炭素材料及びその製造方法
【課題】高価な白金や白金合金等の貴金属及びその合金を含まない、燃料電池用電極触媒等に好適な炭素材料を提供すること。
【解決手段】上記炭素材料は、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と金属フタロシアニン１〜１５０質量部とからなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を、不活性ガス雰囲気下、５００〜１，５００℃において焼成することにより、得ることができる。
上記炭素材料は、その酸素還元開始電位が高いため、燃料電池用電極触媒、各種化学反応の触媒等として好適に用いることができる。
【解決手段】上記炭素材料は、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と金属フタロシアニン１〜１５０質量部とからなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を、不活性ガス雰囲気下、５００〜１，５００℃において焼成することにより、得ることができる。
上記炭素材料は、その酸素還元開始電位が高いため、燃料電池用電極触媒、各種化学反応の触媒等として好適に用いることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素材料及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンと金属フタロシアニンとからなる組成物を焼成して得られる炭素材料及びその製造方法に関する。
本発明の炭素材料は良好な酸素還元作用を有し、燃料電池用電極触媒として好適である。
【背景技術】
【０００２】
高効率、無公害の燃料電池、特に電気自動車（ＦＣＥＶ）や定置用電熱併供システム（ＣＧ−ＦＣ）に用いられる固体高分子型燃料電池の実用化は、地球温暖化及び環境汚染問題に対する重要な解決策の一つとして注目されている。しかし、燃料電池においては、そのカソードで起こる酸素還元反応を促進するために、資源量が少なく極めて高価な白金を触媒として多量に使用する必要があり、このことが燃料電池の実用化の大きな障壁になっている。そこで白金等の高価な貴金属を必要としない、燃料電池用電極触媒の開発が大きな注目を集め、わが国はもとより米国をはじめとする世界中で精力的にその研究開発が行われている。それらの研究の主流は鉄やコバルト等の卑金属を活性中心とする電極触媒の開発であるが、得られる電極触媒の発電性能は十分ではなく、また耐久性の面でも問題があり実用化に至ってはいない。
例えば特許文献１は、炭素材料の原料となる有機物として熱硬化性樹脂類を用いて、貴金属以外の遷移金属及び窒素が添加された炭素材料を調製し、この炭素材料を用いた燃料電池用電極触媒及びその製造方法が開示されている。この電極触媒は、従来のものに比べて優れた性能を示してはいるが、白金を使用した電極触媒にはまだ及ばず、より優れた活性を有する電極触媒、及びその材料が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、高価な白金や白金合金等の貴金属及びその合金を含まない、燃料電池用電極触媒等に好適な炭素材料及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンと金属フタロシアニンとの組成物を焼成して得られる炭素材料が、優れた酸化還元活性を有し燃料電池用電極触媒として好適であることを見出した。即ち、本発明によると、本発明の上記目的及び利点は、第一に、
下記一般式（１）
【０００６】
【化１】
【０００７】
（上記一般式（１）において、「＝」は２本のシグマ結合を表し、Ａｒ１及びＡｒ２は、それぞれ、炭素数４〜４５の４価の芳香族基であり、Ｑ１は
【０００８】
【化２】
【０００９】
（上記式中、「＊」を付した結合手がＡｒ１と結合する。）
よりなる群から選択される１種以上の４価の基であり、Ｑ２は
【００１０】
【化３】
【００１１】
（上記式中、「＊」を付した結合手がＡｒ２と結合する。）
よりなる群から選択される１種以上の４価の基である。）
で表される繰返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と
下記式一般式（２）
【００１２】
【化４】
【００１３】
（上記一般式（２）において、ＭはＦｅ２＋、Ｃｏ２＋、Ｃｕ２＋及びＮｉ２＋よりなる群から選ばれる金属イオンであり、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４は、それぞれ、ハロゲン原子、炭素数１〜１２のアルキル基又は炭素数１〜１２のアルコキシル基であり、ｈ、ｉ、ｊ及びｋは、それぞれ、０〜４の整数である。）
で表される金属フタロシアニン１〜１５０質量部と
からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を、
不活性ガス雰囲気下、５００〜１，５００℃において焼成して得られる炭素材料によって達成される。
本発明の上記目的及び利点は、第二に、
上記一般式（１）で表される繰返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と
上記式一般式（２）で表される金属フタロシアニン１〜１５０質量部と
からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を、
不活性ガス雰囲気下、５００〜１，５００℃において焼成する炭素材料の製造方法によって達成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の炭素材料は、高い酸化還元活性を有し、燃料電池用電極触媒として用いられるほか、各種化学反応の触媒として好適に用いることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態の例について述べるが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン＞
本発明で使用される全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンは、上記一般式（１）で表される繰り返し単位からなるものである。全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの１分子中に存在する複数のＡｒ１及びＡｒ２並びにＱ１及びＱ２は、それぞれ同一であっても互いに異なっていてもよい。
上記Ａｒ１及びＡｒ２の炭素数４〜４５の４価の芳香族基としては、例えば
【００１６】
【化５】
【００１７】
よりなる群から選択される４価の芳香族基を挙げることができる。ここで、上記におけるＲ０としては、
【００１８】
【化６】
【００１９】
