JP7759782B2 - Method for manufacturing template carbon material, method for manufacturing catalyst, method for manufacturing catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell, and method for manufacturing fuel cell - Google Patents
Method for manufacturing template carbon material, method for manufacturing catalyst, method for manufacturing catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell, and method for manufacturing fuel cellInfo
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Description
本開示は、鋳型炭素材料の製造方法、触媒の製造方法、固体高分子形燃料電池用触媒層の製造方法、及び燃料電池の製造方法に関する。 This disclosure relates to a method for producing a template carbon material, a method for producing a catalyst, a method for producing a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing a fuel cell.
鋳型炭素材料は、鋳型となる化合物の表面に炭素を被覆した後に、鋳型成分を除去することで、鋳型の形状を反転することを形状的特徴とする炭素材料である。
鋳型炭素材料の製造方法は、例えば、ポリビニルアルコールに代表される汎用樹脂を炭素源とし、酸化マグネシウムに代表されるアルカリ土類金属の化合物を鋳型源とし、各々を十分に混合し、非酸化性雰囲気で600℃~1500℃で熱処理した後に、鋳型源を酸で溶解除去するなど、何らかの方法で、炭素源を炭化すると共に鋳型源を除去するというプロセスである。
酸化マグネシウム、酸化カルシウムは、塩酸、硫酸等で容易に溶解させることが可能であるため、これらの化合物を鋳型源に用いた鋳型炭素材料が検討されることが多い。
Template carbon materials are carbon materials characterized by the shape in which the shape of the template is inverted by coating the surface of a compound that serves as a template with carbon and then removing the template component.
A method for producing a template carbon material is a process in which a general-purpose resin, such as polyvinyl alcohol, is used as a carbon source, and a compound of an alkaline earth metal, such as magnesium oxide, is used as a template source, and these are thoroughly mixed together. The mixture is then heat-treated at 600°C to 1500°C in a non-oxidizing atmosphere, and the template source is then dissolved and removed with an acid, or in some other way, to carbonize the carbon source and remove the template source.
Magnesium oxide and calcium oxide can be easily dissolved in hydrochloric acid, sulfuric acid, etc., and therefore template carbon materials using these compounds as template sources are often investigated.
また、炭素被覆する過程で、通常600℃以上1500℃の温度で加熱処理を行うため、その加熱処理過程で酸化マグネシウム、又は酸化カルシウムに化学変化するような化合物(例えば、炭酸塩、水酸化物、硫酸塩など)を、鋳型源に用いることも可能である。 In addition, since the carbon coating process typically involves heat treatment at temperatures between 600°C and 1500°C, it is possible to use compounds (e.g., carbonates, hydroxides, sulfates, etc.) that chemically change to magnesium oxide or calcium oxide during the heat treatment process as the template source.
炭素被覆するための加熱処理の温度は、目的に応じて選定される。たとえば、官能基を多量に含むような非晶質性の高い多孔質炭素材料を調製したければ、600℃~900℃が選ばれる。結晶性の高い多孔質炭素材料を得たければ、1000℃を超えて調製する。
ただし、炭化カルシウムなど炭化物、又は、金属アセチリドの生成を伴う高温での処理は避ける必要がある。実際には、炭素被覆するための加熱処理の温度は、1800℃程度が限界となる。
The temperature of the heat treatment for carbon coating is selected depending on the purpose. For example, if a highly amorphous porous carbon material containing a large amount of functional groups is to be prepared, a temperature of 600°C to 900°C is selected. If a highly crystalline porous carbon material is to be obtained, the temperature is higher than 1000°C.
However, it is necessary to avoid high-temperature treatment that involves the formation of carbides such as calcium carbide or metal acetylides. In practice, the heat treatment temperature for carbon coating is limited to about 1800°C.
鋳型炭素材料は、いわゆる賦活法により製造される多孔質炭素材料(活性炭等)に相当する多孔質炭素材料の一つとして分類されている。
鋳型炭素材料の構造的特徴は、賦活法による多孔質炭素材料が外部から酸化消耗により内部に向かって細孔を成長させるのに対し、鋳型炭素材料は、最表面は製造法等の影響を受けるが、材料内部の細孔構造が原則的に均質であり、一般に、細孔が等方的に連結している。これが、特に、賦活法賦活法による多孔質炭素材料の細孔構造と対比される、鋳型炭素材料の構造的特徴である。
Templated carbon materials are classified as one type of porous carbon material that corresponds to porous carbon materials (such as activated carbon) produced by a so-called activation method.
The structural feature of templated carbon materials is that, while the pores of activated porous carbon materials grow from the outside toward the inside through oxidative attrition, the pore structure of templated carbon materials is essentially homogeneous within the material, although the outermost surface is affected by the manufacturing method, etc., and the pores are generally isotropically connected. This is a structural feature of templated carbon materials that is particularly in contrast to the pore structure of activated porous carbon materials.
等方的な細孔の連結を有する鋳型炭素材料は、固体高分子形燃料電池の分野では、連通孔と称されることもあり、材料内部のガスの流通性の良さ(拡散が速い)が、触媒の担体として用いたとき、発電性能の向上をもたらすと信じられており、有望な材料として考えられている。
また、鋳型炭素材料では、原理的に鋳型を写し取り反転した細孔が得られるため、ミクロ孔から数10nmの範囲で、均一性の高い細孔構造を得ることが可能である。これは、賦活法で形成される細孔が、ミクロ孔からメソ孔まで幅広く分布せざるを得ないのとは対照的である。
Templated carbon materials with isotropic interconnected pores are sometimes referred to as interconnected pores in the field of polymer electrolyte fuel cells. The good gas flow (fast diffusion) within the material is believed to improve power generation performance when used as a catalyst support, and they are considered to be promising materials.
Furthermore, in principle, templated carbon materials can produce pores that are an inverse copy of the template, making it possible to obtain highly uniform pore structures ranging from micropores to tens of nanometers in size, in contrast to the pores formed by activation methods, which are inevitably distributed widely from micropores to mesopores.
鋳型炭素材料における炭素層の厚みは、鋳型源と炭素源の混合比を変えることで自由に制御できるため、質量あたりの比表面積の自由度は高い。 The thickness of the carbon layer in template carbon materials can be freely controlled by changing the mixture ratio of the template source and carbon source, allowing for a high degree of freedom in the specific surface area per mass.
鋳型炭素材料は、多孔質炭素材料であるので、例えば、いわゆる活性炭と呼ばれる炭素材料が適用される分野(例えば、特定のガスの選択的吸着、液相中の特定の構造を持った分子の選択的吸着などの吸着剤の分野)、ケッチェンブラックが適用されるような固体高分子形の燃料電池の触媒担体としての分野、スーパーキャパシターの電極の分野などに適用される。
鋳型炭素材料に特有と思われる分野は、等方的細孔の連結を活かした材料内部の高い拡散性を活かす使い方である。
Since template carbon materials are porous carbon materials, they are applicable to fields in which carbon materials known as activated carbons are used (for example, in the field of adsorbents for selective adsorption of specific gases or molecules with specific structures in a liquid phase), fields as catalyst supports for solid polymer fuel cells in which Ketjen black is used, and fields as electrodes for supercapacitors.
One area that seems to be unique to templated carbon materials is their use in taking advantage of the high diffusivity within the material, which is achieved by taking advantage of the interconnected isotropic pores.
例えば、ゼオライトを鋳型とするミクロ孔のみから成る多孔質炭素材料で、鋳型の種類を選定し、細孔内への炭素被覆をプロピレンガスを原料としたCVDで条件を最適化することにより、多孔質炭素の表面積としては、驚異的な4000m2/gに至ることが報告されている。(非特許文献1)
細孔径が原子レベルの0.数nmオーダーであるために、被覆する炭素壁は単原子層で、且つ、曲率を維持するために5員環、7員環などを含む細孔壁で形成される。
そのため、上述のように質量あたりの細孔容積および細孔表面積は大きいが、他方、曲率を伴う炭素構造で芳香族構造に比較して機械的強度および化学的安定性において劣位な傾向を持つ。
For example, it has been reported that a porous carbon material consisting only of micropores using zeolite as a template can achieve an astonishing surface area of 4000 m 2 /g by selecting the type of template and optimizing the conditions for coating the inside of the pores with carbon using CVD with propylene gas as the raw material (Non-Patent Document 1).
Since the pore diameter is on the order of a few tenths of a nanometer at the atomic level, the carbon coating wall is formed of a monoatomic layer, and the pore wall contains five-membered rings, seven-membered rings, etc. to maintain the curvature.
Therefore, as mentioned above, the pore volume and pore surface area per mass are large, but on the other hand, the carbon structure with curvature tends to be inferior in mechanical strength and chemical stability compared to aromatic structures.
一方、くえん酸マグネシウムを、窒素雰囲気下、900℃で1時間加熱処理し、得られたMgO粉末とポリビニルアルコール粉末とを混合した後、窒素雰囲気下、900℃で1時間処理する鋳型炭素材料の製造方法も知られている(非特許文献2)。 On the other hand, a method for producing templated carbon materials is also known in which magnesium citrate is heat-treated at 900°C for 1 hour in a nitrogen atmosphere, the resulting MgO powder is mixed with polyvinyl alcohol powder, and then the mixture is heated at 900°C for 1 hour in a nitrogen atmosphere (Non-Patent Document 2).
また、C数が6以上の有機酸Mgを原料とし、不活性雰囲気化で300℃以上に加熱し、その後、冷却して酸洗浄することを特徴とする活性炭の製造方法も知られている(特許文献1)。この活性炭の製造方法では、炭素源として、クエン酸及びポリビニルアルコール(PVA)が使用されている。 Another known method for producing activated carbon involves heating organic acid magnesium with a carbon number of 6 or more to 300°C or higher in an inert atmosphere, followed by cooling and acid washing (Patent Document 1). This method uses citric acid and polyvinyl alcohol (PVA) as carbon sources.
また、有機質樹脂を、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩、有機酸塩よりなる群から選択されるアルカリ土類金属化合物の少なくとも1種と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成する工程を含む活性炭の製法であって、焼成して炭素かした後に生成するアルカリ土類金属酸化物の結晶子サイズによって、活性炭の細孔サイズを調整する活性炭の製造方法も知れている(特許文献2)。この活性炭の製造方法では、炭素源としてポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)等の樹脂材料が使用されている。 Also known is a method for producing activated carbon that includes mixing an organic resin with at least one alkaline earth metal compound selected from the group consisting of alkaline earth metal oxides, hydroxides, carbonates, and organic acid salts, and then heating and firing the mixture in a non-oxidizing atmosphere, in which the pore size of the activated carbon is adjusted depending on the crystallite size of the alkaline earth metal oxide produced after firing and carbonization (Patent Document 2). In this method for producing activated carbon, resin materials such as polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene terephthalate (PET), and hydroxypropyl cellulose (HPC) are used as carbon sources.
