JP2010275140A - Hydrogen storage carbon material and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素吸蔵炭素材料及びその製造方法に関し、特に、水素吸蔵能が向上した炭素材料に関する。 The present invention relates to a hydrogen storage carbon material and a method for producing the same, and more particularly to a carbon material with improved hydrogen storage capacity.
近年、水素を使って電気エネルギーを取り出す燃料電池の研究開発が盛んに行われており、自家用発電源や自動車用電源としての実用化が期待されている。例えば、固体高分子型燃料電池(PEFC)は、低温領域での運転が可能であるため、家庭用コージェネレーション・システムや自動車での使用に適している。また、PEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、且つシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。 In recent years, research and development of fuel cells that extract electric energy using hydrogen have been actively conducted, and their practical application as a self-generated power source or an automotive power source is expected. For example, since a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be operated in a low temperature region, it is suitable for use in a home cogeneration system or an automobile. In addition, PEFC has attracted attention as a power source and portable power source for electric vehicles because of its high energy conversion efficiency, short start-up time, and small and light system.
燃料電池を実用化する上では、限られた収容空間において燃料である水素をいかに効率よく且つ安全に貯蔵できるかが重要である。水素貯蔵方法の1つとしては、水素吸蔵材料を用いる方法がある。 In putting a fuel cell into practical use, it is important how efficiently and safely hydrogen as a fuel can be stored in a limited housing space. One of the hydrogen storage methods is a method using a hydrogen storage material.
水素吸蔵材料としては、例えば、合金の使用が検討されている。しかしながら、水素吸蔵合金を使用する場合、水素貯蔵装置の重量が大きくなってしまうという問題がある。また、使用する金属の種類によっては価格や埋蔵量の点で問題がある。 As the hydrogen storage material, for example, the use of an alloy has been studied. However, when a hydrogen storage alloy is used, there is a problem that the weight of the hydrogen storage device increases. Also, depending on the type of metal used, there are problems in terms of price and reserves.
これに対し、資源の枯渇がなく、比較的安価である炭素材料の使用が検討されている。例えば、特許文献1には、炭素層の間隔を0.5nm以上に拡大することにより、水素吸蔵量を増加させた炭素材料が記載されている。 On the other hand, the use of carbon materials that are relatively inexpensive and are not depleted of resources is being studied. For example, Patent Document 1 describes a carbon material in which the hydrogen storage amount is increased by expanding the interval between carbon layers to 0.5 nm or more.
しかしながら、これまで検討されてきた炭素材料の水素吸蔵能は、水素吸蔵材料として実用化する上では十分なものとはいえない。 However, the hydrogen storage capacity of the carbon materials studied so far is not sufficient for practical use as a hydrogen storage material.
これに対し、本発明の発明者らは、独自に鋭意検討を重ねた結果、従来の水素吸蔵炭素材料には見られない態様で水素を吸蔵する炭素材料を見出し、本発明を完成するに至った。 On the other hand, the inventors of the present invention, as a result of repeated independent studies, found a carbon material that occludes hydrogen in a manner not found in conventional hydrogen occlusion carbon materials, and completed the present invention. It was.
すなわち、本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、水素吸蔵能が向上した水素吸蔵炭素材料及びその製造方法を提供することをその目的の一つとする。 That is, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a hydrogen storage carbon material having improved hydrogen storage capacity and a method for producing the same.
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る水素吸蔵炭素材料は、吸蔵した水素の一部が1H−NMR測定において化学シフト−5〜−30ppmの位置に半値幅30ppm以下のピークを示すことを特徴とする。本発明によれば、水素吸蔵能が向上した水素吸蔵炭素材料を提供することができる。 A hydrogen storage carbon material according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem is that a peak of a half-value width of 30 ppm or less at a position where a part of the stored hydrogen is a chemical shift of −5 to −30 ppm in 1 H-NMR measurement. It is characterized by showing. According to the present invention, it is possible to provide a hydrogen storage carbon material with improved hydrogen storage capacity.
また、前記水素吸蔵炭素材料は、炭素構造におけるa軸方向の平均結晶子サイズLaが5.0nm以下、且つc軸方向の平均結晶子サイズLcが0.5nm以上であるとすることもできる。また、前記水素吸蔵炭素材料は、炭素構造の平均(002)面間隔d002が0.340〜0.450nmであるとすることもできる。また、前記水素吸蔵炭素材料は、X線回折図における炭素構造の(002)面反射に対応するピーク面積とアモルファス構造に由来するピーク面積との合計面積に対する前記(002)面反射に対応するピーク面積の割合が10%以上であるとすることもできる。 The hydrogen storage carbon material may have an average crystallite size La in the a-axis direction of a carbon structure of 5.0 nm or less and an average crystallite size Lc in the c-axis direction of 0.5 nm or more. The hydrogen storage carbon material may have an average (002) plane distance d 002 of a carbon structure of 0.340 to 0.450 nm. Further, the hydrogen storage carbon material has a peak corresponding to the (002) plane reflection with respect to the total area of the peak area corresponding to the (002) plane reflection of the carbon structure and the peak area derived from the amorphous structure in the X-ray diffraction diagram. The area ratio may be 10% or more.
また、前記水素吸蔵炭素材料は、樹脂と金属とを含有する原料を炭素化して得られるものとすることもできる。また、この場合、前記水素吸蔵炭素材料は、前記原料を700℃以上で炭素化して得られるものとすることもできる。 The hydrogen storage carbon material may be obtained by carbonizing a raw material containing a resin and a metal. In this case, the hydrogen storage carbon material may be obtained by carbonizing the raw material at 700 ° C. or higher.
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る水素吸蔵炭素材料の製造方法は、樹脂と金属とを含有する原料の炭素化を複数の条件で行い、前記複数の条件のうち、吸蔵した水素の一部が1H−NMR測定において化学シフト−5〜−30ppmの位置に半値幅30ppm以下のピークを示す炭素材料が得られる条件を選択し、前記選択された条件で前記原料を炭素化して水素吸蔵炭素材料を製造することを特徴とする。本発明によれば、水素吸蔵能が向上した水素吸蔵炭素材料の製造方法を提供することができる。 The method for producing a hydrogen storage carbon material according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem includes performing carbonization of a raw material containing a resin and a metal under a plurality of conditions, and storing the storage among the plurality of conditions. The conditions for obtaining a carbon material having a peak with a half-value width of 30 ppm or less at a position of a chemical shift of -5 to -30 ppm in a 1 H-NMR measurement in 1 H-NMR measurement are selected, and the raw material is carbonized under the selected conditions. And producing a hydrogen storage carbon material. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the hydrogen storage carbon material which improved the hydrogen storage ability can be provided.
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る水素吸蔵炭素材料の製造方法は、樹脂と金属とを含有する原料の炭素化を複数の条件で行い、前記複数の条件のうち、炭素構造におけるa軸方向の平均結晶子サイズLaが5.0nm以下、且つc軸方向の平均結晶子サイズLcが0.5nm以上である炭素材料が得られる条件を選択し、前記選択された条件で前記原料を炭素化して水素吸蔵炭素材料を製造することを特徴とする。本発明によれば、水素吸蔵能が向上した水素吸蔵炭素材料の製造方法を提供することができる。 A method for producing a hydrogen storage carbon material according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem is that carbonization of a raw material containing a resin and a metal is performed under a plurality of conditions. In the structure, a condition for obtaining a carbon material having an average crystallite size La in the a-axis direction of 5.0 nm or less and an average crystallite size Lc in the c-axis direction of 0.5 nm or more is selected. The raw material is carbonized to produce a hydrogen storage carbon material. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the hydrogen storage carbon material which improved the hydrogen storage ability can be provided.
また、前記複数の条件のうち、さらに炭素構造の平均(002)面間隔d002が0.340〜0.450nmである前記炭素材料が得られる条件を選択することとしてもよい。また、前記複数の条件のうち、さらにX線回折図における炭素構造の(002)面反射に対応するピーク面積とアモルファス構造に由来するピーク面積との合計面積に対する前記(002)面反射に対応するピーク面積の割合が10%以上である前記炭素材料が得られる条件を選択することとしてもよい。 Further, among the plurality of conditions, it is also possible to further average the carbon structure (002) spacing d 002 selects a condition wherein the carbon material is 0.340~0.450nm is obtained. Among the plurality of conditions, the (002) plane reflection corresponds to the total area of the peak area corresponding to the (002) plane reflection of the carbon structure and the peak area derived from the amorphous structure in the X-ray diffraction diagram. The conditions for obtaining the carbon material having a peak area ratio of 10% or more may be selected.
本発明によれば、水素吸蔵能が向上した水素吸蔵炭素材料及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen storage carbon material which improved hydrogen storage ability, and its manufacturing method can be provided.
以下に、本発明の一実施形態について説明する。なお、本発明は本実施形態に限られるものではない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.
本実施形態に係る水素吸蔵炭素材料(以下、「本炭素材料」という。)は、その炭素構造内に水素を吸蔵する水素吸蔵能を備え、吸蔵した水素の一部が1H−NMR測定において化学シフト−5〜−30ppmの位置に半値幅30ppm以下のピークを示す炭素材料である。 The hydrogen storage carbon material according to the present embodiment (hereinafter referred to as “the present carbon material”) has a hydrogen storage capacity for storing hydrogen in its carbon structure, and a portion of the stored hydrogen is 1 H-NMR measurement. It is a carbon material that shows a peak with a half-value width of 30 ppm or less at a chemical shift of -5 to -30 ppm.
すなわち、本炭素材料に水素を吸蔵させて1H−NMR測定を行うと、高磁場側に5〜30ppmシフトした位置に、吸蔵した水素の一部に起因する半値幅30ppm以下のピーク(以下、「特異ピーク」という。)が現れる。なお、ピークの化学シフトは、例えば、本炭素材料の分散に用いた溶媒(例えば、α−アルミナ)のみに水素を導入した場合に得られるピークを基準(0ppm)に規定することができる。 That is, when 1 H-NMR measurement is performed by storing hydrogen in the present carbon material, a peak having a half-width of 30 ppm or less (hereinafter, referred to as “half-value width”) caused by a part of the stored hydrogen is located at a position shifted by 5 to 30 ppm toward the high magnetic field side. "Singular peak") appears. In addition, the chemical shift of a peak can prescribe | regulate the peak obtained when hydrogen is introduce | transduced only into the solvent (for example, (alpha) -alumina) used for dispersion | distribution of this carbon material on the basis (0 ppm), for example.
この特異ピークは、水素を吸蔵させた活性炭やカーボンブラックを1H−NMR測定しても検出されない、本炭素材料に特有のものである。すなわち、本炭素材料は、他の炭素材料では見られない、1H−NMR測定において特異ピークを示す特有の態様で水素を吸蔵する。 This peculiar peak is peculiar to the present carbon material that is not detected even when activated carbon or carbon black occluded with hydrogen is subjected to 1 H-NMR measurement. That is, the present carbon material occludes hydrogen in a unique manner that exhibits a specific peak in 1 H-NMR measurement, which is not found in other carbon materials.
この本炭素材料に特有の水素吸蔵態様がどのような機構によるものかは明らかではないが、本炭素材料に特有の炭素構造と、導入された水素と、の特異的な相互作用によるものと考えられる。 It is not clear what mechanism the hydrogen storage mode peculiar to this carbon material is, but it is thought to be due to the specific interaction between the carbon structure peculiar to this carbon material and the introduced hydrogen. It is done.
本炭素材料は、樹脂と金属とを含有する原料を炭素化して得られ、炭素六角網面(以下、単に「炭素網面」という。)に活性点としてエッジ部分や屈曲部分等の欠陥部分が多数形成された炭素構造を有する。すなわち、本炭素材料は、例えば、金属の微粒子の周りに、玉ねぎ状に積層発達した、グラファイト構造に類似の乱層構造(以下、「シェル状構造」という。)を有する。このシェル状構造に含まれる炭素網面のエッジ部分や屈曲部分は、触媒反応等の化学反応の活性点として機能すると考えられる。 This carbon material is obtained by carbonizing a raw material containing a resin and a metal, and a defect portion such as an edge portion or a bent portion is formed as an active point on a carbon hexagonal network surface (hereinafter simply referred to as “carbon network surface”). It has a large number of formed carbon structures. That is, the present carbon material has, for example, a turbulent layer structure (hereinafter referred to as “shell structure”) similar to a graphite structure, which has been developed in an onion shape around metal fine particles. It is considered that the edge portion and the bent portion of the carbon network surface included in the shell-like structure function as active points for chemical reactions such as catalytic reactions.
また、本炭素材料は、例えば、平均粒径が3〜100nm、好ましくは30〜50nmの微粒子とすることができる。本炭素材料がこのようなナノ粒子である場合には、特に、その曲率の大きな表面に上述のような活性点が多く形成される。本炭素材料の比表面積は、例えば、100〜3000m2/gとすることができる。 Moreover, this carbon material can be made into the microparticles | fine-particles with an average particle diameter of 3-100 nm, for example, Preferably it is 30-50 nm. When the present carbon material is such a nanoparticle, many active points as described above are formed on the surface having a large curvature. The specific surface area of the present carbon material can be, for example, 100 to 3000 m 2 / g.
そして、本炭素材料は、例えば、その炭素構造におけるa軸方向の平均結晶子サイズLaが5.0nm以下、且つc軸方向の平均結晶子サイズLcが0.5nm以上であるものとすることができる。 In the carbon material, for example, the average crystallite size La in the a-axis direction in the carbon structure is 5.0 nm or less, and the average crystallite size Lc in the c-axis direction is 0.5 nm or more. it can.
