大出力の百分率が150%以上、200%未満。
△:比較例1に対する最大出力の百分率が100%以上150%未満。
×:比較例1に対する最大出力の百分率が100%未満。
<Preparation of biofuel cell using reducing organic matter as fuel>
[Examples D1 to D10, Comparative Examples D1 to D3]
The biofuel cell cathode and biofuel cell anode prepared above, and the 100 mM phosphate buffer (pH 7.0) to which ascorbic acid, which is a reducing organic fuel, was added so as to be 10 mM were soaked into the filter paper as an electrolyte. Biofuel cells (1) to (10) and (I) to (III) using reducing organic matter as fuel are produced by sandwiching a separator between the cathode and the anode, and the output characteristics are measured by LSV measurement at room temperature. evaluated. The output characteristics were compared by the percentage (%) of the maximum output in each example with respect to the maximum output in Comparative Example 1 calculated from the LSV measurement, and evaluated according to the following criteria.
A: Percentage of maximum output relative to Comparative Example 1 is 300% or more.
◯: Percentage of maximum output relative to Comparative Example 1 is 200% or more and less than 300%.
◯Δ: Percentage of maximum output relative to Comparative Example 1 is 150% or more and less than 200%.
Δ: Percentage of maximum output relative to Comparative Example 1 is 100% or more and less than 150%.
x: Percentage of maximum output relative to Comparative Example 1 is less than 100%.
実施例C1~C10の結果から、比較例に対して良好な出力特性を示すことが明らかとなったため、本発明のバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料を用いたバイオ燃料電池アノードは、還元性有機物に対して良好な触媒特性を実現出来たものと考えられる。
一方、実施例D1~D10の結果からも、比較例に対して良好な出力特性を示すバイオ燃料電池として作動することも明らかとなった。
From the results of Examples C1 to C10, it was clarified that good output characteristics were exhibited compared to the comparative examples. It is thought that good catalytic properties could be realized for
On the other hand, from the results of Examples D1 to D10, it was also revealed that they operate as biofuel cells exhibiting better output characteristics than those of Comparative Examples.
Claims (5)
前記炭素材料は、構成元素としてヘテロ元素及び/又は卑金属元素を含み、前記ヘテロ元素が炭素骨格内の炭素元素の少なくとも一部を置換するようにドープされていることを特徴とする、還元性有機物を燃料とするバイオ燃料電池アノード用触媒インキ材料。 A catalyst ink material for a fuel cell anode, which is made of a carbon material having a carbon hexagonal mesh plane as a basic skeleton and uses a reducing organic substance as a fuel,
The carbon material contains a hetero element and/or a base metal element as a constituent element, and is doped so that at least part of the carbon element in the carbon skeleton is substituted with the hetero element. A reducing organic substance. catalyst ink material for biofuel cell anodes fueled by
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