また、アルミナのナノ粒子(結晶子サイズが平均10nm、市販品)に、メタンを炭素源のガスとして用いた熱CVD処理を行って、多孔質炭素材料の製造方法も知られている(特許文献3)。この多孔質炭素材料の製造方法では、熱処理温度、ガス濃度、処理時間などの実験条件を十分に最適化することにより、炭素層を2層以下に制御した炭素膜で被覆したアルミナのナノ粒子を得た後、フッ化水素酸類溶液でアルミナを溶解し、蒸留水で希釈した後に濾過し、再度、蒸留水で分散した後に濾過、もう一度繰り返した後の粉末を真空乾燥して、多孔質炭素を得ている。 A method for producing porous carbon materials is also known in which alumina nanoparticles (commercially available, with an average crystallite size of 10 nm) are subjected to thermal CVD treatment using methane as a carbon source gas (Patent Document 3). In this method, experimental conditions such as the heat treatment temperature, gas concentration, and treatment time are thoroughly optimized to obtain alumina nanoparticles coated with a carbon film with two or fewer carbon layers. The alumina is then dissolved in a hydrofluoric acid solution, diluted with distilled water, filtered, dispersed again in distilled water, filtered, and the resulting powder is vacuum-dried to obtain porous carbon.
上述の例において、例えば、ゼオライトを鋳型とした炭素材料では、鋳型として用いるゼオライト自体が分子篩機能を持つ、すなわち、数Åオーダーの細孔直径であり、したがって、その細孔を被覆する炭素の厚みも、1原子層そのものが1nm以下であるため、CVD(Chemical Vapour Deposition)などの気相法を用いた合成法を用いざるを得ない。その場合、工業材料規模の量産には不向きな材料となる。
一方で、特許文献1~3に例示されるようなMgO等を鋳型源とする鋳型炭素材料の製造方法は、簡便な製造法であるため、製造プロセス・生産規模という観点では工業材料に向く。しかしながら、炭素源として用いる樹脂の重量に対し、鋳型炭素を構成する炭素としての歩留まりは、本発明者らが鋭意検討した結果、高々10数%に留まるという課題がある。
In the above-mentioned examples, for example, in the case of carbon materials using zeolite as a template, the zeolite used as the template itself has a molecular sieve function, i.e., the pore diameter is on the order of several angstroms, and therefore the thickness of the carbon covering the pores is also 1 nm or less per atomic layer, so that a synthesis method using a gas phase method such as CVD (Chemical Vapor Deposition) must be used, which makes the material unsuitable for industrial-scale mass production.
On the other hand, the methods for producing template carbon materials using MgO or the like as a template source, as exemplified in Patent Documents 1 to 3, are simple production methods and therefore suitable for industrial materials in terms of the production process and production scale. However, as a result of extensive investigations by the present inventors, there is a problem in that the yield of carbon constituting the template carbon relative to the weight of the resin used as the carbon source is at most just over 10%.
ここで、一般に、活性炭、ケッチェンブラック等を代表とする賦活系の多孔質炭素材料は、1500℃以上の非酸化性雰囲気での加熱処理により細孔容積と比表面積が大幅に減少してしまう。炭素材料の化学的安定性の確保や強度の制御のために、非酸化性雰囲気での加熱処理は、まさに加工処理の常法であり、加熱処理により細孔構造の変化は小さいものが望まれる。この観点で、鋳型炭素材料は好ましい材料である。 Here, activated porous carbon materials, such as activated carbon and Ketjen Black, generally experience a significant reduction in pore volume and specific surface area when heated in a non-oxidizing atmosphere at temperatures above 1500°C. Heat treatment in a non-oxidizing atmosphere is a common processing method for ensuring the chemical stability of carbon materials and controlling their strength, and it is desirable for heat treatment to result in minimal changes to the pore structure. From this perspective, templated carbon materials are preferred materials.
そのため、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法が要望されているのが現状である。 Therefore, there is currently a demand for a method for producing template carbon materials with high carbon yield and good production yield.
そこで、本発明の課題は、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法、それを利用した、触媒の製造方法、固体高分子形燃料電池用触媒層の製造方法、及び燃料電池の製造方法を提供することである。 The present invention therefore aims to provide a method for producing a template carbon material with a high carbon yield and good production yield, a method for producing a catalyst using the same, a method for producing a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing a fuel cell.
課題を解決するための手段は、次の態様を含む。
<1>
下記要件(A)を満たす炭素源と下記要件(B)を満たす鋳型源を原料に用いる鋳型炭素材料の製造方法。
(A)炭素源が、カルボキシル基を2個以上含み、かつ2個以上の前記カルボキシル基のうち、少なくとも2個の前記カルボキシル基の間に2個以上4個以下の炭素原子が介在する構造を有する脂肪族炭化水素化合物である。
(B)鋳型源が、マグネシウム及びアルカリ土類金属の、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種である。
<2>
前記炭素源において、前記脂肪族炭化水素化合物の炭素数が4~6である<1>に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<3>
前記炭素源において、前記脂肪族炭化水素化合物が、コハク酸、及び、コハク酸誘導体の少なくとも一方である<1>又は<2>に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<4>
前記鋳型源において、マグネシウム及びカルシウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種である<1>~<3>のいずれか1項に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<5>
前記鋳型源が、炭酸マグネシウム、及び硫酸マグネシウムから選択される少なくとも1種である<1>~<4>のいずれか1項に記載の鋳型炭素材料の製造方法。
<6>
<1>~<5>に記載の鋳型炭素材料の製造方法に得られた炭素材料を担体とし、前記担体の表面に触媒成分を担持する触媒の製造方法。
<7>
<6>に記載の触媒の製造方法により得られた触媒を用いる固体高分子形燃料電池用触媒層の製造方法。
<8>
<7>に記載の固体高分子形燃料電池用触媒層の製造方法により得られた触媒層を用いる燃料電池の製造方法。
<9>
前記固体高分子形燃料電池用触媒層は、カソード側の触媒層である<8>に記載の燃料電池の製造方法。
The means for solving the problem include the following aspects.
<1>
A method for producing a template carbon material using, as raw materials, a carbon source that satisfies the following requirement (A) and a template source that satisfies the following requirement (B):
(A) The carbon source is an aliphatic hydrocarbon compound having a structure that contains two or more carboxyl groups and has at least two but not more than four carbon atoms between at least two of the two or more carboxyl groups.
(B) The template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and alkaline earth metals.
<2>
The method for producing a template carbon material according to <1>, wherein in the carbon source, the aliphatic hydrocarbon compound has 4 to 6 carbon atoms.
<3>
The method for producing a template carbon material according to <1> or <2>, wherein the aliphatic hydrocarbon compound in the carbon source is at least one of succinic acid and a succinic acid derivative.
<4>
The method for producing a template carbon material according to any one of <1> to <3>, wherein the template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and calcium.
<5>
<4> The method for producing a template carbon material according to any one of <1> to <4>, wherein the template source is at least one selected from magnesium carbonate and magnesium sulfate.
<6>
A method for producing a catalyst, comprising using the carbon material obtained by the method for producing a templated carbon material according to any one of <1> to <5> as a support, and supporting a catalyst component on the surface of the support.
<7>
<6> A method for producing a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, using a catalyst obtained by the method for producing a catalyst according to <6>.
<8>
<7> A method for producing a fuel cell, which uses a catalyst layer obtained by the method for producing a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell according to <7>.
<9>
The method for producing a fuel cell according to <8>, wherein the catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell is a catalyst layer on a cathode side.
本発明によれば、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法、それを利用した、触媒の製造方法、固体高分子形燃料電池用触媒層の製造方法、及び燃料電池の製造方法を提供できる。 The present invention provides a method for producing a template carbon material with high carbon yield and good production yield, as well as a method for producing a catalyst, a method for producing a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing a fuel cell that utilizes the same.
以下、本発明について説明する。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。
数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
「工程」との語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
「好ましい態様の組み合わせ」は、より好ましい態様である。
The present invention will be described below.
In this specification, a numerical range expressed using "to" means a range that includes the numerical values before and after "to" as the lower and upper limits.
In numerical ranges described in stages, the upper or lower limit value described in one numerical range may be replaced with the upper or lower limit value of another numerical range described in stages.
In a numerical range, the upper or lower limit value described in a certain numerical range may be replaced with a value shown in the examples.
The term "process" includes not only an independent process but also a process that cannot be clearly distinguished from other processes as long as the intended purpose of the process is achieved.
A "combination of preferred embodiments" is a more preferred embodiment.
本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、下記要件(A)を満たす炭素源と下記要件(B)を満たす鋳型源を原料に用いる製造方法である。
(A)炭素源が、カルボキシル基を2個以上含み、かつ2個以上の前記カルボキシル基のうち、少なくとも2個のカルボキシル基の間に2個以上4個以下の炭素原子が介在する構造を有する脂肪族炭化水素化合物である。
(B)鋳型源が、マグネシウム及びアルカリ土類金属の、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種である。
The method for producing a template carbon material of the present invention is a production method using, as raw materials, a carbon source that satisfies the following requirement (A) and a template source that satisfies the following requirement (B).
(A) The carbon source is an aliphatic hydrocarbon compound having a structure that contains two or more carboxyl groups and has at least two but not more than four carbon atoms between at least two of the two or more carboxyl groups.
(B) The template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and alkaline earth metals.
本発明の鋳型炭素材料の製造方法では、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法となる。そして、本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、次の知見から見出された。 The method for producing templated carbon materials of the present invention has a high carbon yield and is a method for producing templated carbon materials with good production yield. The method for producing templated carbon materials of the present invention was discovered based on the following findings.
まず、従来の鋳型炭素材料の製造方法では、通例では、鋳型源としてセラミックス(MgO、CaO、アルミナ等)と炭素源として樹脂とが用いられる。樹脂の加熱分解して生じた気体成分が、セラミックス表面に炭素膜を形成したのがきっかけで、樹脂の分解生成物に特有の現象と思わせることが、専ら樹脂を炭素源に用いた原因だと思われる。一方で、プロピレンガスを用いた熱CVDによるセラミックスへの炭素被覆も一般的な技術として周知であり、この二つの現象が、セラミックスへの炭素被覆が本質的に熱分解したガス状の低分子が本質的に重要と思われるきっかけとなった。
樹脂として用いられるのは、モノマー構造中に酸素を含むものが多く、典型的なのが、式(-(CH2-CHOH)n-)で表されるポリビニルアルコールである。
これらの樹脂は、単に非酸化性雰囲気中で、例えば600℃以上に加熱処理すると、熱分解して、何も固形物は残らない。ところが、MgO、CaO、アルミナ等のセラミックスと共存させると、分解したガス状化合物がセラミックスに吸着し、炭素膜として残存する。この現象を、これまでは、熱CVDと同様と捉えたため、ラジカル状化合物に特有の現象と考えてきた。
First, conventional methods for producing template carbon materials typically use ceramics (MgO, CaO, alumina, etc.) as the template source and resin as the carbon source. The gaseous components generated by the thermal decomposition of the resin formed a carbon film on the ceramic surface, which is thought to be a phenomenon specific to the decomposition products of the resin, and this is thought to be the reason why resin was used exclusively as the carbon source. Meanwhile, carbon coating of ceramics by thermal CVD using propylene gas is also well known as a common technique, and these two phenomena led to the idea that the gaseous low-molecular-weight compounds generated by thermal decomposition are essentially important for carbon coating of ceramics.