ここで、平均結晶子サイズLa(以下、単に「平均La」という。)は、炭素構造に含まれる炭素網面が二次元的に広がって形成される平面を円に近似した場合の直径に相当し、当該平面広がりの程度を示す。また、平均結晶子サイズLc(以下、単に「平均Lc」という。)は、炭素構造に含まれる平行に積層した炭素網面群のc軸方向の厚さを示す。 Here, the average crystallite size La (hereinafter, simply referred to as “average La”) corresponds to a diameter when a plane formed by two-dimensionally expanding a carbon network surface included in the carbon structure is approximated to a circle. And the extent of the plane spread. Further, the average crystallite size Lc (hereinafter, simply referred to as “average Lc”) indicates the thickness in the c-axis direction of the carbon network plane group stacked in parallel included in the carbon structure.
本炭素材料の平均Laは、さらに、例えば、4.0nm以下とすることができ、3.0nm以下とすることができる。平均Laの下限値は特に限られないが、平均Laは、例えば、1.0nm以上とすることができる。また、平均Lcは、さらに、例えば、0.6nm以上とすることができる。平均Lcの上限値は特に限られないが、平均Lcは、例えば、1.5nm以下とすることができる。 The average La of the present carbon material can be further set to, for example, 4.0 nm or less, and can be set to 3.0 nm or less. The lower limit value of the average La is not particularly limited, but the average La can be set to 1.0 nm or more, for example. Further, the average Lc can be set to 0.6 nm or more, for example. The upper limit value of the average Lc is not particularly limited, but the average Lc can be set to 1.5 nm or less, for example.
本炭素材料の炭素構造は、これら平均La範囲と平均Lc範囲との任意の組み合わせにより特定することができる。平均Laが上述の閾値以下である場合、本炭素材料の炭素構造は、炭素網面のa軸方向の広がりが比較的小さく、当該炭素網面が頻繁に途切れて形成される多くの(高密度の)活性点を含むことになる。 The carbon structure of the present carbon material can be specified by any combination of the average La range and the average Lc range. When the average La is equal to or less than the above-described threshold value, the carbon structure of the present carbon material has a relatively small spread of the carbon network surface in the a-axis direction, and the carbon network surface is frequently interrupted and formed (high density). Of active points).
また、本炭素材料は、その炭素構造を構成する炭素網面の7nm以下の結晶子サイズLa分布において、例えば、1〜5nmの割合が10%以上であり、且つ5〜7nmの割合が60%以下であるものとすることができる。この結晶子サイズLa分布における5〜7nmの割合は、さらに、例えば、50%以下とすることができ、40%以下とすることができる。 In the carbon material, in the distribution of crystallite size La of 7 nm or less on the carbon network surface constituting the carbon structure, for example, the ratio of 1 to 5 nm is 10% or more, and the ratio of 5 to 7 nm is 60%. It can be: The ratio of 5 to 7 nm in the crystallite size La distribution can be, for example, 50% or less, and 40% or less.
一方、平均Lcが上述の閾値以上である場合、本炭素材料は、c軸方向の積層構造が発達した炭素構造を有することになる。平均Lcが大きくなるほど、本炭素材料は、炭素網面の積層数がより多い炭素構造を有することになる。 On the other hand, when the average Lc is equal to or greater than the above threshold value, the present carbon material has a carbon structure in which a laminated structure in the c-axis direction is developed. As the average Lc increases, the present carbon material has a carbon structure with a larger number of carbon network layer stacks.
また、本炭素材料は、例えば、c軸方向における炭素網面の積層数分布における積層数3以上の割合が30%以上である炭素構造を有することができる。この積層数分布における積層数3以上の割合は、さらに、例えば、40%以上とすることができ、45%以上とすることができる。 In addition, the present carbon material can have a carbon structure in which, for example, the ratio of the number of laminations of 3 or more in the distribution of the number of laminations of the carbon network surface in the c-axis direction is 30% or more. In the distribution of the number of layers, the ratio of the number of layers 3 or more can be, for example, 40% or more, and 45% or more.
また、本炭素材料は、例えば、炭素構造の平均(002)面間隔d002が0.340〜0.450nmであるものとすることができる。ここで、平均(002)面間隔d002(以下、単に「平均面間隔d002」という。)は、炭素構造を構成する炭素(002)面間の平均距離である。本炭素材料の平均面間隔d002は、さらに、例えば、0.340〜0.400nmとすることができ、0.340〜0.350nmとすることができる。 In addition, for example, the carbon material may have an average (002) plane distance d 002 of the carbon structure of 0.340 to 0.450 nm. Here, the average (002) plane spacing d 002 (hereinafter simply referred to as “average plane spacing d 002 ”) is the average distance between the carbon (002) planes constituting the carbon structure. The average interplanar distance d 002 of the present carbon material can be further set to 0.340 to 0.400 nm, for example, and can be set to 0.340 to 0.350 nm.
また、本炭素材料は、例えば、X線回折図における炭素構造の(002)面反射に対応するピーク面積とアモルファス構造に由来するピーク面積との合計面積に対する前記(002)面反射に対応するピーク面積の割合が10%以上であるものとすることができる。 Further, the present carbon material has, for example, a peak corresponding to the (002) plane reflection with respect to a total area of a peak area corresponding to the (002) plane reflection of the carbon structure and a peak area derived from the amorphous structure in the X-ray diffraction diagram. The area ratio may be 10% or more.
ここで、上述のX線回折図においては、本炭素材料がシェル状構造等の発達した構造(以下、これらを総称して「シェル状構造」という。)を有する場合には、回折角(2θ)が26°の付近に炭素(002)面の回折ピークが現れる。このピークには、シェル状構造炭素の(002)面に由来するピーク(以下、「シェル状構造ピーク」という。)と、アモルファス構造に由来するピーク(以下、「アモルファス構造ピーク」という。)と、の2種類が混じっている。 Here, in the above X-ray diffraction diagram, when the present carbon material has a developed structure such as a shell-like structure (hereinafter collectively referred to as “shell-like structure”), a diffraction angle (2θ ) Shows a diffraction peak of the carbon (002) plane in the vicinity of 26 °. This peak includes a peak derived from the (002) plane of the shell-like structure carbon (hereinafter referred to as “shell-like structure peak”) and a peak derived from the amorphous structure (hereinafter referred to as “amorphous structure peak”). The two types are mixed.
したがって、X線回折データのピーク分離によって、この26°付近のピークをシェル状構造ピークとアモルファス構造ピークとに分離することができる。そして、これら2種類のピーク面積の合計に対するシェル状構造ピーク面積の割合を算出すると、当該割合は、シェル状構造の発達(結晶化)の程度を表す指標(以下、「シェル状構造の結晶化度」という。)となる。 Therefore, the peak near 26 ° can be separated into a shell-like structure peak and an amorphous structure peak by peak separation of the X-ray diffraction data. Then, when the ratio of the peak area of the shell-like structure to the sum of these two types of peak areas is calculated, the ratio is an index indicating the degree of development (crystallization) of the shell-like structure (hereinafter referred to as “crystallization of the shell-like structure”). It is called "degree".)
本炭素材料のシェル状構造の結晶化度は、さらに、例えば、15%以上とすることができ、20%以上とすることができ、25%以上とすることができる。このシェル状構造の結晶化度が上述の閾値以上である場合には、本炭素材料は、十分に発達したシェル状構造を含む炭素構造を有することになる。そして、シェル状構造の結晶化度が大きくなるほど、本炭素材料は、より発達したシェル状構造を有することになる。 The degree of crystallinity of the shell-like structure of the present carbon material can be, for example, 15% or more, 20% or more, and 25% or more. When the crystallinity of the shell-like structure is not less than the above-mentioned threshold value, the present carbon material has a carbon structure including a sufficiently developed shell-like structure. As the crystallinity of the shell-like structure increases, the present carbon material has a more developed shell-like structure.
なお、この結晶化度は、特開2007−207662号公報に記載されている、シェル状構造の炭素粒子の(002)面反射に対応するX線回折線図における先鋭成分面積と略平坦成分面積との合計面積に対する当該先鋭成分面積の割合に相当する。 Note that the crystallinity is determined by the sharp component area and the substantially flat component area in the X-ray diffraction diagram corresponding to the (002) plane reflection of the carbon particles having a shell-like structure described in JP-A-2007-207662. This corresponds to the ratio of the sharp component area to the total area.
本炭素材料は、1H−NMR測定において上述の特異ピークとして観測される、従来の水素吸蔵炭素材料には見られない態様で水素を吸蔵する。すなわち、本炭素材料は、従来の水素吸蔵炭素材料で知られている態様(例えば、分子状水素の表面への吸着)に加えて、上述した炭素構造に起因すると考えられる特有の態様で、さらに水素を吸蔵することができる。 The present carbon material occludes hydrogen in an aspect that is observed as a singular peak in 1 H-NMR measurement and is not found in conventional hydrogen occlusion carbon materials. That is, the present carbon material has a unique aspect considered to be attributable to the above-described carbon structure in addition to an aspect known for a conventional hydrogen storage carbon material (for example, adsorption of molecular hydrogen on the surface). Can store hydrogen.
この点、本炭素材料は、例えば、上述のように、エッジ部分等の活性点が多く形成され、積層構造が発達し、さらに炭素網面が適度な間隔で積層された特有の炭素構造を有することにより、上記特異ピークで表わされる特有の態様で水素を吸蔵することができると考えられる。 In this respect, for example, as described above, the present carbon material has a unique carbon structure in which many active points such as edge portions are formed, a laminated structure is developed, and carbon network surfaces are laminated at appropriate intervals. Thus, it is considered that hydrogen can be occluded in a specific mode represented by the specific peak.
なお、上述の本炭素材料の平均面間隔d002は、黒鉛結晶のそれに比べて大きく、且つ面間隔を拡大する従来技術で目標とされている0.5nm以上という範囲より小さい。したがって、本炭素材料は、従来試みられている面間隔の拡大というアプローチとは全く異なり、面間隔を適度な範囲に維持しつつ、乱層構造に由来する特有の炭素構造を備えることにより、優れた炭素吸蔵能を発揮するものである。 Note that the average interplanar spacing d 002 of the present carbon material is larger than that of the graphite crystal, and smaller than the range of 0.5 nm or more, which is a target in the prior art for expanding the interplanar spacing. Therefore, the present carbon material is completely different from the conventionally attempted approach of increasing the interplanar spacing, and is excellent by having a unique carbon structure derived from a turbulent structure while maintaining the interplanar spacing within an appropriate range. The carbon storage ability is demonstrated.
このように、本炭素材料は、優れた水素吸蔵能を発揮する。すなわち、例えば、本炭素材料の単位表面積あたりの水素吸蔵量は、活性炭のそれに比べて顕著に高い。具体的に、本炭素材料の単位表面積あたりの水素吸蔵量は、例えば、1.0×10−3g/m2以上とすることができる。このような優れた水素吸蔵能を有する本炭素材料は、水素を原料として利用する種々の装置やシステムに適用することができる。 Thus, this carbon material exhibits an excellent hydrogen storage capacity. That is, for example, the hydrogen storage amount per unit surface area of the present carbon material is significantly higher than that of activated carbon. Specifically, the hydrogen storage amount per unit surface area of the present carbon material can be set to, for example, 1.0 × 10 −3 g / m 2 or more. The present carbon material having such an excellent hydrogen storage capacity can be applied to various apparatuses and systems that use hydrogen as a raw material.
次に、本実施形態に係る水素吸蔵炭素材料の製造方法(以下、「本製造方法」という。)について説明する。 Next, a method for producing the hydrogen storage carbon material according to the present embodiment (hereinafter referred to as “the present production method”) will be described.
本製造方法においては、樹脂と金属とを含有する原料を炭素化することにより、当該樹脂の炭素化により形成された炭素構造を有する水素吸蔵炭素材料を製造する。本炭素材料は、本製造方法によって効率よく且つ確実に製造することができる。 In this manufacturing method, the hydrogen storage carbon material which has the carbon structure formed by carbonization of the said resin is manufactured by carbonizing the raw material containing resin and a metal. The present carbon material can be produced efficiently and reliably by this production method.
原料の一部として用いられる樹脂は、炭素化できる高分子材料であれば特に限られない。すなわち、例えば、炭素化が可能な熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。具体的に、例えば、ポリビニルピリジン、ポリアクリロニトリル、キレート樹脂、セルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリフルフリルアルコール、フラン樹脂、フェノール樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂、ポリイミダゾール、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ピッチ、褐炭、ポリ塩化ビニリデン、ポリカルボジイミド、リグニン、無煙炭、バイオマス、タンパク質、フミン酸、ポリスルフォン、ポリアミノビスマレイミド、ポリイミド、ポリアニリン、ポリピロール、アイオノマーを用いることができる。これらの樹脂は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。 The resin used as a part of the raw material is not particularly limited as long as it is a polymer material that can be carbonized. That is, for example, a thermosetting resin or a thermoplastic resin that can be carbonized can be used. Specifically, for example, polyvinyl pyridine, polyacrylonitrile, chelate resin, cellulose, carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyfurfuryl alcohol, furan resin, phenol resin, phenol formaldehyde resin , Polyimidazole, melamine resin, epoxy resin, pitch, lignite, polyvinylidene chloride, polycarbodiimide, lignin, anthracite, biomass, protein, humic acid, polysulfone, polyaminobismaleimide, polyimide, polyaniline, polypyrrole, ionomer may be used it can. These resins can be used singly or in combination of two or more.