Many of the resins used contain oxygen in the monomer structure, and a typical example is polyvinyl alcohol, which is represented by the formula (-(CH 2 -CHOH) n -).
When these resins are simply heated in a non-oxidizing atmosphere, for example, at temperatures above 600°C, they undergo thermal decomposition, leaving no solid material. However, when they coexist with ceramics such as MgO, CaO, or alumina, the decomposed gaseous compounds are adsorbed onto the ceramic and remain as a carbon film. This phenomenon has previously been considered similar to thermal CVD and therefore unique to radical compounds.
一方、本発明者らは、炭素源として用いる材料がどのような素過程を経て、炭素化し、鋳型源の表面に沈着しているのか、その機構を原子レベルで検討した。その結果、次の知見を得た。
まず、炭素源としての樹脂の分解は、必ずしも必要ではなく、含酸素官能基を複数持つ低分子化合物を樹脂の代わりに用いることで、樹脂よりもはるかに高い炭素収率を得ることが可能である。これは、マグネシウム及びアルカリ土類金属の、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種を鋳型源に用いるとき、以下に述べるような機構により、炭素収率が高まるためと推量される。
Meanwhile, the present inventors have investigated at the atomic level the mechanism by which the material used as the carbon source is carbonized and deposited on the surface of the template source through the elementary processes, and have obtained the following findings.
First, decomposition of the resin as a carbon source is not necessarily required, and by using a low-molecular-weight compound having multiple oxygen-containing functional groups instead of the resin, it is possible to obtain a much higher carbon yield than with the resin. This is presumably because the carbon yield increases when at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and alkaline earth metals is used as the template source, due to the mechanism described below.
含酸素官能基、特に、カルボキシル基が、鋳型源(鋳型源が、マグネシウム及びアルカリ土類金属の、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種)に対して、強い親和性を有する。そのため、炭素源として、鋳型源に親和性を有するカルボキシル基が2個以上存在する分子構造を持つ脂肪族炭化水素化合物を用いて、鋳型源と非酸化性雰囲気で加熱すると、炭素収率が高くなる。
さらに、炭素源としての脂肪族炭化水素化合物において、2個以上のカルボキシル基のうち、少なくとも2個のカルボキシル基が、隣接せず、炭素原子2個以上4個以下挟んで存在するときに限り、高い炭素収率を示す。
原子レベルでの炭素源の炭素固定の反応の素過程は、明確ではないが、少なくとも、炭素源となる分子構造のカルボキシル基2つで、炭素源が鋳型源表面に固定し、熱的過程で炭酸(CO2)の形で酸素が抜けるときに、2つのカルボキシル基の間の分子構造中の炭素が固定化されるものと推察される。
Oxygen-containing functional groups, particularly carboxyl groups, have a strong affinity for the template source (the template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and alkaline earth metals). Therefore, when an aliphatic hydrocarbon compound having a molecular structure containing two or more carboxyl groups that have an affinity for the template source is used as a carbon source and heated together with the template source in a non-oxidizing atmosphere, the carbon yield is increased.
Furthermore, in an aliphatic hydrocarbon compound as a carbon source, a high carbon yield is exhibited only when at least two of the two or more carboxyl groups are not adjacent to each other and are separated by 2 to 4 carbon atoms.
Although the elementary process of the carbon fixation reaction of the carbon source at the atomic level is not clear, it is presumed that at least the two carboxyl groups in the molecular structure of the carbon source fix the carbon source to the surface of the template source, and when oxygen is released in the form of carbon dioxide (CO 2 ) during a thermal process, the carbon in the molecular structure between the two carboxyl groups is fixed.
例えば、両末端にカルボキシル基を有するアルキルのような直鎖系脂肪族炭化水素化合物の場合、二つのカルボキシル基の間に介在する炭素原子数が2個の化合物(こはく酸)の時が最も炭素収率が高く、炭素数が増加するにつれて炭素収率は減少する。二つのカルボキシル基の間に介在する炭素原子数が4個(例えばアジピン酸)までは、樹脂同等以上の収率を示すが、それ以上の炭素原子数では10%未満の炭素収率に急激に低下する。
式(-(CH2-CHOH)n-)で表されるポリビニルアルコール等のような典型的な樹脂材料を炭素源に用いる場合も、熱分解して生じるガス状の化合物は、構造中に必ず酸素原子を含むが、この酸素を含む部分(官能基と仮称する)の鋳型源表面に対する親和性の強さと、ガス状化合物中の官能基の数の大小による吸着力の強さが炭素収率を決めているものと推察される。ポリビニルアルコールの場合には、官能基は-OHと推察され、―OHは-COOHに比べて相対的に鋳型源に対する吸着力(親和性)が弱く、また、官能基間の距離が短すぎるために、鋳型源に対する吸着力の補強が弱いものと推察される。このために、全体としての炭素収率が低いものと推察される。
他方の鋳型源の方は、熱分解の結果、酸化物として安定化するものを選択することが重要であり、具体的には、マグネシウム及びアルカリ土類金属の、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物に限定される。これらの鋳型源が、炭素源と共存下で熱分解することで、MgO、CaOなどマグネシウム及びアルカリ土類金属の酸化物が形成される過程で、その最表面に、炭素源の-CO2が吸着し、部分的に金属炭酸塩を形成して、炭素源を強く鋳型の表面に固定化することで、炭素収率を高めているものと推察される。
For example, in the case of a linear aliphatic hydrocarbon compound such as an alkyl having carboxyl groups at both ends, the carbon yield is highest when there are two carbon atoms between the two carboxyl groups (succinic acid), and the carbon yield decreases as the number of carbon atoms increases. Up to four carbon atoms between the two carboxyl groups (e.g., adipic acid) show a yield equal to or greater than that of resin, but with more carbon atoms, the carbon yield drops sharply to less than 10%.
Even when a typical resin material such as polyvinyl alcohol represented by the formula (-(CH 2 -CHOH) n -) is used as the carbon source, the gaseous compound produced by thermal decomposition always contains an oxygen atom in its structure. It is presumed that the carbon yield is determined by the strength of the affinity of this oxygen-containing portion (tentatively referred to as a functional group) for the template source surface and the strength of its adsorptive power, which depends on the number of functional groups in the gaseous compound. In the case of polyvinyl alcohol, the functional group is presumed to be -OH, which has a relatively weak adsorptive power (affinity) for the template source compared to -COOH, and also because the distance between the functional groups is too short, it is presumed that the reinforcement of the adsorptive power for the template source is weak. For this reason, it is presumed that the overall carbon yield is low.
It is important to select a template source that stabilizes as an oxide upon thermal decomposition, specifically limited to oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and alkaline earth metals. It is presumed that, when these template sources are thermally decomposed in the presence of a carbon source, oxides of magnesium and alkaline earth metals such as MgO and CaO are formed. During this process, the -CO2 of the carbon source is adsorbed onto the outermost surface, partially forming metal carbonates, which firmly immobilize the carbon source on the template surface, thereby increasing the carbon yield.
以上の知見から、本発明の鋳型炭素材料の製造方法では、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法となることが見出された。 Based on the above findings, it has been discovered that the method for producing templated carbon materials of the present invention has a high carbon yield and is a method for producing templated carbon materials with a good yield.
以下、本発明の鋳型炭素材料の製造方法の詳細について説明する。 The method for producing the template carbon material of the present invention is described in detail below.
本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、例えば、炭素源と鋳型源とを混合する混合工程、第1の加熱工程、鋳型源除去工程、及び第2の加熱工程を含む。以下、各工程について詳細に説明する。 The method for producing a template carbon material of the present invention includes, for example, a mixing step of mixing a carbon source and a template source, a first heating step, a template source removal step, and a second heating step. Each step is described in detail below.
(混合工程)
本工程では、炭素源と鋳型源とを混合する。
(Mixing process)
In this step, a carbon source and a template source are mixed together.
-炭素源-
炭素源は、カルボキシル基を2個以上含み、かつ2個以上のカルボキシル基のうち、少なくとも2個のカルボキシル基の間に2個以上4個以下の炭素原子が介在する構造(以下「特定構造」とも称する)を有する脂肪族炭化水素化合物が適用される。
脂肪族炭化水素化合物において、2個以上のカルボキシル基は一分子中に含まれる。
-Carbon source-
The carbon source used is an aliphatic hydrocarbon compound that contains two or more carboxyl groups and has a structure in which at least two of the two or more carboxyl groups are separated by 2 to 4 carbon atoms (hereinafter also referred to as a "specific structure").
In an aliphatic hydrocarbon compound, two or more carboxyl groups are contained in one molecule.
特定構造において、カルボキシル基の数は、2個以上であるが、炭素収率向上の観点から、2個以上6個以下が好ましく、2個以上4個以下がより好ましい。 In the specific structure, the number of carboxyl groups is two or more, but from the perspective of improving carbon yield, two to six is preferred, and two to four is even more preferred.
特定構造において、2個以上のカルボキシル基のうち、少なくとも2個のカルボキシル基の間に介在する炭素原子の数は、2個以上4個以下であるが、炭素収率向上の観点から、2個以上3個以下が好ましい。
ここで、2個のカルボキシル基の間に介在する炭素原子の数は、カルボキシル基の炭素原子を含まず、2個のカルボキシル基間に直鎖状に連なった炭素原子の数である。つまり、2個のカルボキシル基の間に、分岐状で炭素原子が連なっている場合、2個のカルボキシル基の間に介在する炭素原子の数は、分岐部分の炭素原子の数は含まない。例えば、2個のカルボキシル基に、イソプロピレン基が介在している場合、2個のカルボキシル基の間に介在する炭素原子の数は、2個である。
また、3個以上のカルボキシル基を有する場合、3個以上のカルボキシル基のうち、少なくとも一組の2つのカルボキシル基に、2個以上4個以下の炭素原子が介在すればよい。
また、2個のカルボキシル基の間に介在する炭素原子の数が2個以上4個以下の炭化水素基は、不飽和炭化水素基であってもよいし、不飽和炭化水素基であってもよい。
In the specific structure, the number of carbon atoms interposed between at least two of the two or more carboxyl groups is 2 or more and 4 or less, but from the viewpoint of improving the carbon yield, it is preferably 2 or more and 3 or less.
Here, the number of carbon atoms between two carboxyl groups does not include the carbon atoms of the carboxyl groups, but refers to the number of carbon atoms connected in a straight chain between the two carboxyl groups. In other words, when carbon atoms are connected in a branched chain between two carboxyl groups, the number of carbon atoms between the two carboxyl groups does not include the number of carbon atoms in the branched chain. For example, when an isopropylene group is connected between two carboxyl groups, the number of carbon atoms between the two carboxyl groups is two.
In addition, when the polymer has three or more carboxyl groups, it is sufficient that at least one pair of two carboxyl groups among the three or more carboxyl groups are separated by 2 to 4 carbon atoms.
Furthermore, the hydrocarbon group having 2 to 4 carbon atoms interposed between the two carboxyl groups may be an unsaturated hydrocarbon group or an unsaturated hydrocarbon group.
特定構造において、2個以上のカルボキシ基は、無水物を形成していてもよい。また、2個以上のカルボキシル基は、アルキル金属の塩を形成していてもよい。 In the specific structure, two or more carboxyl groups may form an anhydride. Also, two or more carboxyl groups may form an alkyl metal salt.
脂肪族炭化水素化合物は、特定構造を有すれば、飽和脂肪族炭化水素化合物、不飽和脂肪族炭化水素化合物のいずれでもよい。また、脂肪族炭化水素化合物は、特定構造を有すれば、直鎖状、分岐状、環状のいずれの化合物であってもよい。 Aliphatic hydrocarbon compounds may be either saturated or unsaturated aliphatic hydrocarbon compounds, so long as they have a specific structure. Furthermore, aliphatic hydrocarbon compounds may be linear, branched, or cyclic compounds, so long as they have a specific structure.
脂肪族炭化水素化合物の炭素数は、炭素収率向上の観点から、4~8が好ましく、4~7がより好ましく、4~6がさらに好ましい。
ここで、脂肪族炭化水素化合物の炭素数は、カルボキシル基の炭素原子も含めた炭素数である。
The number of carbon atoms in the aliphatic hydrocarbon compound is preferably 4 to 8, more preferably 4 to 7, and even more preferably 4 to 6, from the viewpoint of improving carbon yield.
Here, the number of carbon atoms in the aliphatic hydrocarbon compound is the number of carbon atoms including the carbon atoms of the carboxyl group.
脂肪族炭化水素化合物のうち、2個のカルボキシル基を有する脂肪族炭化水素化合物としては、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、リンゴ酸、2-オキソグルタル酸、(1R,3S)-(+)-カンファー酸、(1S,3R)-(-)-カンファー酸、アセチレンジカルボン酸、アダマンタンジカルボン酸、1,2-シクロペンタンジカルボン酸、1,3-シクロペンタンジカルボン酸、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸、テトラヒドロフラン-2,5-ジカルボン酸、2-ブテン-1,4-ジカルボン酸、1,2-シクロブタンジカルボン酸、1,2-シクロプロパンジカルボン酸(無水物)、1,3-プロパンジカルボン酸(グルタル酸)、L-グルタミン酸、酒石酸、イタコン酸、3,3-ジメチルグルタル酸(無水物)、(+)-しょうのう酸(メルカプトこはく酸)、ペンテン二酸(Pent-2-ene-1,5-dioic acid)、グルタコン酸、フマル酸、マレイン酸、マリック酸(りんご酸)、シトラコン酸(無水物)、アスパラギン酸等が挙げられる。 Among the aliphatic hydrocarbon compounds, examples of the aliphatic hydrocarbon compounds having two carboxyl groups include succinic acid, glutaric acid, adipic acid, malic acid, 2-oxoglutaric acid, (1R,3S)-(+)-camphoric acid, (1S,3R)-(-)-camphoric acid, acetylenedicarboxylic acid, adamantanedicarboxylic acid, 1,2-cyclopentanedicarboxylic acid, 1,3-cyclopentanedicarboxylic acid, 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid, tetrahydrofuran-2,5-dicarboxylic acid, 2-butene-1,4-dicarboxylic acid, 1,2-cyclobutanedicarboxylic acid, 1,2-cyclopropanedicarboxylic acid (anhydride), 1,3-propanedicarboxylic acid (glutaric acid), L-glutamic acid, tartaric acid, itaconic acid, 3,3-dimethylglutaric acid (anhydride), (+)-camphoric acid (mercaptosuccinic acid), pentenedioic acid (Pent-2-ene-1,5-dioic acid), acid), glutaconic acid, fumaric acid, maleic acid, malic acid (malic acid), citraconic acid (anhydride), aspartic acid, etc.
3個のカルボキシル基を有する脂肪族炭化水素化合物としては、クエン酸、cis-アコニット酸、trans-アコニット酸、1,2,3-プロパントリカルボン酸(トリカルバリル酸)、1,1,2-プロパントリカルボン酸、プロパントリカルボン酸、1α,3α,5α-トリメチルシクロヘキサン-1,3,5-トリカルボン酸、1,3,5-ペンタントリカルボン酸、シクロヘキサン-1,3,5-トリカルボン酸、(1α,2α,4α)-1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸、1,3,5-ペンタントリカルボン酸、2-ヒドロキシプロパン-1,2,3-トリカルボン酸(クエン酸)、2-メチルクエン酸等が挙げられる。 Aliphatic hydrocarbon compounds having three carboxyl groups include citric acid, cis-aconitic acid, trans-aconitic acid, 1,2,3-propanetricarboxylic acid (tricaryl acid), 1,1,2-propanetricarboxylic acid, propanetricarboxylic acid, 1α,3α,5α-trimethylcyclohexane-1,3,5-tricarboxylic acid, 1,3,5-pentanetricarboxylic acid, cyclohexane-1,3,5-tricarboxylic acid, (1α,2α,4α)-1,2,4-cyclohexanetricarboxylic acid, 1,3,5-pentanetricarboxylic acid, 2-hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylic acid (citric acid), and 2-methylcitric acid.
4個以上のカルボキシル基を有する脂肪族炭化水素化合物としては、メソブタン1,2,3,4-テトラカルボン酸、及び、その無水物、テトラヒドロフラン-2,3,4,5-テトラカルボン酸、及び、その無水物、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸、及び、その無水物、シクロプロパン-1,1,2,2-テトラカルボン酸、及びその無水物、1,2,3,4-シクロペンタンテトラカルボン酸、及び、その無水物、アダマンタン-1,3,5,7-テトラカルボン酸、(+)-(18-クラウン-6)-2,3,11,12-テトラカルボン酸等が挙げられる。 Aliphatic hydrocarbon compounds having four or more carboxyl groups include mesobutane-1,2,3,4-tetracarboxylic acid and its anhydride, tetrahydrofuran-2,3,4,5-tetracarboxylic acid and its anhydride, 1,2,3,4-cyclobutanetetracarboxylic acid and its anhydride, cyclopropane-1,1,2,2-tetracarboxylic acid and its anhydride, 1,2,3,4-cyclopentanetetracarboxylic acid and its anhydride, adamantane-1,3,5,7-tetracarboxylic acid, and (+)-(18-crown-6)-2,3,11,12-tetracarboxylic acid.
これらの中でも、脂肪族炭化水素化合物は、コハク酸、グルタル酸、及び、これらの誘導体から選択される少なくとも1種が好ましく、コハク酸、及び、コハク酸誘導体から選択される少なくとも1種がより好ましい。
ここで、コハク酸誘導体とは、コハク酸にカルボニル基、水酸基、アミノ基、メチル基、及びメチレン基から選択される少なくとも1の基が置換された化合物、並びに、フマル酸、マレイン酸のように、炭素間に二重結合-C=C-を持つ化合物も含むものである。
なお、炭素源は、上記特定構造を含む脂肪族炭化水素化合物以外の炭素源(例えば従来の高分子化合物等)を含んでよい、ただし、炭素源は、上記特定構造を含む脂肪族炭化水素化合物を、例えば、少なくとも50質量%以上、好ましくは60質量%以上含む。
Among these, the aliphatic hydrocarbon compound is preferably at least one selected from succinic acid, glutaric acid, and derivatives thereof, and more preferably at least one selected from succinic acid and succinic acid derivatives.
Here, the succinic acid derivatives include compounds in which succinic acid is substituted with at least one group selected from a carbonyl group, a hydroxyl group, an amino group, a methyl group, and a methylene group, as well as compounds having a carbon-carbon double bond -C=C-, such as fumaric acid and maleic acid.
The carbon source may contain a carbon source (e.g., a conventional polymer compound) other than the aliphatic hydrocarbon compound having the specific structure, provided that the carbon source contains, for example, at least 50% by mass or more, and preferably 60% by mass or more, of the aliphatic hydrocarbon compound having the specific structure.
-鋳型源-
鋳型源としては、マグネシウム及びアルカリ土類金属の、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種が適用される。ここで、アルカリ土類金属としては、カルシウム、バリウム、ストロンチウム等が挙げられる。
-Mold source-
The template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and alkaline earth metals, where alkaline earth metals include calcium, barium, strontium, etc.
Mg及びアルカリ土類金属の酸化物としては、酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウム等が挙げられる。
Mg及びアルカリ土類金属の炭酸塩としては、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸ストロンチウム、等が挙げられる。
Mg及びアルカリ土類金属の硫酸塩としては、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、硫酸ストロンチウム等が挙げられる。
Mg及びアルカリ土類金属の水酸化物としては、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化ストロンチウム等が挙げられる。
Examples of oxides of Mg and alkaline earth metals include magnesium oxide (MgO), calcium oxide, barium oxide, and strontium oxide.
Examples of carbonates of Mg and alkaline earth metals include magnesium carbonate, calcium carbonate, barium carbonate, and strontium carbonate.
Examples of sulfates of Mg and alkaline earth metals include magnesium sulfate, calcium sulfate, barium sulfate, and strontium sulfate.
Examples of hydroxides of Mg and alkaline earth metals include magnesium hydroxide, calcium hydroxide, barium hydroxide, and strontium hydroxide.
これらの中でも、炭素収率向上の観点から、鋳型源としては、マグネシウム及びカルシウムの、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種が好ましく、マグネシウムの酸化物、炭酸塩、硫酸塩から選択される少なくとも1種がより好ましく、炭酸マグネシウム、及び硫酸マグネシウムから選択される少なくとも1種がより好ましい。 Among these, from the viewpoint of improving carbon yield, the template source is preferably at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and calcium, more preferably at least one selected from oxides, carbonates, and sulfates of magnesium, and even more preferably at least one selected from magnesium carbonate and magnesium sulfate.
-炭素源と鋳型源との混合比- -Mixing ratio of carbon source and template source-
炭素源と鋳型源との混合比(鋳型源/炭素源)は、鋳型源のマグネシウム若しくはアルカリ土類金属元素と炭素源中の炭素Cのモル比C/Mで、0.1~10.0が好ましく、0.2~5.0がより好ましい。混合比の制御により、目的とするBET比表面積および細孔分布の鋳型炭素材料(つまり多孔質炭素材料)が得られる。 The mixing ratio of the carbon source and template source (template source/carbon source), which is the molar ratio C/M of the magnesium or alkaline earth metal element in the template source to the carbon (C) in the carbon source, is preferably 0.1 to 10.0, more preferably 0.2 to 5.0. By controlling the mixing ratio, a template carbon material (i.e., a porous carbon material) with the desired BET specific surface area and pore distribution can be obtained.