なお、分子内に窒素原子を含有する樹脂を使用することにより、窒素原子をドープした場合と同様の効果を得ることができる。また、樹脂としては、熱硬化によって炭素化可能な高分子材料であれば金属原子を含有していてもよい。また、熱硬化性に乏しい樹脂を用いる場合、当該樹脂の不融化を行うこととしてもよい。この操作により樹脂の本来の融点又は軟化点以上の温度であっても当該樹脂の構造を維持することができる。不融化の方法は公知の方法により行うことができる。また、一般に炭素化に適していないとされる高分子材料であっても、例えば、架橋を促す他の高分子材料を混合又は共重合させることにより炭素化を行うことができる。樹脂との形状は、本製造方法により製造される炭素材料の水素吸蔵能を損なわない限り特に限られず、例えば、シート状、繊維状、ブロック状、粒子状とすることができる。 In addition, the effect similar to the case where nitrogen atom is doped can be acquired by using resin containing a nitrogen atom in a molecule | numerator. The resin may contain a metal atom as long as it is a polymer material that can be carbonized by thermosetting. Moreover, when using resin with poor thermosetting, it is good also as performing infusibilization of the said resin. By this operation, the structure of the resin can be maintained even at a temperature higher than the original melting point or softening point of the resin. The infusibilization method can be performed by a known method. Moreover, even if it is a polymeric material generally considered not suitable for carbonization, carbonization can be performed by mixing or copolymerizing other polymeric materials that promote crosslinking, for example. The shape with the resin is not particularly limited as long as the hydrogen storage ability of the carbon material produced by this production method is not impaired. For example, the shape can be a sheet, a fiber, a block, or a particle.
原料の一部として用いられる金属は、本製造方法により製造される炭素材料の水素吸蔵能を阻害しないものであれば特に限られない。すなわち、金属としては、例えば、遷移金属を好ましく用いることができ、周期表の3族から12族の第4周期に属する金属を特に好ましく用いることができる。 The metal used as a part of the raw material is not particularly limited as long as it does not hinder the hydrogen storage ability of the carbon material produced by this production method. That is, as the metal, for example, a transition metal can be preferably used, and a metal belonging to Group 4 to Group 4 of the periodic table can be particularly preferably used.
これらの金属は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。具体的に、例えば、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅からなる群より選択される1種又は2種以上を好ましく用いることができ、コバルト、鉄を特に好ましく用いることができる。 These metals can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. Specifically, for example, one or more selected from the group consisting of cobalt, iron, nickel, manganese, zinc, and copper can be preferably used, and cobalt and iron can be particularly preferably used.
金属としては、当該金属の単体又は当該金属の化合物を用いることができる。金属化合物としては、例えば、金属塩、金属水酸化物、金属酸化物、金属窒化物、金属硫化物、金属炭素化物、金属錯体を好ましく用いることができ、金属塩化物、金属酸化物、金属錯体を特に好ましく用いることができる。 As the metal, a simple substance of the metal or a compound of the metal can be used. As the metal compound, for example, metal salts, metal hydroxides, metal oxides, metal nitrides, metal sulfides, metal carbonides, metal complexes can be preferably used, and metal chlorides, metal oxides, metal complexes can be used. Can be used particularly preferably.
また、本炭素材料の表面積を増加させる等の目的で、他の炭素材料、セラミックス材料、金属材料を原料に添加してもよい。このような他の材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、活性炭、ガラス状カーボン、炭素繊維、メソポーラスシリカ、メソポーラスカーボン、金属粉末、金属微粒子、金属ファイバー、フラーレンの1種又は2種以上を用いることができる。これら他の材料が原料に占める割合は、例えば、1〜90重量%%以下とすることができ、より好ましくは5〜50重量%とすることができる。 Further, for the purpose of increasing the surface area of the present carbon material, other carbon materials, ceramic materials, and metal materials may be added to the raw material. Examples of such other materials include carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon black, ketjen black, acetylene black, graphite, activated carbon, glassy carbon, carbon fibers, mesoporous silica, mesoporous carbon, metal powder, and metal fine particles. One or more of metal fibers and fullerenes can be used. The ratio of these other materials to the raw material can be, for example, 1 to 90% by weight or less, and more preferably 5 to 50% by weight.
炭素化は、原料を加熱して、当該原料に含有される樹脂を炭素化できる所定の温度(以下、「炭素化温度」という。)で所定時間だけ保持することにより行う。炭素化温度は、樹脂の融点や分解点等の条件に応じて適宜設定することができる。 Carbonization is performed by heating a raw material and holding it for a predetermined time at a predetermined temperature at which a resin contained in the raw material can be carbonized (hereinafter referred to as “carbonization temperature”). The carbonization temperature can be appropriately set according to conditions such as the melting point and decomposition point of the resin.
すなわち、炭素化温度は、例えば、300℃以上とすることができ、好ましくは700℃以上とすることができる。より具体的に、炭素化温度は、例えば、300〜3000℃の範囲とすることができ、好ましくは700〜2000℃の範囲とすることができ、より好ましくは700〜1500℃の範囲とすることができる。炭素化温度までの昇温速度は、例えば、0.5〜300℃/分の範囲とすることができる。 That is, the carbonization temperature can be, for example, 300 ° C. or higher, and preferably 700 ° C. or higher. More specifically, the carbonization temperature can be, for example, in the range of 300 to 3000 ° C, preferably in the range of 700 to 2000 ° C, and more preferably in the range of 700 to 1500 ° C. Can do. The rate of temperature rise to the carbonization temperature can be, for example, in the range of 0.5 to 300 ° C./min.
上述の炭素化温度で原料を保持する時間は、例えば、5分〜24時間の範囲とすることができ、好ましくは20分〜2時間の範囲とすることができる。炭素化処理は、窒素等の不活性ガスの流通下で行うことが好ましい。 The time for holding the raw material at the above carbonization temperature can be, for example, in the range of 5 minutes to 24 hours, and preferably in the range of 20 minutes to 2 hours. The carbonization treatment is preferably performed under a flow of an inert gas such as nitrogen.
また、本製造方法においては、炭素材料を粉砕して微細化することができる。粉砕方法は、炭素材料の表面積を増大することができれば特に限られず、公知の任意の方法を用いることができる。すなわち、例えば、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル等の粉砕手段を用いて炭素材料の微粒子を調製することができる。 Moreover, in this manufacturing method, a carbon material can be pulverized and refined. The pulverization method is not particularly limited as long as the surface area of the carbon material can be increased, and any known method can be used. That is, for example, fine particles of a carbon material can be prepared using a pulverizing means such as a ball mill, a bead mill, or a jet mill.
また、本製造方法においては、炭素材料に金属の含有量を減少させる洗浄処理を施すこともできる。この洗浄処理には、例えば、塩酸や硫酸等の酸を好ましく用いることができる。 Moreover, in this manufacturing method, the carbon material can be subjected to a cleaning treatment for reducing the metal content. For this washing treatment, for example, an acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid can be preferably used.
また、本製造方法においては、炭素材料の賦活化を行うこともできる。 Moreover, in this manufacturing method, activation of a carbon material can also be performed.
炭素材料を賦活する方法は特に限られず、例えば、アンモオキシデーション、二酸化炭素賦活、リン酸賦活、アルカリ賦活、水蒸気賦活を用いることができる。 The method for activating the carbon material is not particularly limited, and for example, ammoxidation, carbon dioxide activation, phosphoric acid activation, alkali activation, and water vapor activation can be used.
また、本製造方法においては、炭素材料に熱処理を施すこともできる。この熱処理は、炭素化により得られた炭素材料を、さらに所定の温度で保持することにより行う。熱処理の温度は、例えば、300〜1500℃の範囲とすることができる。 In the present manufacturing method, the carbon material can also be subjected to heat treatment. This heat treatment is performed by holding the carbon material obtained by carbonization at a predetermined temperature. The temperature of heat processing can be made into the range of 300-1500 degreeC, for example.
そして、本製造方法においては、例えば、樹脂と金属とを含有する原料の炭素化を複数の条件で行い、当該複数の条件のうち、吸蔵した水素の一部が1H−NMR測定において化学シフト−5〜−30ppmの位置に半値幅30ppm以下のピークを示す炭素材料が得られる条件を選択し、当該選択された条件で当該原料を炭素化して水素吸蔵炭素材料を製造することができる。 In this production method, for example, carbonization of a raw material containing a resin and a metal is performed under a plurality of conditions, and among the plurality of conditions, a part of the occluded hydrogen is chemically shifted in 1 H-NMR measurement. A hydrogen storage carbon material can be produced by selecting a condition for obtaining a carbon material having a peak with a half width of 30 ppm or less at a position of −5 to −30 ppm, and carbonizing the raw material under the selected condition.
すなわち、この場合、まず、互いに異なる複数の条件で原料を炭素化して複数の炭素材料を調製する予備工程を実施する。炭素化の条件は、製造される炭素材料の水素吸蔵能に影響を与え得るものであれば特に限られず、例えば、炭素化温度、昇温速度、当該炭素化温度で保持する時間、原料の組成(樹脂及び金属の種類や配合比、他の添加成分の種類や配合比等)が挙げられる。 That is, in this case, first, a preliminary process for preparing a plurality of carbon materials by carbonizing a raw material under a plurality of different conditions is performed. The carbonization conditions are not particularly limited as long as they can affect the hydrogen storage capacity of the carbon material to be produced. For example, the carbonization temperature, the heating rate, the time for holding at the carbonization temperature, the composition of the raw material (Types and blending ratios of resins and metals, types and blending ratios of other additive components, etc.).
次いで、予備工程で得られた複数の炭素材料について、1H−NMR測定を行い、当該測定の結果に基づいて条件の選択を行う。すなわち、例えば、1H−NMR測定で得られた水素に由来するピークを解析して、上述の特異ピークの有無を判断し、当該特異ピークが検出された炭素材料の調製に用いられた炭素化条件を選択する。 Next, 1 H-NMR measurement is performed on the plurality of carbon materials obtained in the preliminary process, and conditions are selected based on the result of the measurement. That is, for example, by analyzing the peak derived from hydrogen obtained by 1 H-NMR measurement, the presence or absence of the above-mentioned specific peak is determined, and the carbonization used for the preparation of the carbon material in which the specific peak is detected Select a condition.
なお、特異ピークを示す炭素材料を調製できる条件が複数ある場合には、例えば、さらに、本炭素材料について上述した平均La、平均Lc、平均面間隔d002、シェル状構造の結晶化度等の炭素構造に関する評価結果に基づいた判断により、条件を選択することもできる。 In addition, when there are a plurality of conditions under which a carbon material exhibiting a specific peak can be prepared, for example, the average La, average Lc, average interplanar spacing d 002 , and the crystallinity of the shell-like structure described above for the carbon material Conditions can also be selected based on the judgment based on the evaluation result regarding the carbon structure.
そして、こうして選択された条件を正式な炭素化条件として決定し、当該決定された条件で原料を炭素化して、水素吸蔵炭素材料を製造する。したがって、本製造方法によれば、水素吸蔵能に優れた炭素材料を効率よく且つ確実に製造することができる。 The conditions selected in this way are determined as formal carbonization conditions, and the raw material is carbonized under the determined conditions to produce a hydrogen storage carbon material. Therefore, according to this manufacturing method, the carbon material excellent in hydrogen storage ability can be manufactured efficiently and reliably.
また、本製造方法においては、例えば、樹脂と金属とを含有する原料の炭素化を複数の条件で行い、当該複数の条件のうち、炭素構造におけるa軸方向の平均結晶子サイズLaが5.0nm以下、且つc軸方向の平均結晶子サイズLcが0.5nm以上である炭素材料が得られる条件を選択し、当該選択された条件で当該原料を炭素化して水素吸蔵炭素材料を製造することができる。すなわち、この場合、上述のように複数の条件で原料を炭素化する予備工程を実施する。 In this production method, for example, the raw material containing the resin and the metal is carbonized under a plurality of conditions, and among these conditions, the average crystallite size La in the a-axis direction in the carbon structure is 5. Select a condition for obtaining a carbon material having an average crystallite size Lc of 0 nm or less and an average crystallite size Lc in the c-axis direction of 0.5 nm or more, and carbonize the raw material under the selected condition to produce a hydrogen storage carbon material. Can do. That is, in this case, a preliminary process for carbonizing the raw material under a plurality of conditions is performed as described above.
次いで、予備工程で得られた複数の炭素材料について、X線回折測定を行い、当該測定の結果に基づいて条件の選択を行う。すなわち、例えば、X線回折測定で得られた回折データを解析して、平均La及び平均Lcが上述の範囲であるか否かを判断し、平均La及び平均Lcのいずれもが上述の範囲である炭素材料の調製に用いられた炭素化条件を選択する。なお、平均La及び平均Lcの範囲を規定する閾値としては、本炭素材料について上述した種々の閾値のうち任意のものを採用することができる。 Next, X-ray diffraction measurement is performed on the plurality of carbon materials obtained in the preliminary process, and conditions are selected based on the measurement results. That is, for example, the diffraction data obtained by the X-ray diffraction measurement is analyzed to determine whether the average La and the average Lc are in the above range, and both the average La and the average Lc are in the above range. The carbonization conditions used for the preparation of a certain carbon material are selected. In addition, as a threshold value which prescribes | regulates the range of average La and average Lc, arbitrary things can be employ | adopted among the various threshold values mentioned above about this carbon material.
そして、こうして選択された条件を正式な炭素化条件として決定し、当該決定された条件で原料を炭素化して、水素吸蔵炭素材料を製造する。したがって、本製造方法によれば、優れた水素吸蔵能を発揮する特有の炭素構造を有する炭素材料を効率よく且つ確実に製造することができる。 The conditions selected in this way are determined as formal carbonization conditions, and the raw material is carbonized under the determined conditions to produce a hydrogen storage carbon material. Therefore, according to this production method, it is possible to efficiently and reliably produce a carbon material having a specific carbon structure that exhibits an excellent hydrogen storage capacity.
また、この場合、複数の条件のうち、さらに炭素構造の平均(002)面間隔d002が0.340〜0.450nmである炭素材料が得られる条件を選択することができる。すなわち、X線回折測定で得られた回折データに基づいて、予備工程で用いられた複数の条件のうち、平均La及び平均Lcがそれぞれ上述の範囲であり、且つ平均面間隔d002が上述の範囲である炭素材料の調製に用いられた炭素化条件を選択する。なお、平均面間隔d002の範囲を規定する閾値としては、本炭素材料について上述した種々の範囲のうち任意のものを採用することができる。 Further, in this case, among the plurality of conditions, a condition for obtaining a carbon material having an average (002) plane distance d 002 of the carbon structure of 0.340 to 0.450 nm can be selected. That is, based on the diffraction data obtained by the X-ray diffraction measurement, among the plurality of conditions used in the preliminary process, the average La and the average Lc are each in the above range, and the average interplanar spacing d 002 is the above described range. The carbonization conditions used for the preparation of the carbon material in the range are selected. In addition, as a threshold value which prescribes | regulates the range of average surface space | interval d002 , arbitrary things can be employ | adopted among the various ranges mentioned above about this carbon material.
そして、こうして選択された条件を正式な炭素化条件として決定し、当該決定された条件で原料を炭素化して、水素吸蔵炭素材料を製造する。したがって、本製造方法によれば、優れた水素吸蔵能を発揮する特有の炭素構造を有する炭素材料を効率よく且つより確実に製造することができる。 The conditions selected in this way are determined as formal carbonization conditions, and the raw material is carbonized under the determined conditions to produce a hydrogen storage carbon material. Therefore, according to this production method, a carbon material having a specific carbon structure that exhibits excellent hydrogen storage capacity can be produced efficiently and more reliably.
また、これらの場合、複数の条件のうち、さらにX線回折図における炭素構造の(002)面反射に対応するピーク面積とアモルファス構造に由来するピーク面積との合計面積に対する前記(002)面反射に対応するピーク面積の割合が10%以上である炭素材料が得られる条件を選択することができる。 In these cases, among the plurality of conditions, the (002) plane reflection with respect to the total area of the peak area corresponding to the (002) plane reflection of the carbon structure and the peak area derived from the amorphous structure in the X-ray diffraction diagram. The conditions for obtaining a carbon material having a peak area ratio corresponding to 1 to 10% or more can be selected.
すなわち、例えば、X線回折測定で得られた回折データに基づいて、予備工程で用いられた複数の条件のうち、平均La及び平均Lcがそれぞれ上述の範囲であり、且つシェル状構造の結晶化度が上述の範囲である炭素材料の調製に用いられた炭素化条件を選択する。 That is, for example, based on diffraction data obtained by X-ray diffraction measurement, among a plurality of conditions used in the preliminary process, the average La and the average Lc are in the above-mentioned ranges, respectively, and the crystallization of the shell-like structure The carbonization conditions used for the preparation of the carbon material whose degree is in the above range are selected.
また、例えば、X線回折測定で得られた回折データに基づいて、予備工程で用いられた複数の条件のうち、平均La及び平均Lcがそれぞれ上述の範囲であり、平均面間隔d002が上述の範囲であり、且つシェル状構造の結晶化度が上述の範囲である炭素材料の調製に用いられた炭素化条件を選択する。なお、シェル状構造の結晶化度を規定する閾値としては、本炭素材料について上述した種々の閾値のうち任意のものを採用することができる。 Further, for example, based on diffraction data obtained by X-ray diffraction measurement, among a plurality of conditions used in the preliminary process, the average La and the average Lc are each in the above-described range, and the average surface distance d 002 is the above-described range. And the carbonization conditions used for the preparation of the carbon material in which the crystallinity of the shell-like structure is in the above range are selected. In addition, as a threshold value which prescribes | regulates the crystallinity degree of a shell-like structure, arbitrary things can be employ | adopted among the various threshold values mentioned above about this carbon material.
そして、こうして選択された条件を正式な炭素化条件として決定し、当該決定された条件で原料を炭素化して、水素吸蔵炭素材料を製造する。したがって、本製造方法によれば、優れた水素吸蔵能を発揮する特有の炭素構造を有する炭素材料を効率よく且つより確実に製造することができる。 The conditions selected in this way are determined as formal carbonization conditions, and the raw material is carbonized under the determined conditions to produce a hydrogen storage carbon material. Therefore, according to this production method, a carbon material having a specific carbon structure that exhibits excellent hydrogen storage capacity can be produced efficiently and more reliably.
次に、本実施形態に係る具体的な実施例について説明する。 Next, specific examples according to the present embodiment will be described.
樹脂と金属とを含有する原料を加熱して炭素化することにより6種類の水素吸蔵炭素材料を調製した。 Six types of hydrogen storage carbon materials were prepared by heating and carbonizing a raw material containing a resin and a metal.
[Fe錯体/800℃]まず、前駆組成物を調製した。すなわち、10gのフェノール樹脂に100mLのアセトンを混合して混合溶液を調製した。さらに、この混合溶液に、3.05gのフタロシアニン鉄を加え、常温下でマグネチックスターラを用いて1時間撹拌した。この混合物に超音波を照射しながらロータリエバポレータを用いて60℃で溶媒を除去した。こうして前駆組成物を得た。 [Fe complex / 800 ° C.] First, a precursor composition was prepared. That is, 10 mL of phenol resin was mixed with 100 mL of acetone to prepare a mixed solution. Furthermore, 3.05 g of phthalocyanine iron was added to this mixed solution, and the mixture was stirred for 1 hour at room temperature using a magnetic stirrer. The solvent was removed at 60 ° C. using a rotary evaporator while irradiating this mixture with ultrasonic waves. A precursor composition was thus obtained.
次に、前駆組成物の炭素化処理を行った。すなわち、前駆組成物を石英管に入れ、楕円面反射型赤外線ゴールドイメージ炉にて、当該石英管に20分間窒素ガスをパージした。そして、加熱を開始し、ゴールドイメージ炉の温度を、10℃/分の昇温速度で室温から800℃まで昇温した。その後、この石英管を800℃で1時間保持した。こうして前駆組成物が炭素化されることにより生成された炭素材料を得た。 Next, the precursor composition was carbonized. That is, the precursor composition was put in a quartz tube, and the quartz tube was purged with nitrogen gas for 20 minutes in an elliptical reflection type infrared gold image furnace. Then, heating was started, and the temperature of the gold image furnace was increased from room temperature to 800 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min. Thereafter, the quartz tube was held at 800 ° C. for 1 hour. Thus, a carbon material produced by carbonizing the precursor composition was obtained.
さらに、炭素材料の粉砕処理を行った。すなわち、遊星ボールミル(P−7、フリッチュジャパン株式会社)内に1.5mm径の窒化ケイ素ボールをセットし、炭素化処理により得られた炭素材料を回転速度800rpmで60分間粉砕した。粉砕した炭素材料を取り出し、目開き106μmの篩で分級した。こうして篩を通過した粉末状の炭素材料を水素吸蔵炭素材料(以下、「FePc/HT800」という。)として得た。 Further, the carbon material was pulverized. That is, a silicon nitride ball having a diameter of 1.5 mm was set in a planetary ball mill (P-7, Fritsch Japan Co., Ltd.), and the carbon material obtained by the carbonization treatment was pulverized for 60 minutes at a rotation speed of 800 rpm. The pulverized carbon material was taken out and classified with a sieve having an aperture of 106 μm. Thus, a powdery carbon material that passed through the sieve was obtained as a hydrogen storage carbon material (hereinafter referred to as “FePc / HT800”).
[Co塩/900℃]まず、前駆組成物を調製した。すなわち、1.5gのポリアクリロニトリル−ポリメタクリル酸共重合体を20gのジメチルホルムアミドに溶解させた。その後、1.5gの塩化コバルト六水和物と1.5gの2−メチルイミダゾールとを加え、2時間攪拌して青色溶液を得た。得られた溶液にケッチェンブラック(EC600JD、ライオン株式会社)を30重量%となるように加え、乳鉢を用いて混合した。こうして前駆組成物を得た。 [Co salt / 900 ° C.] First, a precursor composition was prepared. That is, 1.5 g of polyacrylonitrile-polymethacrylic acid copolymer was dissolved in 20 g of dimethylformamide. Thereafter, 1.5 g of cobalt chloride hexahydrate and 1.5 g of 2-methylimidazole were added and stirred for 2 hours to obtain a blue solution. Ketjen black (EC600JD, Lion Co., Ltd.) was added to the obtained solution so that it might become 30 weight%, and it mixed using the mortar. A precursor composition was thus obtained.
次に、前駆組成物の不融化処理を行った。すなわち、前駆組成物を、強制循環式乾燥機内にセットした。そして、大気中にて、30分間で室温から150℃まで昇温し、続いて2時間かけて150℃から220℃まで昇温した。その後、前駆組成物を200℃で3時間保持した。こうして前駆組成物を不融化した。 Next, the infusibilization process of the precursor composition was performed. That is, the precursor composition was set in a forced circulation dryer. Then, the temperature was raised from room temperature to 150 ° C. in the air for 30 minutes, and then the temperature was raised from 150 ° C. to 220 ° C. over 2 hours. Thereafter, the precursor composition was held at 200 ° C. for 3 hours. Thus, the precursor composition was infusible.
そして、前駆組成物の炭素化処理を行った。すなわち、不融化処理した前駆組成物を石英管に入れ、楕円面反射型赤外線ゴールドイメージ炉にて、当該石英管に20分間窒素パージした。そして、加熱を開始し、ゴールドイメージ炉の温度を、10℃/分の昇温速度で室温から900℃まで昇温した。その後、この石英管を900℃で1時間保持した。こうして前駆組成物が炭素化されることにより生成された炭素材料を得た。 And the carbonization process of the precursor composition was performed. That is, the infusible precursor composition was put in a quartz tube, and the quartz tube was purged with nitrogen for 20 minutes in an elliptical reflection type infrared gold image furnace. Then, heating was started, and the temperature of the gold image furnace was increased from room temperature to 900 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min. Thereafter, the quartz tube was held at 900 ° C. for 1 hour. Thus, a carbon material produced by carbonizing the precursor composition was obtained.
さらに、上述のFePc/HT800の場合と同様に炭素材料の粉砕処理を行い、粉末状の炭素材料を水素吸蔵炭素材料(以下、「Co/KB/HT900」という。)として得た。 Further, the carbon material was pulverized in the same manner as in the case of FePc / HT800 described above, and a powdery carbon material was obtained as a hydrogen storage carbon material (hereinafter referred to as “Co / KB / HT900”).
[Co錯体/1200℃]まず、前駆組成物を調製した。すなわち、10gのフェノール樹脂に100mLのアセトンを混合して混合溶液を調製した。さらに、この混合溶液に、2.09gのフタロシアニンコバルトを加え、常温下でマグネチックスターラを用いて1時間撹拌した。この混合物に超音波を照射しながらロータリエバポレータを用いて60℃で溶媒を除去した。こうして前駆組成物を得た。 [Co complex / 1200 ° C.] First, a precursor composition was prepared. That is, 10 mL of phenol resin was mixed with 100 mL of acetone to prepare a mixed solution. Furthermore, 2.09 g of phthalocyanine cobalt was added to this mixed solution, and the mixture was stirred for 1 hour at room temperature using a magnetic stirrer. The solvent was removed at 60 ° C. using a rotary evaporator while irradiating this mixture with ultrasonic waves. A precursor composition was thus obtained.
次に、前駆組成物の炭素化処理を行った。すなわち、前駆組成物の一部を石英管に入れ、楕円面反射型赤外線ゴールドイメージ炉にて、当該石英管に20分間窒素ガスをパージした。そして、加熱を開始し、ゴールドイメージ炉の温度を、10℃/分の昇温速度で室温から1200℃まで昇温した。その後、この石英管を1200℃で1時間保持した。こうして前駆組成物が1200℃で炭素化されることにより生成された炭素材料を得た。そして、上述のFePc/HT800の場合と同様に、炭素化処理により得られた炭素材料の粉砕処理を行い、粉末状の炭素材料を得た。 Next, the precursor composition was carbonized. That is, a part of the precursor composition was put in a quartz tube, and the quartz tube was purged with nitrogen gas for 20 minutes in an elliptical reflection type infrared gold image furnace. Then, heating was started, and the temperature of the gold image furnace was increased from room temperature to 1200 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min. Thereafter, the quartz tube was held at 1200 ° C. for 1 hour. In this way, the carbon material produced | generated by carbonizing a precursor composition at 1200 degreeC was obtained. And similarly to the above-mentioned case of FePc / HT800, the carbon material obtained by the carbonization treatment was pulverized to obtain a powdery carbon material.