(第1の加熱工程)
第1の加熱工程では、例えば、炭素源と鋳型源との混合物を、不活性ガス雰囲気下で、昇温速度5~30℃/分で、800~1100℃まで昇温し、その温度で10~200分保持する。
この熱処理により、炭素源の炭素化と並行して、鋳型源を熱分解及び酸化し、炭素と鋳型(つまりマグネシウム又はアルカリ土類金属の酸化物)との複合体を得る。例えば、硫酸マグネシウムの場合、酸化マグネシウムにまで分解させるには、800℃以上、好ましくは900℃以上、より好ましくは、950℃以上に加熱することがよい。このように、熱処理温度は、鋳型源が酸化物にまで分解するのに必要な最低温度以上の温度に設定する必要がある。加熱温度の上限は金属の炭化物を生成する温度以下であれば、特に制限は設けない。通例、安価な電気炉の上限である1100℃とすることが多いが、電気炉の制限がなければ、例えば、マグネシウム系を鋳型源とする場合、1700℃程度まで加熱することが可能である。
(First heating step)
In the first heating step, for example, a mixture of a carbon source and a template source is heated to 800 to 1100°C at a rate of 5 to 30°C/min in an inert gas atmosphere and maintained at that temperature for 10 to 200 minutes.
This heat treatment thermally decomposes and oxidizes the template source in parallel with the carbonization of the carbon source, thereby obtaining a composite of carbon and the template (i.e., an oxide of magnesium or an alkaline earth metal). For example, in the case of magnesium sulfate, in order to decompose it into magnesium oxide, it is recommended to heat it to 800°C or higher, preferably 900°C or higher, and more preferably 950°C or higher. Thus, the heat treatment temperature must be set to a temperature equal to or higher than the minimum temperature required to decompose the template source into an oxide. There is no particular upper limit to the heating temperature, as long as it is equal to or lower than the temperature at which metal carbide is formed. Typically, the upper limit of the heating temperature is set to 1100°C, which is the upper limit for inexpensive electric furnaces. However, if there are no limitations on the electric furnace, for example, when a magnesium-based template source is used, it is possible to heat it up to about 1700°C.
(鋳型源除去工程)
鋳型源除去工程では、炭素と鋳型(つまりマグネシウム又はアルカリ土類金属の酸化物)との複合体を酸洗することで、鋳型を酸洗液中に溶解する。これにより、炭素と鋳型との複合体から鋳型を除去する。それにより、多孔質炭素材料中間体を得る。
酸洗に用いる酸は、鋳型が可溶であればよく、好ましい例としては、硫酸が挙げられる。酸洗後、炭素材料を水洗し、乾燥させる。
(Mold source removal step)
In the template source removal step, the composite of carbon and the template (i.e., an oxide of magnesium or an alkaline earth metal) is pickled to dissolve the template in the pickling solution, thereby removing the template from the composite of carbon and the template, thereby obtaining a porous carbon material intermediate.
The acid used for pickling may be any acid as long as it dissolves the template, and a preferred example is sulfuric acid. After pickling, the carbon material is washed with water and dried.
(第2の加熱工程)
第2の加熱工程では、例えば、得られた鋳型炭素材料の中間体を、不活性ガス雰囲気下で、2000~2600℃で、0.5~3.0時間保持する。
この熱処理により、鋳型炭素材料の結晶性が高まり、高温での耐久性(酸化消耗耐性)が向上する。
なお、結晶性を高める必要のない用途へ本発明の鋳型炭素を適用する場合には、第二2の加熱工程の温度を1000℃~2000℃に留めることもできるし、第二の加熱工程自体を省略し、鋳型除去工程を最終工程にすることも可能である。
(Second heating step)
In the second heating step, for example, the obtained intermediate template carbon material is maintained at 2000 to 2600° C. for 0.5 to 3.0 hours in an inert gas atmosphere.
This heat treatment increases the crystallinity of the template carbon material and improves its durability (resistance to oxidation and wear) at high temperatures.
When the template carbon of the present invention is applied to an application that does not require high crystallinity, the temperature of the second heating step can be kept between 1000°C and 2000°C, or the second heating step itself can be omitted, with the template removal step being the final step.
以上の工程により、目的とする鋳型炭素材料(つまり多孔質炭素材料)が得られる。 Through the above steps, the desired template carbon material (i.e., porous carbon material) is obtained.
本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、活性炭と呼ばれる炭素材料が適用される分野(例えば、特定のガスの選択的吸着、液相中の特性の構造を持った分子の選択的吸着などの吸着剤の分野)、ケッチェンブラックが適用されるような固体高分子形の燃料電池の触媒担体としての分野、スーパーキャパシターの電極の分野などに適用される。 The method for producing templated carbon materials of the present invention is applicable to fields in which carbon materials known as activated carbon are used (for example, as adsorbents for selective adsorption of specific gases or molecules with specific structures in the liquid phase), as catalyst supports for polymer electrolyte fuel cells such as those used with Ketjen black, and as electrodes for supercapacitors.
<触媒の製造方法>
本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、触媒の製造方法に適用可能である。本発明の触媒の製造方法は、担体として、上記本発明の鋳型炭素材料の製造方法に得られた炭素材料の表面に触媒成分を担持する触媒の製造方法である。
触媒成分としては、固体高分子形燃料用触媒が代表的な触媒として挙げられる。触媒成分は、白金、白金合金等が挙げられる。白金合金の合金成分としては、Au、Ag、Cr、Fe、Ti、Mn、Co、Ni、Mo、W、Al、Si、Zn、Sn、Ru、Rh、Pd、Os、Ir。等が挙げられる。
その他、触媒成分としては、本発明で得られる鋳型炭素自体を酸化することで得れる含酸素官能基を持った多孔質炭素を挙げることが可能である。必要に応じて、含酸素官能基に加え、含窒素官能基を共存させることも、触媒活性を向上させる観点で有効である。このように表面改質した本発明の鋳型炭素は、酸素還元反応の触媒として用いることが可能である。
<Catalyst manufacturing method>
The method for producing a templated carbon material of the present invention can be applied to a method for producing a catalyst, which involves supporting a catalyst component on the surface of the carbon material obtained by the method for producing a templated carbon material of the present invention as a support.
A typical catalyst component is a catalyst for polymer electrolyte fuel. Examples of catalyst components include platinum and platinum alloys. Examples of alloy components of platinum alloys include Au, Ag, Cr, Fe, Ti, Mn, Co, Ni, Mo, W, Al, Si, Zn, Sn, Ru, Rh, Pd, Os, and Ir.
Other catalyst components include porous carbon with oxygen-containing functional groups, which can be obtained by oxidizing the template carbon obtained by the present invention. If necessary, the coexistence of nitrogen-containing functional groups in addition to the oxygen-containing functional groups is also effective in improving catalytic activity. The template carbon of the present invention, which has been surface-modified in this way, can be used as a catalyst for oxygen reduction reactions.
本発明の触媒の製造方法は、固体高分子形燃料電池用触媒層、Li空気電池に代表されるような金属空気電池の空気極、レドックスフロー電池の電極など、広い反応表面積を提供し、且つ、化学的・電気化学的な高い安定性が求められる電極の製造用途に適用することができる。 The catalyst manufacturing method of the present invention can be applied to the manufacture of electrodes that provide a large reaction surface area and require high chemical and electrochemical stability, such as catalyst layers for polymer electrolyte fuel cells, air electrodes for metal-air batteries such as Li-air batteries, and electrodes for redox flow batteries.
<固体高分子形燃料電池の製造方法>
本発明の鋳型炭素材料の製造方法は、固体高分子形燃料電池(又はその触媒層)の製造方法に適用可能である。
製造する個体高分子形燃料電池は、例えば、図1に示す固体高分子形燃料電池100が挙げられる。固体高分子形燃料電池100は、例えば、セパレータ110、120、ガス拡散層130、140、触媒層150、160、及び電解質膜170を備える。
<Method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell>
The method for producing a template carbon material of the present invention can be applied to a method for producing a polymer electrolyte fuel cell (or a catalyst layer thereof).
An example of the solid polymer fuel cell to be manufactured is a solid polymer fuel cell 100 shown in Fig. 1. The solid polymer fuel cell 100 includes separators 110 and 120, gas diffusion layers 130 and 140, catalyst layers 150 and 160, and an electrolyte membrane 170, for example.
セパレータ110は、アノード側のセパレータであり、水素等の燃料ガスをガス拡散層130に導入する。セパレータ120は、カソード側のセパレータであり、酸素ガス、空気等の酸化性ガスをガス拡散凝集相に導入する。セパレータ110、120の種類は特に問われず、従来の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池で使用されるセパレータであればよい。 Separator 110 is the anode-side separator, and introduces fuel gas such as hydrogen into the gas diffusion layer 130. Separator 120 is the cathode-side separator, and introduces oxidizing gases such as oxygen gas and air into the gas diffusion condensation phase. There is no particular restriction on the type of separators 110 and 120; they can be any separator used in conventional fuel cells, such as solid polymer fuel cells.
ガス拡散層130は、アノード側のガス拡散層であり、セパレータ110から供給された燃料ガスを拡散させた後、触媒層150に供給する。ガス拡散層140は、カソード側のガス拡散層であり、セパレータ120から供給された酸化性ガスを拡散させた後、触媒層160に供給する。ガス拡散層130、40の種類は特に問われず、従来の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池に使用されるガス拡散層であればよい。ガス拡散層130、40の例としては、多孔質炭素材料(カーボンクロス、カーボンペーパー等)、多孔質金属材料(金属メッシュ、金属ウール等)等が挙げられる。
なお、ガス拡散層130、140の好ましい例としては、ガス拡散層のセパレータ側の層が繊維状炭素材料を主成分とするガス拡散繊維層となり、触媒層側の層がカーボンブラックを主成分とするマイクロポア層となる2層構造のガス拡散層が挙げられる。
The gas diffusion layer 130 is an anode-side gas diffusion layer that diffuses the fuel gas supplied from the separator 110 and then supplies it to the catalyst layer 150. The gas diffusion layer 140 is a cathode-side gas diffusion layer that diffuses the oxidizing gas supplied from the separator 120 and then supplies it to the catalyst layer 160. There are no particular restrictions on the type of gas diffusion layer 130, 40, as long as it is a gas diffusion layer used in conventional fuel cells, such as solid polymer fuel cells. Examples of the gas diffusion layers 130, 40 include porous carbon materials (carbon cloth, carbon paper, etc.), porous metal materials (metal mesh, metal wool, etc.), etc.