さらに、炭素材料に洗浄処理を施した。すなわち、粉末状の炭素材料に、コバルトの含有量を低減させるための酸洗い処理を施した。具体的に、炭素材料に37%のHClを加えて2時間撹拌した後、静置して上澄み液をデカンテーションした。この操作を3回行った。そして、炭素材料を吸引ろ過後、さらに蒸留水で洗浄し、次いで煮沸を行った。こうして、洗浄処理が施された粉末状の炭素材料を水素吸蔵炭素材料(以下、「CoPc/HT1200」という。)として得た。 Further, the carbon material was washed. That is, the powdery carbon material was subjected to a pickling treatment for reducing the cobalt content. Specifically, 37% HCl was added to the carbon material and stirred for 2 hours, and then allowed to stand to decant the supernatant. This operation was performed three times. The carbon material was suction filtered, washed with distilled water, and then boiled. In this way, the powdery carbon material subjected to the cleaning treatment was obtained as a hydrogen storage carbon material (hereinafter referred to as “CoPc / HT1200”).
[Co錯体/1000℃]炭素化処理において前駆組成物を保持する温度を1000℃とした以外は上述のCoPc/HT1200の場合と同様の製造方法を実施した。こうして、粉末状の炭素材料を水素吸蔵炭素材料(以下、「CoPc/HT1000」という。)として得た。 [Co complex / 1000 ° C.] The same production method as in the case of CoPc / HT1200 was carried out except that the temperature for holding the precursor composition in the carbonization treatment was 1000 ° C. Thus, a powdery carbon material was obtained as a hydrogen storage carbon material (hereinafter referred to as “CoPc / HT1000”).
[Co錯体/800℃]炭素化処理において前駆組成物を保持する温度を800℃とした以外は上述のCoPc/HT1200の場合と同様の製造方法を実施した。こうして、粉末状の炭素材料を水素吸蔵炭素材料(以下、「CoPc/HT800」という。)として得た。 [Co complex / 800 ° C.] The same production method as in the case of CoPc / HT1200 described above was carried out except that the temperature at which the precursor composition was maintained in the carbonization treatment was 800 ° C. Thus, a powdery carbon material was obtained as a hydrogen storage carbon material (hereinafter referred to as “CoPc / HT800”).
[Co錯体/600℃]炭素化処理において前駆組成物を保持する温度を600℃とした以外は上述のCoPc/HT1200の場合と同様の製造方法を実施した。こうして、粉末状の炭素材料を水素吸蔵炭素材料(以下、「CoPc/HT600」という。)として得た。 [Co complex / 600 ° C.] The same production method as in the case of CoPc / HT1200 described above was carried out except that the temperature for holding the precursor composition in the carbonization treatment was 600 ° C. Thus, a powdery carbon material was obtained as a hydrogen storage carbon material (hereinafter referred to as “CoPc / HT600”).
上述の実施例1で得られた6種類の水素吸蔵炭素材料について、透過型電子顕微鏡(TEM)による観察を行った。図1はFePc/HT800、図2はCo/KB/HT900、図3はCoPc/HT1200、図4はCoPc/HT1000、図5はCoPc/HT800、図6はCoPc/HT600について得られたTEM写真の一例をそれぞれ示す。 The six types of hydrogen storage carbon materials obtained in Example 1 described above were observed with a transmission electron microscope (TEM). Fig. 1 shows FePc / HT800, Fig. 2 shows Co / KB / HT900, Fig. 3 shows CoPc / HT1200, Fig. 4 shows CoPc / HT1000, Fig. 5 shows CoPc / HT800, and Fig. 6 shows TEM photographs obtained for CoPc / HT600. An example is shown respectively.
なお、図3Bは図3Aに示す破線の丸で囲まれた部分の拡大写真であり、図3Dは図3Cに示す破線の丸で囲まれた部分の拡大写真である。また、図4Bは図4Aに示す破線の丸で囲まれた部分の拡大写真であり、図4Dは図4Cに示す破線の丸で囲まれた部分の拡大写真である。また、図5Bは図5Aに示す左側の破線の丸で囲まれた部分の拡大写真であり、図5Dは図5Cに示す破線の丸で囲まれた部分の拡大写真である。また、図6Bは図6Aに示す破線の丸で囲まれた部分の拡大写真であり、図6Dは図6Cに示す破線の丸で囲まれた部分の拡大写真である。 3B is an enlarged photograph of a portion surrounded by a broken-line circle shown in FIG. 3A, and FIG. 3D is an enlarged photograph of a portion surrounded by a broken-line circle shown in FIG. 3C. 4B is an enlarged photograph of a portion surrounded by a broken-line circle shown in FIG. 4A, and FIG. 4D is an enlarged photograph of a portion surrounded by a broken-line circle shown in FIG. 4C. 5B is an enlarged photograph of a portion surrounded by a broken-line circle on the left side shown in FIG. 5A, and FIG. 5D is an enlarged photograph of a portion surrounded by a broken-line circle shown in FIG. 5C. 6B is an enlarged photograph of a part surrounded by a broken-line circle shown in FIG. 6A, and FIG. 6D is an enlarged photograph of a part enclosed by a broken-line circle shown in FIG. 6C.
図1〜図5に示すように、800℃以上の温度で炭素化された5種類の水素吸蔵炭素材料では、歪んだグラフェンが積層した発達したシェル状構造が認められた。このシェル状構造は、炭素化温度が高いほどが結晶化が進んでいるようであった。 As shown in FIGS. 1 to 5, in the five kinds of hydrogen storage carbon materials carbonized at a temperature of 800 ° C. or higher, a developed shell-like structure in which distorted graphene was laminated was recognized. This shell-like structure appeared to be crystallized as the carbonization temperature increased.
また、洗浄処理を施していない2種類(FePc/HT800及びCo/KB/HT900)のみならず、洗浄処理を施した3種類(CoPc/HT1200、CoPc/HT1000及びCoPc/HT800)においても、金属もしくは金属化合物と思われる、様々な粒径の粒子が不均一に分散しているのが認められた。 Further, not only two types (FePc / HT800 and Co / KB / HT900) that have not been subjected to a cleaning process, but also three types (CoPc / HT1200, CoPc / HT1000, and CoPc / HT800) that have undergone a cleaning process, It was observed that particles of various particle sizes, which seem to be metal compounds, were dispersed unevenly.
一方、図6に示すように、600℃で炭素化されたCoPc/HT600では、ほぼ全体にアモルファス状の構造が認められた。このCoPc/HT600では、ごく僅かなシェル状構造が認められたが、他の5種類ほど発達したものではなかった。また、CoPc/HT600では他の5種類のような明確な金属粒子の分散は認められなかった。 On the other hand, as shown in FIG. 6, in CoPc / HT600 carbonized at 600 ° C., an almost amorphous structure was observed. In this CoPc / HT600, a very slight shell-like structure was observed, but it was not developed as much as the other five types. In CoPc / HT600, no clear dispersion of metal particles as in the other five types was observed.
上述の実施例1で得られた6種類の水素吸蔵炭素材料について、X線回折測定を行い、これらの炭素構造を評価した。 The six types of hydrogen storage carbon materials obtained in Example 1 described above were subjected to X-ray diffraction measurement, and their carbon structures were evaluated.
[X線回折測定]まず、水素吸蔵炭素材料の試料を、ガラス試料板の凹部に入れるとともにスライドガラスで押さえ、当該試料をその表面と基準面とが一致するように当該凹部に均一に充填した。次いで、この充填された試料の形態が崩れないように、ガラス試料板を広角X線回折試料台に固定した。 [X-Ray Diffraction Measurement] First, a sample of the hydrogen storage carbon material was placed in a concave portion of a glass sample plate and pressed with a slide glass, and the concave portion was uniformly filled so that the surface coincided with the reference surface. . Next, the glass sample plate was fixed to a wide-angle X-ray diffraction sample stage so that the shape of the filled sample did not collapse.
そして、X線回折装置(Rigaku RINT2100/PC、株式会社リガク)を用いて各試料の粉末X線回折測定を実施し、回折ピークを測定し、積算を4回行うことで解析対象となるX線回折データを得た。 Then, X-ray diffraction measurement of each sample is performed using an X-ray diffractometer (Rigaku RINT2100 / PC, Rigaku Co., Ltd.), diffraction peaks are measured, and integration is performed four times. Diffraction data was obtained.
なお、X線管球への印加電圧及び電流はそれぞれ50kV及び300mAとした。また、サンプリング間隔は0.1°又は0.01°、走査速度は1°/分、測定角度範囲(2θ)は5〜90°とした。入射X線としてはCuKα線を用いた。 The applied voltage and current to the X-ray tube were 50 kV and 300 mA, respectively. The sampling interval was 0.1 ° or 0.01 °, the scanning speed was 1 ° / min, and the measurement angle range (2θ) was 5 to 90 °. CuKα rays were used as incident X-rays.
[炭素網面の広がりに関する評価]得られたX線回折データに基づいて、結晶子サイズLaに関する評価を行った。すなわち、平均La及びLa分布を、Diamond法を用いて解析した。この解析には、コンピュータにインストールされた解析用ソフトウェア(Carbon Analyzer D series、藤本宏之、http://www.asahi−net.or.jp/〜qn6h−fjmt/)を用いた。解析対象データは、CuKα線をX線源としてカウンターグラファイトモノクロメータを用いて測定された炭素質材料の11バンド強度に限定した。解析可能な最大網面サイズは約7nmであった。 [Evaluation on the spread of the carbon network surface] The crystallite size La was evaluated based on the obtained X-ray diffraction data. That is, the average La and La distribution were analyzed using the Diamond method. This analysis, software for analysis that has been installed on your computer (Carbon Analyzer D series, Hiroyuki Fujimoto, http: //www.asahi-net.or.jp/ ~ qn6h-fjmt /) was used. The data to be analyzed was limited to the 11 band intensity of the carbonaceous material measured using a counter graphite monochromator with CuKα ray as an X-ray source. The maximum network surface size that can be analyzed was about 7 nm.
ここで、Diamondの提案した解析方法の手順は、基本的に、(1)試料の11バンドの強度測定、(2)実測強度の補正、(3)試料中に存在すると予想されるモデル網面の想定、(4)想定したモデル網面からの理論散乱強度の計算、(5)求めた実測強度の理論散乱強度による最小二乗フィッティング、(6)各理論散乱強度の重みからのモデル網面の重量分率及び平均網面サイズの算出の6つのステップからなる。そこで、はじめに解析するデータを読み込み、平滑化処理及び吸収補正を行った。平滑化処理は7回行い、吸収補正は理論吸収係数4.219を用いて実行した。 Here, the procedure of the analysis method proposed by Diamond basically consists of (1) intensity measurement of 11 bands of a sample, (2) correction of measured intensity, and (3) model network surface expected to exist in the sample. (4) Calculation of theoretical scattering intensity from the assumed model network surface, (5) Least square fitting of the obtained measured intensity by the theoretical scattering intensity, (6) Model network surface from the weight of each theoretical scattering intensity It consists of six steps of calculating weight fraction and average network surface size. Therefore, first, data to be analyzed was read, and smoothing processing and absorption correction were performed. The smoothing process was performed 7 times, and the absorption correction was performed using the theoretical absorption coefficient 4.219.
次に、理論散乱強度計算を行った。計算式として、下記の式(I)を用いた。この式(I)において、Iは実測強度、wは質量分率、Bは理論X線散乱強度、Pは偏向因子、v、sは網面モデル因子である。 Next, theoretical scattering intensity calculation was performed. The following formula (I) was used as a calculation formula. In this formula (I), I is an actually measured intensity, w is a mass fraction, B is a theoretical X-ray scattering intensity, P is a deflection factor, and v and s are network surface model factors.
ここで、すべてのパラメータがnの関数として表現できる(藤本宏之、炭素、192(2000)125−129参照)。理論散乱強度の計算には、初期条件の設定として二次元格子定数a0及びRuland係数の決定、モデル網面の選定が必要になる。二次元格子定数は、一般にベンゼン及び理想黒鉛の格子定数の間の値、約0.240〜0.24612nmを設定する。Rulandの係数は、使用したモノクロメータのエネルギーのパスバンドを表す関数の積分幅を示しており、一般に0〜1の値を取る。本解析では二次元格子定数a0の初期設定値として、一般的な炭素質材料の格子定数に近い値として0.24412nmを選択した。Rulandの係数の初期設定値としては0.05を選択した。 Here, all parameters can be expressed as a function of n (see Hiroyuki Fujimoto, Carbon, 192 (2000) 125-129). In calculating the theoretical scattering intensity, it is necessary to determine the two-dimensional lattice constant a 0 and the Ruland coefficient and to select the model network surface as initial conditions. The two-dimensional lattice constant is generally set to a value between the lattice constants of benzene and ideal graphite, about 0.240 to 0.24612 nm. The Rule coefficient indicates the integral width of the function representing the pass band of the energy of the used monochromator, and generally takes a value of 0 to 1. In this analysis, 0.24412 nm was selected as an initial set value of the two-dimensional lattice constant a 0 as a value close to the lattice constant of a general carbonaceous material. 0.05 was selected as the default value of the coefficient of Rand.
次に、モデル網面の選定を行った。上記ソフトウェアでは、ベンゼン・コロネンベースモデル、ピレンベースモデル、混合モデルの3種類のモデル網面を用いて理論強度を計算実行できる。この点、本解析では、図7に示すようなベンゼン・コロネンベースモデルを用いた。このモデルの場合には、二次元格子定数a0の奇数倍サイズ(1、3、5・・・25、27、29倍)のモデル網面(およそ0.25nm〜7nm)の散乱強度を計算することが可能である。 Next, the model network surface was selected. With the above software, the theoretical strength can be calculated and executed using three types of model network surfaces: a benzene / coronene base model, a pyrene base model, and a mixed model. In this respect, in this analysis, a benzene / coronene base model as shown in FIG. 7 was used. In the case of this model, the scattering intensity of the model network surface (approximately 0.25 nm to 7 nm) of an odd multiple size (1, 3, 5... 25, 27, 29 times) of the two-dimensional lattice constant a 0 is calculated. Is possible.
こうしてすべての選択条件を決定し、理論散乱強度計算を行った。計算が終了すると、下記の式(II)に基づく最小二乗法による反復計算を1000回行い、フィッティング角度範囲2θを60〜100°として、実測プロファイルと理論プロファイルのフィッティングを行った。フィッティングが終了すると、コンピュータのディスプレイに、フィッティング結果、網面サイズ分布、及び平均網面サイズが表示された。 In this way, all selection conditions were determined, and theoretical scattering intensity calculation was performed. When the calculation was completed, iterative calculation by the least square method based on the following formula (II) was performed 1000 times, and the fitting angle range 2θ was set to 60 to 100 °, and the actual profile and the theoretical profile were fitted. When the fitting was completed, the fitting result, the screen size distribution, and the average screen size were displayed on the computer display.
[炭素網面の積層構造に関する評価]また、得られたX線回折データに基づいて、炭素構造における炭素網面の積層構造に関する評価を行った。すなわち、平均Lc、炭素網面の積層数とその分布、及び平均面間隔d002を、コンピュータにインストールされた上述の解析用ソフトウェア(Carbon Analyzer D series、藤本宏之、http:/www.asahi−net.or.jp/〜qn6h−fjmt/)を用いて解析した。 [Evaluation of Carbon Network Surface Laminated Structure] Further, based on the obtained X-ray diffraction data, an evaluation of the carbon network surface laminated structure in the carbon structure was performed. That is, the average Lc, the number and distribution of carbon network planes, and the average plane spacing d 002 are calculated using the above-described analysis software (Carbon Analyzer D series, Hiroyuki Fujimoto, http: //www.asahi-net) installed in a computer. were analyzed .or.jp / ~ qn6h-fjmt /) using a.
このソフトフェアを用いた計算工程においては、(1)回折線の強度補正、(2)バックグラウンドの補正、(3)Patterson関数の計算、(4)逆Fourier計算による妥当性の評価、(5)Patterson関数を用いた平均Lc、平均積層数、積層数分布、及び平均面間隔d002の計算、の5つのステップを実施した。 In the calculation process using this software, (1) diffraction line intensity correction, (2) background correction, (3) Patterson function calculation, (4) validity evaluation by inverse Fourier calculation, (5 ) Five steps of calculating the average Lc, the average number of layers, the distribution of the number of layers, and the average interplanar distance d 002 using the Patterson function were performed.
まず、X線回折測定で得た5°から40°の回折データについて、回折線強度補正及びバックグラウンド補正を行った。回折線強度補正においては、炭素の線吸収係数μを4.219とし、試料厚みtを0.2mmとし、発散スリット幅βを2/3°とし、ゴニオメーター半径Rを285mmとした。バックグラウンド補正は15°付近および35°付近を基点とし、スプライン補間法で行った。 First, diffraction line intensity correction and background correction were performed on the diffraction data of 5 ° to 40 ° obtained by X-ray diffraction measurement. In the correction of diffraction line intensity, the linear absorption coefficient μ of carbon was 4.219, the sample thickness t was 0.2 mm, the divergence slit width β was 2/3 °, and the goniometer radius R was 285 mm. Background correction was performed by the spline interpolation method with the base point near 15 ° and 35 °.
次いで、この補正後データを用いてPatterson関数を計算した。積分開始角および終了角はそれぞれ5°および40°とし、計算距離uを変えながらHirschの方法で逆Fourier計算し、妥当性を評価した。なお、このHirschの方法は、石炭やピッチのような比較的網面サイズの小さな試料中の炭素網面の平均積層数及び積層数分布を評価するためにHirschによって1954年に提案された方法である。 Next, the Patterson function was calculated using the corrected data. The integration start angle and end angle were 5 ° and 40 °, respectively, and the inverse Fourier calculation was performed by the Hirsch method while changing the calculation distance u, and the validity was evaluated. This Hirsch method is a method proposed by Hirsch in 1954 in order to evaluate the average number of layers and the distribution of the number of layers in a carbon network surface in a sample having a relatively small surface size such as coal or pitch. is there.
こうして計算したPatterson関数を用い、残りの計算過程はソフトフェアの標準手順に従って平均Lc、平均積層数、積層数分布、及び平均面間隔d002を算出した。 Using the calculated Patterson function, the rest of the calculation process was to calculate the average Lc, the average number of layers, the distribution of the number of layers, and the average interplanar spacing d 002 according to the standard procedure of software.
[シェル状構造の発達度に関する評価]また、得られたX線回折データに基づいて、シェル状構造の発達度に関する評価を行った。すなわち、上述のとおり、本炭素材料のX線回折測定で得られる回折データのうち、26°付近に現れる炭素(002)面の回折ピークには、シェル状構造炭素の(002)面に由来するピーク(シェル状構造ピーク)と、アモルファス構造に由来するピーク(アモルファス構造ピーク)と、の2種類が混じっている。 [Evaluation on the degree of development of the shell-like structure] Further, based on the obtained X-ray diffraction data, the degree of development of the shell-like structure was evaluated. That is, as described above, in the diffraction data obtained by X-ray diffraction measurement of the present carbon material, the diffraction peak of the carbon (002) plane appearing near 26 ° is derived from the (002) plane of the shell-like structure carbon. Two types of peak (shell structure peak) and peak derived from an amorphous structure (amorphous structure peak) are mixed.
そこで、回折データに基づいてピーク分離を実施し、回折角26°付近に現れるピークをシェル状構造ピークとアモルファス構造ピークとに分離した。ピーク分離の計算には上述の平均Lcの算出と同様の回折線強度補正及びバックグラウンド補正を施した回折角5°から40°の回折データを用いた。 Therefore, peak separation was performed based on diffraction data, and a peak appearing near a diffraction angle of 26 ° was separated into a shell-like structure peak and an amorphous structure peak. For the calculation of peak separation, diffraction data having a diffraction angle of 5 ° to 40 ° subjected to diffraction line intensity correction and background correction similar to the calculation of average Lc described above were used.
そして、分離前のピークの面積(すなわち、シェル状構造ピークの面積とアモルファス構造ピークの面積との合計面積)に対する、当該シェル状構造ピークの面積の割合(%)を算出し、当該割合をシェル状構造の結晶化度とした。 Then, the ratio (%) of the area of the shell-like structure peak to the area of the peak before separation (that is, the total area of the area of the shell-like structure peak and the area of the amorphous structure peak) is calculated, and the ratio is calculated as the shell. The crystallinity of the structure was taken.
[X線回折図]図8には、6種類の水素吸蔵炭素材料について得られたX線回折図の一例を示す。図8AはFePc/HT800、図8BはCo/KB/HT900、図8CはCoPc/HT1200、図8DはCoPc/HT1000、図8EはCoPc/HT800、図8FはCoPc/HT600の結果をそれぞれ示す。図の横軸は回折角(2θ)、縦軸はピーク強度を示している。なお、図8A〜Fにおいて縦軸のスケールは一致させていないため、これらの図から対応するピークの強度を比較することはできない。 [X-ray diffractogram] FIG. 8 shows an example of X-ray diffractograms obtained for six types of hydrogen storage carbon materials. 8A shows FePc / HT800, FIG. 8B shows Co / KB / HT900, FIG. 8C shows CoPc / HT1200, FIG. 8D shows CoPc / HT1000, FIG. 8E shows CoPc / HT800, and FIG. 8F shows CoPc / HT600 results. In the figure, the horizontal axis indicates the diffraction angle (2θ), and the vertical axis indicates the peak intensity. 8A to 8F, the scales of the vertical axes are not matched, and therefore the corresponding peak intensities cannot be compared from these figures.
図8A〜Eに示すように、800℃以上の温度で炭素化された5種類の水素吸蔵炭素材料では、炭素の(002)、(10)、(004)及び(11)回析に帰属される回析線が回折角26°、42°、54°及び79°にそれぞれ認められた。特に、(002)回析はシャープな回析線を示しており、上述の実施例2でTEM像に認められたシェル状構造の発達と対応していた。 As shown in FIGS. 8A to 8E, five types of hydrogen storage carbon materials carbonized at a temperature of 800 ° C. or higher are attributed to (002), (10), (004) and (11) diffraction of carbon. Diffraction lines were observed at diffraction angles of 26 °, 42 °, 54 ° and 79 °, respectively. In particular, (002) diffraction showed a sharp diffraction line and corresponded to the development of the shell-like structure observed in the TEM image in Example 2 described above.
また、原料の一部としてコバルトを用いた4種類の水素吸蔵炭素材料については、回折角44°、51°及び75°には金属コバルトに帰属される回析線が認められ、上述の実施例2でTEM像において観察された不均一に分散された粒子は金属コバルト粒子であることが確認された。一方、原料の一部として鉄を用いた水素吸蔵材料については、回折角38°、43°、44°、45°、46°、48°及び49°に鉄カーバイドに帰属される回折線と、44.5°に金属鉄に帰属される回折線が認められた。 In addition, for the four types of hydrogen storage carbon materials using cobalt as a part of the raw material, diffraction lines attributed to metallic cobalt are observed at diffraction angles of 44 °, 51 °, and 75 °, and the above-described examples. 2 confirmed that the non-uniformly dispersed particles observed in the TEM image were metallic cobalt particles. On the other hand, for the hydrogen storage material using iron as a part of the raw material, diffraction lines attributed to iron carbide at diffraction angles of 38 °, 43 °, 44 °, 45 °, 46 °, 48 ° and 49 °, and A diffraction line attributed to metallic iron was observed at 44.5 °.
また、炭素化温度が高いほど回折角26°のピーク高さが大きくなる傾向が見られた。この傾向は、炭素化温度が高くなるほどシェル状構造の発達度(結晶化度)が高くなることを示していると考えられた。 In addition, the peak height at a diffraction angle of 26 ° tended to increase as the carbonization temperature increased. This tendency was considered to indicate that the higher the carbonization temperature, the higher the degree of development (crystallinity) of the shell-like structure.
一方、図8Fに示すように、600℃で炭素化されたPcCo/HT600については、回折角が26°及び42°の付近にブロードなピークが観察されたのみであった。なお、6種類の水素吸蔵炭素材料のいずれについても、26°より小さな回折角において明確なピークは認められなかった。 On the other hand, as shown in FIG. 8F, for PcCo / HT600 carbonized at 600 ° C., only broad peaks were observed in the vicinity of diffraction angles of 26 ° and 42 °. For any of the six types of hydrogen storage carbon materials, no clear peak was observed at a diffraction angle smaller than 26 °.
[平均La、平均Lc、平均面間隔d002及び結晶化度]図9には、6種類の水素吸蔵炭素材料について算出された平均La、平均Lc、平均面間隔d002及びシェル状構造の結晶化度を示す。また、図10には、図9に示す結晶化度を算出する際に行われたX線回折図のピーク分離結果の一例を示す。図10AはCoPc/HT1000、図10BはCoPc/HT600について行われたピーク分離の結果を示す。図10において、細い実線は補正後の回折データ、太い実線はシェル状構造ピーク、破線はアモルファス構造ピークをそれぞれ示す。 [Average La, Average Lc, Average Face Distance d 002 and Crystallinity] FIG. 9 shows average La, average Lc, average face distance d 002 and shell-shaped crystals calculated for six types of hydrogen storage carbon materials. Indicates the degree of conversion. FIG. 10 shows an example of the peak separation result of the X-ray diffraction diagram performed when calculating the crystallinity shown in FIG. FIG. 10A shows the results of peak separation performed for CoPc / HT1000 and FIG. 10B for CoPc / HT600. In FIG. 10, the thin solid line indicates the corrected diffraction data, the thick solid line indicates the shell-like structure peak, and the broken line indicates the amorphous structure peak.
図9に示すように、6種類の水素吸蔵炭素材料のいずれについても、平均Laは1.03〜2.63nmであった。すなわち、各水素吸蔵炭素材料のa軸方向における炭素網面の広がりは比較的小さく、当該炭素網面が途切れることにより多数のエッジが形成されていると考えられた。 As shown in FIG. 9, the average La was 1.03 to 2.63 nm for any of the six types of hydrogen storage carbon materials. That is, it was considered that the carbon network surface spread in the a-axis direction of each hydrogen storage carbon material was relatively small, and a large number of edges were formed by the carbon network surface being interrupted.
一方、平均Lcについては、800℃以上の温度で炭素化された5種類の水素吸蔵炭素材料が0.60〜0.89nmであったのに対し、600℃で炭素化されたCoPc/HT600は0.44と小さかった。すなわち、CoPc/HT600に比べて、他の5種類は炭素網面の積層構造がより発達していることが確認された。 On the other hand, for the average Lc, the five types of hydrogen storage carbon materials carbonized at a temperature of 800 ° C. or higher were 0.60 to 0.89 nm, whereas CoPc / HT600 carbonized at 600 ° C. is It was as small as 0.44. That is, as compared with CoPc / HT600, it was confirmed that the other five types have a more developed structure of the carbon network surface.