A preferred example of the gas diffusion layers 130 and 140 is a two-layer gas diffusion layer in which the layer on the separator side of the gas diffusion layer is a gas diffusion fiber layer mainly composed of a fibrous carbon material, and the layer on the catalyst layer side is a micropore layer mainly composed of carbon black.
触媒層150は、いわゆるアノードである。触媒層150内では、燃料ガスの酸化反応が起こり、プロトンと電子が生成される。例えば、燃料ガスが水素ガスとなる場合、以下の酸化反応が起こる。
H2→2H++2e- (E0=0V)
The catalyst layer 150 is a so-called anode. An oxidation reaction of the fuel gas occurs in the catalyst layer 150, producing protons and electrons. For example, when the fuel gas becomes hydrogen gas, the following oxidation reaction occurs.
H 2 →2H + +2e - (E 0 =0V)
酸化反応によって生じたプロトンは、触媒層150、及び電解質膜170を通って触媒層160に到達する。酸化反応によって生じた電子は、触媒層150、ガス拡散層130、及びセパレータ110を通って外部回路に到達する。電子は、外部回路内で仕事をした後、セパレータ120に導入される。その後、電子は、セパレータ120、ガス拡散層140を通って触媒層160に到達する。 Protons produced by the oxidation reaction pass through catalyst layer 150 and electrolyte membrane 170 to reach catalyst layer 160. Electrons produced by the oxidation reaction pass through catalyst layer 150, gas diffusion layer 130, and separator 110 to reach the external circuit. After performing work in the external circuit, the electrons are introduced into separator 120. The electrons then pass through separator 120 and gas diffusion layer 140 to reach catalyst layer 160.
アノードとなる触媒層150の構成は特に制限されない。すなわち、触媒層150の構成は、従来のアノードと同様の構成であってもよいし、触媒層160と同様の構成であってもよいし、触媒層160よりもさらに親水性が高い構成であってもよい。 The configuration of the catalyst layer 150, which serves as the anode, is not particularly limited. That is, the configuration of the catalyst layer 150 may be the same as that of a conventional anode, the same as that of the catalyst layer 160, or a configuration that is even more hydrophilic than the catalyst layer 160.
触媒層160は、いわゆるカソードである。触媒層160内では、酸化性ガスの還元反応が起こり、水が生成される。例えば、酸化性ガスが酸素ガスあるいは空気となる場合、以下の還元反応が起こる。酸化反応で発生した水は、未反応の酸化性ガスとともに固体高分子形燃料電池100の外部に排出される。
O2+4H++4e-→2H2O (E0=1.23V)
The catalyst layer 160 is a so-called cathode. Within the catalyst layer 160, a reduction reaction of the oxidizing gas occurs, producing water. For example, when the oxidizing gas becomes oxygen gas or air, the following reduction reaction occurs: The water produced by the oxidation reaction is discharged to the outside of the polymer electrolyte fuel cell 100 together with the unreacted oxidizing gas.
O 2 +4H + +4e - →2H 2 O (E 0 =1.23V)
このように、固体高分子形燃料電池100では、酸化反応と還元反応とのエネルギー差(電位差)を利用して発電する。言い換えれば、酸化反応で生じた電子が外部回路で仕事を行う。 In this way, the polymer electrolyte fuel cell 100 generates electricity by utilizing the energy difference (potential difference) between the oxidation reaction and the reduction reaction. In other words, the electrons produced in the oxidation reaction perform work in an external circuit.
触媒層160には、本発明の鋳型炭素材料が含まれている。すなわち、触媒層160は、本発明の鋳型炭素材料と、電解質材料と、燃料電池用触媒とを含む。これにより、触媒層160内の触媒利用率を高めることができる。その結果、固体高分子形燃料電池100の触媒利用率を高めることができる。 The catalyst layer 160 contains the template carbon material of the present invention. That is, the catalyst layer 160 contains the template carbon material of the present invention, an electrolyte material, and a fuel cell catalyst. This increases the catalyst utilization rate within the catalyst layer 160. As a result, the catalyst utilization rate of the polymer electrolyte fuel cell 100 can be increased.
なお、触媒層160における燃料電池触媒担持率は特に制限されないが、30質量%以上80質量%未満であることが好ましい。ここで、燃料電池触媒担持率は、触媒担持粒子(鋳型炭素材料に燃料電池用触媒を担持させた粒子)の総質量に対する燃料電池用触媒の質量%であることが好ましい。この場合、触媒利用率がさらに高くなる。なお、燃料電池触媒担持率が30質量%未満となる場合、固体高分子形燃料電池100を実用に耐えるようにするために触媒層160を厚くする必要が生じうる。一方、燃料電池触媒担持率が80質量%以上となる場合、触媒凝集が起こりやすくなる。また、触媒層160が薄くなりすぎて、フラッディングが起こる可能性が生じる。 The fuel cell catalyst loading rate in the catalyst layer 160 is not particularly limited, but is preferably 30% by mass or more and less than 80% by mass. Here, the fuel cell catalyst loading rate is preferably the mass % of the fuel cell catalyst relative to the total mass of the catalyst-loaded particles (particles in which the fuel cell catalyst is loaded on a template carbon material). In this case, the catalyst utilization rate is further increased. If the fuel cell catalyst loading rate is less than 30% by mass, it may be necessary to thicken the catalyst layer 160 to make the polymer electrolyte fuel cell 100 practical. On the other hand, if the fuel cell catalyst loading rate is 80% by mass or more, catalyst aggregation is more likely to occur. Furthermore, if the catalyst layer 160 becomes too thin, flooding may occur.
触媒層160における電解質材料の質量I(g)と触媒担体用炭素材料の質量C(g)との質量比I/Cは特に制限されないが、0.5超5.0未満であることが好ましい。この場合、細孔ネットワークと電解質材料ネットワークとが両立でき、触媒利用率が高くなる。一方、質量比I/Cが0.5以下となる場合、電解質材料ネットワークが貧弱になり、プロトン伝導抵抗が高くなる傾向にある。質量比I/Cが5.0以上となる場合、電解質材料によって細孔ネットワークが分断される可能性がある。いずれの場合にも、触媒利用率が低下する可能性がある。
The mass ratio I/C of the mass I (g) of the electrolyte material in the catalyst layer 160 to the mass C (g) of the catalyst support carbon material is not particularly limited, but is preferably greater than 0.5 and less than 5.0. In this case, both a pore network and an electrolyte material network can be achieved, resulting in a high catalyst utilization rate. On the other hand, if the mass ratio I/C is 0.5 or less, the electrolyte material network tends to be weak and the proton conduction resistance tends to be high. If the mass ratio I/C is 5.0 or more, the pore network may be disrupted by the electrolyte material. In either case, the catalyst utilization rate may be reduced.
また、触媒層160の厚さは特に制限されないが、5μm超20μm未満であることが好ましい。この場合、触媒層160内に酸化性ガスが拡散しやすく、かつ、フラッディングが生じにくくなる。触媒層160の厚さが5μm以下となる場合、フラッディングが生じやすくなる。触媒層160の厚さが20μm以上となる場合、触媒層160内で酸化性ガスが拡散しにくくなり、電解質膜170近傍の燃料電池用触媒が働きにくくなる。すなわち、触媒利用率が低下する可能性がある。 In addition, the thickness of the catalyst layer 160 is not particularly limited, but is preferably greater than 5 μm and less than 20 μm. In this case, oxidizing gases are more likely to diffuse within the catalyst layer 160, and flooding is less likely to occur. If the thickness of the catalyst layer 160 is 5 μm or less, flooding is more likely to occur. If the thickness of the catalyst layer 160 is 20 μm or more, oxidizing gases are less likely to diffuse within the catalyst layer 160, and the fuel cell catalyst near the electrolyte membrane 170 becomes less effective. In other words, the catalyst utilization rate may decrease.
電解質膜170は、プロトン伝導性を有する電解質材料で構成されている。電解質膜170は、上記酸化反応で生成したプロトンをカソードである触媒層160に導入する。ここで、電解質材料の種類は特に問われず、従来の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池で使用される電解質材料であればよい。好適な例は固体高分子形燃料電池で使用される電解質材料、すなわち、電解質樹脂である。電解質樹脂としては、例えば、リン酸基、スルホン酸基等を導入した高分子(例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマー又はベンゼンスルホン酸が導入されたポリマー)等が挙げられる。もちろん、電解質材料は他の種類の電解質材料であってもよい。このような電解質材料としては、例えば、無機系、無機-有機ハイブリッド系等の電解質材料等が挙げられる。なお、固体高分子形燃料電池100は、常温~150℃の範囲内で作動する燃料電池であってもよい。 The electrolyte membrane 170 is composed of a proton-conducting electrolyte material. The electrolyte membrane 170 introduces protons generated in the oxidation reaction to the catalyst layer 160, which serves as the cathode. The type of electrolyte material is not particularly important; it can be any electrolyte material used in conventional fuel cells, such as polymer electrolyte fuel cells. A suitable example is an electrolyte material used in polymer electrolyte fuel cells, i.e., an electrolyte resin. Examples of electrolyte resins include polymers with introduced phosphate groups, sulfonic acid groups, etc. (e.g., perfluorosulfonic acid polymers or polymers with introduced benzenesulfonic acid). Of course, other types of electrolyte materials may also be used. Examples of such electrolyte materials include inorganic and inorganic-organic hybrid electrolyte materials. The polymer electrolyte fuel cell 100 may be a fuel cell that operates within a temperature range from room temperature to 150°C.
<試験例Alk-1~Alk-59>
表1に示す種類及び量の、炭素源および鋳型源を混合した。粒子同士は可能な限り粒子径が小さい方が第一の加熱工程で均一な焼成物を形成することになるので、炭素源と鋳型源は、試験に供する前に、乳鉢、遊星ボールミルなどで粉砕し、体積平均粒子径が、1.0~10.0μmに調製したものを用いた。混合は、乳鉢を用いて少なくとも数分以上の時間をかけて混合したものを用いた。
次に、混合物を、ガス流通型の横型管状電気炉を用いて、アルゴンガスを流通させながら焼成(第一の加熱処理)して、炭素と鋳型との複合体を得た。具体的には、アルゴンは線速度3cm毎分の流量で流通させ、昇温速度20℃毎分で、室温から900℃まで昇温し、900℃で1時間保持した後に放冷し100℃以下になったところで取り出し、炭素と鋳型との複合体の複合体を得た。
次に、複合体を乳鉢で軽く解砕した後、20質量%の硫酸水溶液に分散させて、90℃で40時間撹拌後、メンブレンフィルターで吸引濾過し、再度、蒸留水に分散し濾過を2回繰り返し、洗浄した。これにより鋳型を除去した。
次に、洗浄物を100℃の温風乾燥機で水分を除去後、90℃5時間真空乾燥し、鋳型炭素材料の中間体を得た。
次に、得られる鋳型炭素材料の結晶性を高めるために、鋳型炭素材料の中間体に対して、不活性ガス雰囲気中、1500℃で1.0時間の第二の加熱処理を施した。その後、鋳型炭素材料の中間体に対して、黒鉛化処理(加熱処理)を実施した。
以上の工程を経て、鋳型炭素材料(つまり、多孔質炭素材料)を得た。
<Test Examples Alk-1 to Alk-59>
The carbon source and template source were mixed in the types and amounts shown in Table 1. Since particles with as small a particle size as possible form a uniform fired product in the first heating step, the carbon source and template source were pulverized in a mortar, planetary ball mill, or the like before testing to have a volume average particle size of 1.0 to 10.0 μm. The mixture was mixed in a mortar for at least several minutes.