また、平均面間隔d002については、800℃以上の温度で炭素化された5種類の水素吸蔵炭素材料が0.342〜0.345nmであったのに対し、600℃で炭素化されたCoPc/HT600は0.335nmと小さかった。すなわち、CoPc/HT600の平均面間隔d002は黒鉛結晶のそれと同程度であったのに対し、他の5種類の平均面間隔d002は、これらに比べて明らかに大きかった。 In addition, regarding the average interplanar distance d 002 , five types of hydrogen storage carbon materials carbonized at a temperature of 800 ° C. or higher were 0.342 to 0.345 nm, whereas CoPc carbonized at 600 ° C. / HT600 was as small as 0.335 nm. That is, the average interplanar spacing d 002 of CoPc / HT600 was comparable to that of graphite crystals, while the other five types of average interplanar spacing d 002 were clearly larger than these.
また、シェル状構造の結晶化度については、800℃以上の温度で炭素化された5種類の水素吸蔵炭素材料が27.8〜43.7%であったのに対し、600℃で炭素化されたCoPc/HT600は2.0%と顕著に小さかった。すなわち、例えば、図10Aに示すように、CoPc/HT1000については鋭いシェル状構造ピークが検出されたのに対して、図10Bに示すように、CoPc/HT600については極めて小さなシェル状構造ピークが検出されたのみであった。 Regarding the crystallinity of the shell-like structure, the carbonation at 600 ° C. was 57.8% to 43.7% of the five types of hydrogen storage carbon materials carbonized at a temperature of 800 ° C. or higher. The CoPc / HT600 was significantly smaller at 2.0%. That is, for example, as shown in FIG. 10A, a sharp shell-like structure peak was detected for CoPc / HT1000, whereas an extremely small shell-like structure peak was detected for CoPc / HT600 as shown in FIG. 10B. It was only done.
このように、800℃以上の温度で炭素化された5種類の水素吸蔵炭素材料においては、CoPc/HT600に比べてシェル状構造が顕著に発達していることが確認され、これは、上述の実施例2におけるTEM象の観察結果とも一致するものであった。 As described above, in the five kinds of hydrogen storage carbon materials carbonized at a temperature of 800 ° C. or higher, it was confirmed that the shell-like structure was remarkably developed as compared with CoPc / HT600. This was consistent with the observation result of the TEM image in Example 2.
[結晶子サイズLa分布]図11には、6種類の水素吸蔵炭素材料について得られた炭素網面の7nm以下の結晶子サイズLa分布を示す。図11AはFePc/HT800、図11BはCo/KB/HT900、図11CはCoPc/HT1200、図11DはCoPc/HT1000、図11EはCoPc/HT800、図11FはCoPc/HT600の結果をそれぞれ示す。図の横軸は結晶子サイズLa(nm)、縦軸は各結晶子サイズLaの割合(%)を示す。 [Crystal Size La Distribution] FIG. 11 shows a crystallite size La distribution of 7 nm or less of the carbon network surface obtained for six types of hydrogen storage carbon materials. 11A shows FePc / HT800, FIG. 11B shows Co / KB / HT900, FIG. 11C shows CoPc / HT1200, FIG. 11D shows CoPc / HT1000, FIG. 11E shows CoPc / HT800, and FIG. 11F shows CoPc / HT600 results. In the figure, the horizontal axis represents the crystallite size La (nm), and the vertical axis represents the ratio (%) of each crystallite size La.
図11A〜Fに示すように、6種類いずれの水素吸蔵炭素材料についても、1〜5nmの結晶子サイズLaの割合が10%以上、且つ5〜7nmの割合が40%以下であった。すなわち、各水素吸蔵炭素材料は、多くの活性点を有する炭素構造を有していると考えられた。 As shown in FIGS. 11A to 11F, the ratio of the crystallite size La of 1 to 5 nm was 10% or more and the ratio of 5 to 7 nm was 40% or less for any of the six types of hydrogen storage carbon materials. That is, each hydrogen storage carbon material was considered to have a carbon structure having many active sites.
また、CoPc/HT600については、結晶子サイズLaが大きくなるにつれて割合が単調に減少するのに対し、他の5種類については、分布がより乱れているといった分布傾向の違いも認められた。なお、図示はしていないが、ケッチェンブラックについて同様の解析を行った場合には、炭素網面の7nm以下の結晶子サイズLa分布において、5nm以上の割合が60%以上という結果が得られた。 In addition, for CoPc / HT600, the ratio monotonically decreased as the crystallite size La increased, whereas the other five types also showed a difference in distribution tendency such that the distribution was more disordered. Although not shown, when the same analysis is performed on ketjen black, a result that the ratio of 5 nm or more is 60% or more is obtained in the crystallite size La distribution of 7 nm or less on the carbon network surface. It was.
[炭素網面の積層数分布]図12には、6種類の水素吸蔵炭素材料について得られた炭素網面の積層数分布を示す。図12AはFePc/HT800、図12BはCo/KB/HT900、図12CはCoPc/HT1200、図12DはCoPc/HT1000、図12EはCoPc/HT800、図12FはCoPc/HT600の結果をそれぞれ示す。図の横軸は積層数、縦軸は各積層数の割合(%)を示す。 [Carbon Network Surface Lamination Number Distribution] FIG. 12 shows carbon network surface lamination number distributions obtained for six types of hydrogen storage carbon materials. 12A shows FePc / HT800, FIG. 12B shows Co / KB / HT900, FIG. 12C shows CoPc / HT1200, FIG. 12D shows CoPc / HT1000, FIG. 12E shows CoPc / HT800, and FIG. 12F shows CoPc / HT600 results. In the figure, the horizontal axis indicates the number of stacked layers, and the vertical axis indicates the ratio (%) of each stacked number.
図12Fに示すように、600℃で炭素化されたCoPc/HT600については、3以上の積層数の割合は35%未満と小さかったのに対し、図12A〜Eに示すように、800℃以上の温度で炭素化された他の5種類の水素吸蔵炭素材料については、3以上の積層数の割合が45%以上と顕著に大きかった。すなわち、800℃以上の温度で炭素化された5種類の水素吸蔵炭素材料においては、CoPc/HT600に比べて炭素網面の積層構造がより発達していることが確認された。 As shown in FIG. 12F, for CoPc / HT600 carbonized at 600 ° C., the ratio of the number of stacks of 3 or more was as small as less than 35%, whereas, as shown in FIGS. For the other five types of hydrogen storage carbon materials carbonized at the temperature of 3, the ratio of the number of laminated layers of 3 or more was remarkably large, 45% or more. That is, it was confirmed that in the five types of hydrogen storage carbon materials carbonized at a temperature of 800 ° C. or higher, the carbon network surface laminate structure was further developed as compared with CoPc / HT600.
上述の実施例1で得られた6種類の水素吸蔵炭素材料について、高圧1H−NMR測定を行った。 The six types of hydrogen storage carbon materials obtained in Example 1 described above were subjected to high pressure 1 H-NMR measurement.
[NMR測定]α−アルミナを分散媒として用いた。すなわち、水素吸蔵炭素材料の試料を2重量%となるようにα−アルミナで希釈し、高圧NMR石英製試料管に入れた。次いで、排気・ガス導入用の配管およびバルブを取り付けた後、温度573K、最終到達圧力1×10−4torrで24時間脱気処理した。脱気処理後の試料は減圧状態のまま速やかにプローブに設置し、水素を3.0MPaとなるまで導入して測定に供した。1H−NMR測定は高圧温度可変型プローブを装着したFT−NMR装置(Apollo Pulse NMR Spectrometer、38MHz、Tecmag)を用いて行った。パルス系列は90°パルス法とした。測定温度は293Kとした。なお、α−アルミナのみを試料として用い、水素を3.0MPaとなるまで導入して同様の測定を行った場合に観測される水素のピーク位置を基準(0ppm)として化学シフトを評価した。また、次の2種類の炭素材料も準備し、同様にNMR測定を行った。 [NMR measurement] α-alumina was used as a dispersion medium. That is, a hydrogen storage carbon material sample was diluted with α-alumina so as to be 2% by weight, and placed in a high-pressure NMR quartz sample tube. Next, exhaust and gas introduction pipes and valves were attached, followed by deaeration treatment at a temperature of 573 K and a final ultimate pressure of 1 × 10 −4 torr for 24 hours. The sample after the deaeration treatment was quickly placed on the probe in a reduced pressure state, and hydrogen was introduced until the pressure reached 3.0 MPa for measurement. 1 H-NMR measurement was performed using an FT-NMR apparatus (Apollo Pulse NMR Spectrometer, 38 MHz, Tecmag) equipped with a high-pressure variable temperature probe. The pulse sequence was a 90 ° pulse method. The measurement temperature was 293K. It should be noted that only α-alumina was used as a sample, and the chemical shift was evaluated based on the peak position of hydrogen observed when hydrogen was introduced to 3.0 MPa and the same measurement was performed as a reference (0 ppm). In addition, the following two types of carbon materials were prepared, and NMR measurement was similarly performed.
[カーボンブラック/Co]カーボンブラック(Vulcan(登録商標) VX72、Cabot Corporation)に、2重量%となるように金属コバルト粉末を加え、乳鉢で混合した。こうして、カーボンブラックと金属コバルトとの混合粉体からなる炭素材料(以下、「CB/Co」という。)を得た。 [Carbon black / Co] Cobalt powder was added to carbon black (Vulcan (registered trademark) VX72, Cabot Corporation) so as to be 2% by weight and mixed in a mortar. Thus, a carbon material (hereinafter referred to as “CB / Co”) made of a mixed powder of carbon black and metallic cobalt was obtained.
[活性炭]アルカリ賦活された活性炭である多孔質カーボン(マックスソーブ(登録商標)、カーボンテック株式会社)を炭素材料(以下、「AC」という。)として準備した。 [Activated carbon] Porous carbon (Maxsorb (registered trademark), Carbontech Co., Ltd.), which is activated carbon activated with alkali, was prepared as a carbon material (hereinafter referred to as “AC”).
さらに、コンピュータにインストールされた解析ソフトウェアIGOR(Wave Metrics社)を用いて、得られたNMRスペクトルに含まれるピークの分離を行った。この解析では、重なり合ったピークをローレンツ型の基本波形の重ね合わせにより近似し、更に最小二乗法を用いてピーク強度、ピーク半値幅、ピーク位置を最適化することによりピーク分離を行った。 Furthermore, using the analysis software IGOR (Wave Metrics) installed in the computer, peaks contained in the obtained NMR spectrum were separated. In this analysis, peak separation was performed by approximating overlapping peaks by superimposing Lorentzian basic waveforms and further optimizing peak intensity, peak half-value width, and peak position using the least square method.
[NMRスペクトル]図13A〜Iには、上述の実施例1で得られた6種類の水素吸蔵炭素材料、本実施例4で準備した2種類の炭素材料及び対照となるアルミナ溶媒の9種類の試料について、シグナルをフーリエ変換して得られたNMRスペクトルの一例を示す。図13AはFePc/HT800、図13BはCo/KB/HT900、図13CはCoPc/HT1200、図13DはCoPc/HT1000、図13EはCoPc/HT800、図13FはCoPc/HT600、図13GはCB/Co、図13HはAC、図13Iはアルミナ溶媒の結果をそれぞれ示す。図の横軸は化学シフト(ppm)、縦軸はシグナルの強度を示す。 [NMR Spectra] FIGS. 13A to I show nine kinds of hydrogen storage carbon materials obtained in Example 1 above, two kinds of carbon materials prepared in Example 4 and a reference alumina solvent. An example of the NMR spectrum obtained by Fourier-transforming the signal for the sample is shown. 13A is FePc / HT800, FIG. 13B is Co / KB / HT900, FIG. 13C is CoPc / HT1200, FIG. 13D is CoPc / HT1000, FIG. 13E is CoPc / HT800, FIG. 13F is CoPc / HT600, and FIG. FIG. 13H shows the results for AC, and FIG. 13I shows the results for the alumina solvent. In the figure, the horizontal axis represents chemical shift (ppm), and the vertical axis represents signal intensity.
まず、図13Iに示すように、炭素材料を含有しないアルミナ溶媒に導入した水素は、水素ガスのみの場合と同様に単一のシャープなピーク(以下、「ピーク1」という。)を示した。このピーク1は、基準周波数からのずれが比較的小さいこと、及び幅が狭いことから、試料内の空隙に存在する気体状の水素(水素ガス)に起因するものと考えられた。 First, as shown in FIG. 13I, hydrogen introduced into an alumina solvent not containing a carbon material showed a single sharp peak (hereinafter referred to as “peak 1”) as in the case of only hydrogen gas. This peak 1 is considered to be caused by gaseous hydrogen (hydrogen gas) present in the voids in the sample because the deviation from the reference frequency is relatively small and the width is narrow.
同様に、図13Hに示すように、活性炭からなるACに導入された水素もまた、単一のピーク1を示した。さらに、図13Fに示すように、600℃で炭素化されたCoPc/HT600に導入された水素もまた同様に、単一のピーク1を示した。 Similarly, as shown in FIG. 13H, hydrogen introduced into AC consisting of activated carbon also showed a single peak 1. Furthermore, as shown in FIG. 13F, hydrogen introduced into CoPc / HT600 carbonized at 600 ° C. also showed a single peak 1 as well.
一方、図13Gに示すように、カーボンブラックと金属コバルトとの混合粉末からなるCB/Coに導入された水素は、化学シフトの異なる2種類のピークを示した。すなわち、上述のピーク1に加え、高磁場側にシフトしたブロードなピーク(以下、「ピーク3」という。)が観測された。このピーク3は、化学シフトが比較的大きいこと、及び幅が非常に広いことから、強磁性種である金属コバルトと相互作用した水素に起因すると考えられた。 On the other hand, as shown in FIG. 13G, hydrogen introduced into CB / Co made of a mixed powder of carbon black and metallic cobalt showed two types of peaks with different chemical shifts. That is, in addition to the above-described peak 1, a broad peak shifted to the high magnetic field side (hereinafter referred to as “peak 3”) was observed. This peak 3 was thought to be caused by hydrogen interacting with metallic cobalt, which is a ferromagnetic species, because the chemical shift is relatively large and the width is very wide.
これらに対し、図13A〜Eに示すように、800℃以上の温度で炭素化された5種類の水素吸蔵炭素材料に導入された水素は、化学シフトの異なる3種類のピークを示した。 On the other hand, as shown in FIGS. 13A to 13E, hydrogen introduced into five kinds of hydrogen storage carbon materials carbonized at a temperature of 800 ° C. or higher showed three kinds of peaks having different chemical shifts.
すなわち、上述のピーク1及びピーク3に加え、高磁場側にシフトした第三のピーク(以下、「ピーク2」という。)が観測された。これは、5種類の水素吸蔵炭素材料は、他の炭素材料には見られない態様で水素を吸蔵していることに起因するものと考えられた。 That is, in addition to the above-described peak 1 and peak 3, a third peak shifted to the high magnetic field side (hereinafter referred to as “peak 2”) was observed. This was thought to be due to the fact that the five types of hydrogen storage carbon materials occlude hydrogen in a manner not found in other carbon materials.
そして、このピーク2は、CoPc/HT600では観測されなかったことから、当該ピーク2の有無は、上述したような当該CoPc/HT600と他の5種類の水素吸蔵炭素材料との構造上の違いを反映しているものと考えられた。 And since this peak 2 was not observed in CoPc / HT600, the presence or absence of the peak 2 is the structural difference between the CoPc / HT600 and the other five hydrogen storage carbon materials as described above. It was thought to reflect.
[ピーク2の特定]図14には、上述の3種類のピークが観測された5種類のうち4種類の水素吸蔵炭素材料(FePc/HT800、Co/KB/HT900、CoPc/HT1000、CoPc/HT800)及び2種類のピークが観測されたCB/Coについて、ピーク2及びピーク3の半値幅(ppm)及びピークトップの位置(ppm)を評価した結果を示す。なお、Co/KB/HT900については、ピーク3の半値幅及びピークトップを特定できなかった。 [Specification of Peak 2] FIG. 14 shows four types of hydrogen storage carbon materials (FePc / HT800, Co / KB / HT900, CoPc / HT1000, CoPc / HT800 among the five types in which the above three types of peaks are observed. ) And the CB / Co in which two types of peaks are observed, the half-value width (ppm) and peak top position (ppm) of peak 2 and peak 3 are evaluated. For Co / KB / HT900, the full width at half maximum and peak top of peak 3 could not be specified.
図14に示すように、ピークトップ位置については、ピーク2が−6.9〜−24.8ppmの範囲、ピーク3が−8.5〜−20.5ppmの範囲であり、これらの範囲は重複していた。一方、ピーク半値幅については、ピーク2が5.9〜19.6ppmの範囲であったのに対し、ピーク3が39.8〜56.2ppmであった。すなわち、ピーク2は、ピーク3に比べて半値幅が顕著に小さいピークとして特定された。 As shown in FIG. 14, with respect to the peak top position, peak 2 is in the range of −6.9 to −24.8 ppm, peak 3 is in the range of −8.5 to −20.5 ppm, and these ranges overlap. Was. On the other hand, as for the peak half-value width, peak 2 was in the range of 5.9 to 19.6 ppm, while peak 3 was 39.8 to 56.2 ppm. That is, peak 2 was identified as a peak having a remarkably small half width compared to peak 3.
上述の実施例4において3種類のピークが観測された5種類の水素吸蔵炭素材料の1つであるCoPc/HT800について、各ピークの温度依存性を評価した。すなわち、CoPc/HT800の試料について、測定温度として173K、296K、373Kという異なる3種類を採用した以外は上述の実施例4と同様にして、NMR測定を行った。 The temperature dependency of each peak was evaluated for CoPc / HT800, which is one of the five types of hydrogen storage carbon materials in which three types of peaks were observed in Example 4 described above. That is, NMR measurement was performed on the CoPc / HT800 sample in the same manner as in Example 4 except that three different measurement temperatures of 173K, 296K, and 373K were used.
図15には、各温度で測定されたピーク1、ピーク2及びピーク3のピーク強度を示す。図の横軸は測定温度(K)、縦軸はピーク強度を示す。また、白抜き丸印はピーク1、黒塗り三角印はピーク2、白抜き菱形はピーク3の結果を示す。 FIG. 15 shows the peak intensities of peak 1, peak 2 and peak 3 measured at each temperature. In the figure, the horizontal axis represents the measured temperature (K), and the vertical axis represents the peak intensity. The white circle indicates the peak 1, the black triangle indicates the peak 2, and the white diamond indicates the peak 3.
図15に示すように、ピーク1及びピーク3は、測定温度が上昇するにつれてピーク強度が直線的に低下した。すなわち、測定温度が上昇するにつれて、ピーク1及びピーク3を示す態様での水素の吸蔵量は直線的に低下した。 As shown in FIG. 15, the peak intensity of peak 1 and peak 3 decreased linearly as the measurement temperature increased. That is, as the measurement temperature increased, the amount of hydrogen occluded in the mode showing peak 1 and peak 3 decreased linearly.
これに対し、ピーク2のピーク強度は、測定温度が上昇しても低下せず、ほぼ一定であった。すなわち、測定温度が上昇しても、ピーク2を示す態様での水素の吸蔵量は維持された。このことは、ピーク2を示す水素の吸蔵態様が、ピーク1及びピーク3に示される態様とは異質の、温度依存性が極めて低い、安定したものであることを示している。 On the other hand, the peak intensity of peak 2 did not decrease even when the measurement temperature increased, and was almost constant. That is, even when the measurement temperature rose, the amount of hydrogen occluded in the mode showing peak 2 was maintained. This indicates that the hydrogen occlusion mode showing peak 2 is different from the modes shown in peak 1 and peak 3 and has a very low temperature dependency and is stable.
上述の実施例4においてピーク2が観測された5種類の水素吸蔵炭素材料のうちFePc/HT800及びCo/KB/HT900の2種類と、ピーク1のみが観察されたACと、について、水素吸蔵能を評価した。 Of the five types of hydrogen storage carbon materials in which peak 2 was observed in Example 4 above, two types of FePc / HT800 and Co / KB / HT900 and AC in which only peak 1 was observed showed hydrogen storage capacity. Was evaluated.
すなわち、各炭素材料の水素吸蔵量をJIS H 7201に従い、測定した。まず、試料管に炭素材料の試料約1gを挿入し、18時間以上真空排気した。その後、試料管にHeガスを導入し、試料体積を測定した。3時間以上真空排気することでHeガスを取り除いた。そして、水素ガスを20MPaとなるまで試料管に導入し、水素吸蔵量を測定した。なお、測定温度は−30℃(243K)とした。 That is, the hydrogen storage amount of each carbon material was measured according to JIS H7201. First, about 1 g of a carbon material sample was inserted into the sample tube, and evacuated for 18 hours or more. Thereafter, He gas was introduced into the sample tube, and the sample volume was measured. He gas was removed by evacuating for 3 hours or more. And hydrogen gas was introduce | transduced into the sample tube until it became 20 Mpa, and the hydrogen storage amount was measured. The measurement temperature was −30 ° C. (243K).
図16は、各炭素材料の水素吸蔵量(重量%)、比表面積(m2/g)及び単位表面積あたりの水素吸蔵量(g/m2)を評価した結果を示す。なお、FePc/HT800及びCo/KB/HT900の比表面積はBET法により測定した。ACの比表面積は、市販品の説明書に記載された値とした。 FIG. 16 shows the results of evaluating the hydrogen storage amount (% by weight), specific surface area (m 2 / g), and hydrogen storage amount (g / m 2 ) per unit surface area of each carbon material. The specific surface areas of FePc / HT800 and Co / KB / HT900 were measured by the BET method. The specific surface area of AC was the value described in the instructions for the commercial product.
図16に示すように、FePc/HT800及びCo/KB/HT900の単位表面積あたりの水素吸蔵量は、それぞれ1.25×10−3g/m2及び1.23×10−3g/m2であり、ACのそれに比べて約2.5倍と高かった。 As shown in FIG. 16, the hydrogen storage amounts per unit surface area of FePc / HT800 and Co / KB / HT900 are 1.25 × 10 −3 g / m 2 and 1.23 × 10 −3 g / m 2, respectively. It was about 2.5 times higher than that of AC.
これらFePc/HT800及びCo/KB/HT900における水素吸蔵能の高さは、他の炭素材料では見られない上述のピーク2で示される態様による水素吸蔵を反映したものと考えられた。 The high hydrogen storage capacity in these FePc / HT800 and Co / KB / HT900 was considered to reflect the hydrogen storage according to the embodiment shown by the above-described peak 2 that is not found in other carbon materials.
Claims (10)
ことを特徴とする水素吸蔵炭素材料。 A part of the occluded hydrogen exhibits a peak with a half-value width of 30 ppm or less at a position of a chemical shift of -5 to -30 ppm in 1 H-NMR measurement.
ことを特徴とする請求項1に記載された水素吸蔵炭素材料。 2. The hydrogen-occluding carbon according to claim 1, wherein the average crystallite size La in the a-axis direction in the carbon structure is 5.0 nm or less and the average crystallite size Lc in the c-axis direction is 0.5 nm or more. material.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載された水素吸蔵炭素材料。 Hydrogen storage carbon materials according to claim 1 or 2, wherein an average carbon structure (002) spacing d 002 is 0.340~0.450Nm.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載された水素吸蔵炭素材料。 The ratio of the peak area corresponding to the (002) plane reflection to the total area of the peak area corresponding to the (002) plane reflection of the carbon structure and the peak area derived from the amorphous structure in the X-ray diffraction diagram is 10% or more. The hydrogen storage carbon material according to any one of claims 1 to 3.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載された水素吸蔵炭素材料。 The hydrogen storage carbon material according to any one of claims 1 to 4, which is obtained by carbonizing a raw material containing a resin and a metal.
ことを特徴とする請求項5に記載された水素吸蔵炭素材料。 It is obtained by carbonizing the raw material at 700 ° C. or higher. The hydrogen storage carbon material according to claim 5.
前記複数の条件のうち、吸蔵した水素の一部が1H−NMR測定において化学シフト−5〜−30ppmの位置に半値幅30ppm以下のピークを示す炭素材料が得られる条件を選択し、
前記選択された条件で前記原料を炭素化して水素吸蔵炭素材料を製造する
ことを特徴とする水素吸蔵炭素材料の製造方法。 Perform carbonization of raw materials containing resin and metal under multiple conditions,
Of the plurality of conditions, select a condition in which a part of the occluded hydrogen has a carbon material showing a peak with a half-value width of 30 ppm or less at a chemical shift of -5 to -30 ppm in 1 H-NMR measurement,
A method for producing a hydrogen storage carbon material, wherein the raw material is carbonized under the selected conditions to produce a hydrogen storage carbon material.
前記複数の条件のうち、炭素構造におけるa軸方向の平均結晶子サイズLaが5.0nm以下、且つc軸方向の平均結晶子サイズLcが0.5nm以上である炭素材料が得られる条件を選択し、
前記選択された条件で前記原料を炭素化して水素吸蔵炭素材料を製造する
ことを特徴とする水素吸蔵炭素材料の製造方法。 Perform carbonization of raw materials containing resin and metal under multiple conditions,
Among the plurality of conditions, a condition for selecting a carbon material having an average crystallite size La in the a-axis direction of the carbon structure of 5.0 nm or less and an average crystallite size Lc in the c-axis direction of 0.5 nm or more is selected. And
A method for producing a hydrogen storage carbon material, wherein the raw material is carbonized under the selected conditions to produce a hydrogen storage carbon material.
ことを特徴とする請求項8に記載された水素吸蔵炭素材料の製造方法。 Among the plurality of conditions are described in claim 8, further average carbon structure (002) spacing d 002 is characterized by selecting the conditions under which the carbon material is obtained is 0.340~0.450nm A method for producing a hydrogen storage carbon material.
ことを特徴とする請求項8又は9に記載された水素吸蔵炭素材料の製造方法。 Among the plurality of conditions, the peak area corresponding to the (002) plane reflection with respect to the total area of the peak area corresponding to the (002) plane reflection of the carbon structure and the peak area derived from the amorphous structure in the X-ray diffraction diagram. The method for producing the hydrogen storage carbon material according to claim 8 or 9, wherein a condition for obtaining the carbon material having a ratio of 10% or more is selected.
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