The mixture was then fired (first heat treatment) in a gas-flow horizontal tubular electric furnace while flowing argon gas to obtain a composite of carbon and the template. Specifically, argon was flowed at a linear velocity of 3 cm per minute, and the temperature was raised from room temperature to 900°C at a rate of 20°C per minute. After holding at 900°C for 1 hour, the mixture was allowed to cool and then removed when it reached 100°C or below.
Next, the composite was lightly crushed in a mortar, dispersed in a 20% by mass aqueous solution of sulfuric acid, stirred at 90°C for 40 hours, and then suction filtered through a membrane filter. The composite was then dispersed in distilled water and filtered twice more, followed by washing to remove the template.
Next, the washed product was dried in a hot air dryer at 100° C. to remove moisture, and then vacuum dried at 90° C. for 5 hours to obtain an intermediate for the template carbon material.
Next, in order to enhance the crystallinity of the resulting template carbon material, the intermediate of the template carbon material was subjected to a second heat treatment in an inert gas atmosphere at 1500°C for 1.0 hour, after which the intermediate of the template carbon material was subjected to a graphitization treatment (heat treatment).
Through the above steps, a template carbon material (i.e., a porous carbon material) was obtained.
<評価>
得らえた鋳型炭素材料(つまり、多孔質炭素材料)について、次の評価を実施した。
<Evaluation>
The obtained template carbon material (i.e., porous carbon material) was evaluated as follows.
(炭素収率)
次の通り、各例の鋳型炭素材料の製造方法における炭素収率を求めた。
原料に用いた炭素源の質量に対する、鋳型源除去工程後の炭素の質量の質量比率を炭素収率として定義し、下記の方法にて測定した。
即ち、前述の第一の加熱処理である900℃1時間保持後のサンプルを、硫酸溶液処理とその後の洗浄処理により鋳型を除去し、更に、真空管処理まで施して得られた鋳型炭素の中間体の質量を計量し、その質量を、原料に用いた炭素源の質量で割って、炭素収率を%表示で算出した。
(Carbon Yield)
The carbon yield in the manufacturing method of the template carbon material of each example was determined as follows.
The mass ratio of the mass of carbon after the template source removal step to the mass of the carbon source used as the raw material was defined as the carbon yield, and was measured by the following method.
That is, the sample after the first heat treatment described above, which was held at 900°C for 1 hour, was treated with a sulfuric acid solution and then washed to remove the template, and further subjected to a vacuum tube treatment to obtain a template carbon intermediate. The mass of the intermediate was measured, and this mass was divided by the mass of the carbon source used as the raw material to calculate the carbon yield expressed as a percentage.
(窒素吸脱着等温線の測定)
得られた鋳型炭素材料から約30mgの試料を測り採り、120℃で2時間真空乾燥した。次いで、自動比表面積測定装置(マイクロトラックベル社製、BELSORP MAX)に試料をセットし、窒素ガスを吸着質に用いて77Kの測定温度で窒素吸脱着等温線を測定した。
窒素吸脱着等温線の測定では、一般の測定よりも、相対圧P/P0の測定間隔を小さく(具体的には、P/P0の測定間隔を0.005刻みで定点を取るように)設定した。つまり、測定上の相対圧P/P0の測定精度は0.005とした。
(Measurement of nitrogen adsorption/desorption isotherm)
Approximately 30 mg of a sample was weighed out from the obtained template carbon material and vacuum dried for 2 hours at 120° C. Next, the sample was set in an automatic specific surface area measuring device (BELSORP MAX, manufactured by Microtrackbell Co., Ltd.), and the nitrogen adsorption/desorption isotherm was measured at a measurement temperature of 77 K using nitrogen gas as the adsorbate.
In measuring the nitrogen adsorption/desorption isotherm, the measurement interval of the relative pressure P/ P0 was set smaller than that in a general measurement (specifically, the measurement interval of P/ P0 was set to take fixed points in increments of 0.005). In other words, the measurement accuracy of the relative pressure P/ P0 in the measurement was set to 0.005.
次に、相対圧P/P0が0.05~0.15の範囲で窒素吸着等温線をBET解析することにより、BET比表面積SBETを算出した。なお、BET解析には、装置に付属の解析ソフトを用いた。 Next, the nitrogen adsorption isotherm was analyzed by BET in the relative pressure P/P 0 range of 0.05 to 0.15 to calculate the BET specific surface area S BET . The BET analysis was performed using analysis software provided with the apparatus.
(触媒の調製、触媒層の作製、MEAの作製、燃料電池の組立、及び電池の性能の評価)
得られた鋳型炭素材料を用い、以下のようにして触媒金属が担持された固体高分子型燃料電池用触媒を調製し、また、得られた触媒を用いて触媒層インク液を調製し、次いでこの触媒層インク液を用いて触媒層を形成し、更に形成された触媒層を用いて膜電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)を作製し、この作製されたMEAを燃料電池セルに組み込み、燃料電池測定装置を用いて発電試験を行った。以下、各部材の調製及び発電試験によるセル評価について詳細に説明する。
(Catalyst preparation, catalyst layer fabrication, MEA fabrication, fuel cell assembly, and cell performance evaluation)
Using the obtained template carbon material, a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell carrying a catalytic metal was prepared as follows: the obtained catalyst was used to prepare a catalyst layer ink liquid, which was then used to form a catalyst layer, which was then used to fabricate a membrane electrode assembly (MEA), which was then incorporated into a fuel cell, and a power generation test was performed using a fuel cell measuring device. The preparation of each component and the cell evaluation through the power generation test are described in detail below.
(1) 固体高分子型燃料電池用触媒(白金担持炭素材料)の作製
得られた鋳型炭素材料を、蒸留水中に分散させ、この分散液にホルムアルデヒドを加え、40℃に設定したウォーターバスにセットし、分散液の温度がバスと同じ40℃になってから、撹拌下にこの分散液中にジニトロジアミンPt錯体硝酸水溶液をゆっくりと注ぎ入れた。その後、約2時間撹拌を続けた後、濾過し、得られた固形物の洗浄を行った。このようにして得られた固形物を90℃で真空乾燥した後、乳鉢で粉砕し、次いで水素を5体積%含むアルゴン雰囲気中200℃で1時間熱処理をして白金触媒粒子担持炭素材料を作製した。
なお、この白金担持炭素材料の白金担持量については、鋳型炭素材料と白金粒子の合計質量に対して40質量%となるように調整し、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES: Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometry)により測定して確認した。
(1) Preparation of a catalyst (platinum-supported carbon material) for a polymer electrolyte fuel cell. The obtained template carbon material was dispersed in distilled water, and formaldehyde was added to this dispersion. The dispersion was placed in a water bath set at 40°C. After the temperature of the dispersion reached 40°C, the same as the bath temperature, an aqueous solution of dinitrodiamine Pt complex nitric acid was slowly poured into the dispersion while stirring. Stirring was continued for approximately 2 hours, followed by filtration and washing of the resulting solid. The solid thus obtained was vacuum dried at 90°C, pulverized in a mortar, and then heat-treated at 200°C for 1 hour in an argon atmosphere containing 5% by volume of hydrogen to prepare a platinum catalyst particle-supported carbon material.
The amount of platinum carried in this platinum-supporting carbon material was adjusted to 40 mass % with respect to the total mass of the template carbon material and platinum particles, and was confirmed by measurement using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES).
(2) 触媒層の調製
以上のようにして調製された白金担持炭素材料(Pt触媒)を用い、また、電解質樹脂としてDupont社製ナフィオン(登録商標:Nafion;パースルホン酸系イオン交換樹脂)を用い、Ar雰囲気下でこれらPt触媒とナフィオンとを白金触媒粒子担持炭素材料の質量に対してナフィオン固形分の質量が1.0倍、非多孔質炭素に対しては0.5倍の割合で配合し、軽く撹拌した後、超音波でPt触媒を解砕し、更にエタノールを加えてPt触媒と電解質樹脂とを合わせた合計の固形分濃度が1.0質量%となるように調整し、Pt触媒と電解質樹脂とが混合した触媒層インク液を調製した。
(2) Preparation of Catalyst Layer Using the platinum-supported carbon material (Pt catalyst) prepared as described above, and Nafion (registered trademark: Nafion; a persulfonic acid-based ion exchange resin) manufactured by DuPont as the electrolyte resin, the Pt catalyst and Nafion were mixed under an Ar atmosphere in such a manner that the mass of the Nafion solid content relative to the mass of the platinum catalyst particle-supported carbon material was 1.0 times, and the mass of the Nafion solid content relative to the mass of the non-porous carbon was 0.5 times. After lightly stirring, the Pt catalyst was crushed by ultrasonic waves, and ethanol was further added to adjust the total solid content concentration of the Pt catalyst and the electrolyte resin to 1.0 mass %, thereby preparing a catalyst layer ink liquid in which the Pt catalyst and the electrolyte resin were mixed.
このようにして調製された固形分濃度1.0質量%の各触媒層インク液に更にエタノールを加え、白金濃度が0.5質量%のスプレー塗布用触媒層インク液を作製し、白金の触媒層単位面積当たりの質量(以下、「白金目付量」という。)が0.2mg/cm2となるようにスプレー条件を調節し、上記スプレー塗布用触媒層インクをテフロン(登録商標)シート上にスプレーした後、アルゴン中120℃で60分間の乾燥処理を行い、触媒層を作製した。 Ethanol was further added to each catalyst layer ink solution thus prepared, each with a solids concentration of 1.0% by mass, to produce a catalyst layer ink solution for spray application with a platinum concentration of 0.5% by mass. The spray conditions were adjusted so that the mass of platinum per unit area of the catalyst layer (hereinafter referred to as "platinum coverage") was 0.2 mg/cm2. The catalyst layer ink for spray application was sprayed onto a Teflon® sheet, which was then dried in argon at 120°C for 60 minutes to produce a catalyst layer.
(3) MEAの作製
以上のようにして作製した触媒層を用い、以下の方法でMEA(膜電極複合体)を作製した。
ナフィオン膜(Dupont社製NR211)から一辺6cmの正方形状の電解質膜を切り出した。また、テフロン(登録商標)シート上に塗布されたアノード及びカソードの各触媒層については、それぞれカッターナイフで一辺2.5cmの正方形状に切り出した。
このようにして切り出されたアノード及びカソードの各触媒層の間に、各触媒層が電解質膜の中心部を挟んでそれぞれ接すると共に互いにずれが無いように、この電解質膜を挟み込み、120℃、100kg/cm2で10分間プレスし、次いで室温まで冷却した後、アノード及びカソード共にテフロンシートのみを注意深く剥ぎ取り、アノード及びカソードの各触媒層が電解質膜に定着した触媒層-電解質膜接合体を調製した。
(3) Fabrication of MEA Using the catalyst layer fabricated as described above, an MEA (membrane electrode assembly) was fabricated by the following method.
A square electrolyte membrane with sides of 6 cm was cut out from a Nafion membrane (NR211 manufactured by DuPont). The anode and cathode catalyst layers coated on Teflon (registered trademark) sheets were each cut into a square with sides of 2.5 cm using a cutter knife.
The electrolyte membrane was sandwiched between the anode and cathode catalyst layers cut out in this manner so that the catalyst layers were in contact with each other, sandwiching the center of the electrolyte membrane, and so that there was no misalignment between them. The mixture was pressed at 120°C and 100 kg/cm for 10 minutes, and then cooled to room temperature. After that, the Teflon sheets were carefully peeled off from both the anode and cathode, thereby preparing a catalyst layer-electrolyte membrane assembly in which the anode and cathode catalyst layers were fixed to the electrolyte membrane.
次に、ガス拡散層として、カーボンペーパー(SGLカーボン社製35BC)から一辺2.5cmの大きさで一対の正方形状カーボンペーパーを切り出し、これらのカーボンペーパーの間に、アノード及びカソードの各触媒層が一致してずれが無いように、上記触媒層-電解質膜接合体を挟み、120℃、50kg/cm2で10分間プレスしてMEAを作製した。
なお、作製された各MEAにおける触媒金属成分、炭素材料、電解質材料の各成分の目付量については、プレス前の触媒層付テフロンシートの質量とプレス後に剥がしたテフロンシートの質量との差からナフィオン膜(電解質膜)に定着させた触媒層の質量を求め、触媒層の組成の質量比より算出した。
Next, a pair of square carbon paper sheets each measuring 2.5 cm on a side was cut out from carbon paper (35BC manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) to form a gas diffusion layer. The catalyst layer-electrolyte membrane assembly was sandwiched between these carbon papers so that the anode and cathode catalyst layers were aligned with each other without any misalignment, and the assembly was pressed at 120°C and 50 kg/cm for 10 minutes to prepare an MEA.
The basis weight of each component of the catalytic metal component, carbon material, and electrolyte material in each of the produced MEAs was calculated from the mass of the catalyst layer fixed to the Nafion membrane (electrolyte membrane) obtained from the difference between the mass of the Teflon sheet with the catalyst layer before pressing and the mass of the Teflon sheet peeled off after pressing, and then calculated from the mass ratio of the composition of the catalyst layer.
(4) 燃料電池の発電特性評価
(低電流特性の評価)
各試験例で調製され、また、準備された触媒担体用多孔質炭素材料を用いて作製したMEAについて、それぞれセルに組み込み、燃料電池測定装置にセットして、次の手順で燃料電池の性能評価を行った。
反応ガスについては、カソード側に空気を、また、アノード側に純水素を、それぞれ利用率が40%と70%となるように、大気圧下にセル下流に設けられた背圧弁で圧力調整し、背圧0.04MPaで供給した。また、セル温度は80℃に設定し、また、供給する反応ガスについては、カソード及びアノード共に、加湿器中で60℃に保温された蒸留水でバブリングを行い、80℃のセルに対し、60℃加湿のガスを供給し発電評価を行った。
(4) Evaluation of fuel cell power generation characteristics (evaluation of low current characteristics)
The MEAs prepared in each test example and fabricated using the prepared porous carbon material for catalyst support were each incorporated into a cell, which was then set in a fuel cell measuring device, and the performance of the fuel cell was evaluated according to the following procedure.
The reaction gases were supplied at a back pressure of 0.04 MPa, with air supplied to the cathode side and pure hydrogen supplied to the anode side, with the pressure adjusted by a back pressure valve installed downstream of the cell under atmospheric pressure so that the utilization rates were 40% and 70%, respectively. The cell temperature was set to 80°C, and the reaction gases supplied were both bubbled with distilled water kept at 60°C in a humidifier, and humidified gas at 60°C was supplied to the cell at 80°C to evaluate power generation.
このような設定の下にセルに反応ガスを供給した条件下で、負荷を徐々に増やし、電流密度100mA/cm2におけるセル端子間電圧を出力電圧として記録し、燃料電池の性能評価を実施し、下記の合格ランクと不合格ランクの基準で評価を行った。結果を表1に示す。
〔合格ランク〕
◎:100mA/cm2における出力電圧が0.880V以上であるもの。
○:100mA/cm2における出力電圧が0.870V以上であるもの。
〔不合格ランク〕
×:100mA/cm2における出力電圧が0.850V以上0.870V未満であるもの。
Under these conditions, the reactant gas was supplied to the cell, and the load was gradually increased. The cell terminal voltage at a current density of 100 mA/ cm2 was recorded as the output voltage, and the performance of the fuel cell was evaluated using the following pass/fail ranking criteria. The results are shown in Table 1.
[Passing rank]
◎: Output voltage at 100 mA/cm 2 is 0.880 V or more.
○: Output voltage at 100 mA/cm 2 is 0.870 V or more.
[Failure rank]
×: The output voltage at 100 mA/cm 2 is 0.850 V or more and less than 0.870 V.
上記結果から、本発明例の鋳型炭素材料の製造方法では、炭素源として樹脂材料を適応した比較例と同等以上に、炭素収率が高く、歩留まりの良い鋳型炭素材料の製造方法であることがわかる。
また、本発明例の鋳型炭素材料の製造方法で得られた鋳型炭素材料(つまり、多孔質炭素材料)を利用した触媒は、電池性能が高い電池が得られることもわかる。
From the above results, it can be seen that the method for producing template carbon material in the present invention is a method for producing template carbon material with a high carbon yield and good yield, equal to or higher than the comparative example in which a resin material was used as the carbon source.
It is also clear that a catalyst using the template carbon material (that is, the porous carbon material) obtained by the method for producing a template carbon material according to the present invention can provide a battery with high cell performance.
なお、以下、表中の略称等の詳細について示す。
PVA:ポリビニルアルコール(重量平均分子量=10000)
PEG:ポリエチレングリコール(重量平均分子量=600)
PVC:ポリ塩化ビニル(重量平均分子量=10000)
PAA:ポリアクリル酸(重量平均分子量=10000)
Details of the abbreviations in the table are provided below.
PVA: Polyvinyl alcohol (weight average molecular weight = 10,000)
PEG: polyethylene glycol (weight average molecular weight = 600)
PVC: Polyvinyl chloride (weight average molecular weight = 10,000)
PAA: Polyacrylic acid (weight average molecular weight = 10,000)
100 固体高分子形燃料電池
110、120 セパレータ
130、140 ガス拡散層
150、160 触媒層
170 電解質膜
100 Solid polymer fuel cell 110, 120 Separator 130, 140 Gas diffusion layer 150, 160 Catalyst layer 170 Electrolyte membrane
Claims (9)
前記炭素源と前記鋳型源との混合物を熱処理し、炭素と鋳型との複合体を得る第1の加熱工程と
前記炭素と前記鋳型との前記複合体から前記鋳型源を除去し、鋳型炭素材料の中間体を得る鋳型源除去工程と
前記鋳型炭素材料の中間体を熱処理する第2の加熱工程と、
を有し、
前記炭素源が下記要件(A)を満たし、かつクエン酸を除く炭素源であり、前記鋳型源が下記要件(B)を満たす鋳型源である鋳型炭素材料の製造方法。
(A)前記炭素源が、カルボキシル基を2個以上含み、かつ2個以上の前記カルボキシル基のうち、少なくとも2個の前記カルボキシル基の間に2個以上4個以下の炭素原子が介在する構造を有する脂肪族炭化水素化合物である。
(B)前記鋳型源が、マグネシウム及びアルカリ土類金属の、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種。 a mixing step of mixing a carbon source and a template source;
a first heating step of heat-treating the mixture of the carbon source and the template source to obtain a composite of carbon and the template;
a template source removal step of removing the template source from the composite of the carbon and the template to obtain an intermediate of the template carbon material;
a second heating step of heat-treating the intermediate of the template carbon material;
and
The method for producing a template carbon material , wherein the carbon source satisfies the following requirement (A) and is a carbon source excluding citric acid , and the template source satisfies the following requirement (B):
(A) The carbon source is an aliphatic hydrocarbon compound having a structure that contains two or more carboxyl groups and has at least two but not more than four carbon atoms between at least two of the two or more carboxyl groups.
(B) The template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and alkaline earth metals.
前記炭素源と前記鋳型源との混合物を熱処理し、炭素と鋳型との複合体を得る第1の加熱工程と
前記炭素と前記鋳型との前記複合体から前記鋳型源を除去し、鋳型炭素材料の中間体を得る鋳型源除去工程と
前記鋳型炭素材料の中間体を熱処理する第2の加熱工程と、
を有し、
前記炭素源が下記要件(C)を満たす炭素源であり、前記鋳型源が下記要件(B)を満たす鋳型源である鋳型炭素材料の製造方法。
(C)前記炭素源が、カルボキシル基を2個若しくは4個含み、かつ少なくとも2個の前記カルボキシル基の間に2個以上4個以下の炭素原子が介在する構造を有する脂肪族炭化水素化合物、または、アコニット酸、1,2,3-プロパントリカルボン酸、シクロヘキサン-1,3,5-トリカルボン酸、シクロヘキサン-1,2,4-トリカルボン酸、及びメチルクエン酸のいずれか1種以上である。
(B)前記鋳型源が、マグネシウム及びアルカリ土類金属の、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、並びに水酸化物から選択される少なくとも1種。 a mixing step of mixing a carbon source and a template source;
a first heating step of heat-treating the mixture of the carbon source and the template source to obtain a composite of carbon and the template;
a template source removal step of removing the template source from the composite of the carbon and the template to obtain an intermediate of the template carbon material;
a second heating step of heat-treating the intermediate of the template carbon material;
and
A method for producing a template carbon material, wherein the carbon source is a carbon source that satisfies the following requirement (C) , and the template source is a template source that satisfies the following requirement (B) .
(C) The carbon source is an aliphatic hydrocarbon compound having a structure containing two or four carboxyl groups and having at least two of the carboxyl groups separated by two to four carbon atoms, or one or more of aconitic acid, 1,2,3-propanetricarboxylic acid, cyclohexane-1,3,5-tricarboxylic acid, cyclohexane-1,2,4-tricarboxylic acid, and methylcitric acid.
(B) The template source is at least one selected from oxides, carbonates, sulfates, and hydroxides of magnesium and alkaline earth metals.
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