よりなる群から選択される２価の基を挙げることができる。全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの１分子中に複数個のＲ０が存在する場合、それらはそれぞれ同一であっても互いに異なっていてもよい。
上記一般式（１）におけるＡｒ１及びＡｒ２としてより好ましくは炭素数５〜２０の４価の芳香族基であり、更に好ましくは炭素数６〜１８の４価の芳香族基であり、特に好ましくは
【００２０】
【化７】
【００２１】
よりなる群から選択される１種以上の４価の芳香族基である。
上記Ａｒ１及びＡｒ２は、それぞれ、その芳香環上の水素原子のうちの１つ又は複数が、それぞれ独立に、フッ素原子、塩素原子、臭素原子等のハロゲン原子；メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基等の炭素数１〜６のアルキル基；シクロペンチル基、シクロヘキシル基等の炭素数５〜１０のシクロアルキル基；フェニル基等の炭素数６〜１０の芳香族基で置換されていてもよい。
【００２２】
＜金属フタロシアニン＞
本発明において用いられる金属フタロシアニンは、上記一般式（２）で表されるものである。
上記一般式（２）におけるＭは、Ｆｅ２＋又はＣｏ２＋であることが好ましい。
本発明において用いられる金属フタロシアニンとしては、上記一般式（２）におけるｈ、ｉ、ｊ及びｋがいずれも０であるか、あるいはこれらのうちの少なくとも１つが０ではなく且つＸ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４が塩素原子及び炭素数１〜８のアルキル基よりなる群から選ばれる一種以上の同一又は異なる基であることがより好ましく、下記一般式（５）で表されるものが更に好ましく、中でも下記一般式（５）においてＭがＦｅ２＋又はＣｏ２＋であるものが特に好ましい。
【００２３】
【化８】
【００２４】
（上記一般式（５）において、Ｍは上記一般式（２）におけるのと同義である。）
【００２５】
＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物及びその製造方法＞
本発明における全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物は、上記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と、上記一般式（２）で表される金属フタロシアニン１〜１５０質量部とからなる。金属フタロシアニンの割合としては、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部に対して、５〜１００質量部であることがより好ましく、８〜５０質量部であることが更に好ましい。
本発明における全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を製造するには、溶媒の存在下において、上記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーと上記一般式（２）で表される金属フタロシアニンとを混合した後、前駆体ポリマーをイミド化する方法によることが好ましい。
以下、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーの製造、該前駆体ポリマーと金属フタロシアニンとの混合及び該前駆体ポリマーのイミド化について説明する。
【００２６】
［全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーの製造］
全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーは、下記一般式（３）
【００２７】
【化９】
【００２８】
（上記一般式（３）において、Ａｒ１は上記一般式（１）におけるのと同義である。）
で表される芳香族テトラカルボン酸二酸無水物と、下記一般式（４）
【００２９】
【化１０】
【００３０】
（上記一般式（４）において、Ａｒ２は上記一般式（１）におけるのと同義である。）
で表わされる芳香族テトラミンおよびその強酸塩（以下、これらを総称して「芳香族テトラミン化合物」という。）よりなる群より選ばれる少なくとも１種とを、溶媒中において、任意的に縮合剤の存在下に、重合反応させることにより得られる。芳香族テトラミン化合物として、芳香族テトラミンの強酸塩を使用する場合の強酸としては、例えば塩化水素酸、硫酸、リン酸などを挙げることができる。
芳香族テトラカルボン酸二酸無水物と芳香族テトラミン化合物との使用割合は、芳香族テトラカルボン酸二酸無水物１モルに対する芳香族テトラミン化合物の使用モル数として、０．９０〜１．１０モルとすることが好ましく、０．９５〜１．０５モルとすることがより好ましい。
芳香族テトラカルボン酸二酸無水物と芳香族テトラミン化合物との反応に使用される溶媒は、前駆体ポリマーを溶解し、前駆体ポリマーと反応せず、縮合剤を使用する場合には更に縮合剤を溶解し、縮合剤と反応しない溶媒であればよい。
【００３１】
かかる溶媒としては例えばＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（以下、「ＤＭＡｃ」と略称することがある。）、Ｎ−メチルピロリドン、ヘキサメチルホスホルアミド、１，３−ジメチルイミダゾリジノン、テトラメチルウレア、１，３−ジピロピルイミダゾリジノン、Ｎーメチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、テトラメチルスルホンの如き非プロトン性極性溶媒；
ピリジン、２−ピコリン、３−ピコリン，４−ピコリン、２，３−ルチジン、２，４−ルチジン、２，５−ルチジン、２，６−ルチジン、３，４−ルチジン、３，５−ルチジン、２，６−ルチジンの如き複素芳香族化合物；
クレゾール及びその誘導体等から選択される少なくとも１種を使用することができるほか、
これらの溶媒から選択される少なくとも１種と、
四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、１，１，１−トリクロロエタン、１，１，２−トリクロロエタン、１，１，１，２−テトラクロロエタン、１，１，２，２−テトラクロロエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレンの如きの有機ハロゲン化物；
ベンゼン、トルエン、ベンゾニトリル、キシレン、ソルベントナフサ、ジオキサンの如き他の溶媒から選択される少なくとも１種との混合物を使用することができるが、これらに限定されるものではない。
【００３２】
溶媒の使用割合は種々の条件に応じて適宜設定されるが、原料溶液中のモノマー濃度（芳香族テトラカルボン酸二酸無水物と芳香族テトラミン化合物との合計濃度）が５〜３０質量％となる割合とすることが好ましい。
反応温度は、６０℃以下に設定することが好ましく、特に好ましくは−２０〜６０℃である。反応時間は、好ましくは０．１〜１０時間であり、より好ましくは０．５〜５時間である。
前駆体ポリマーを得るに際して、ポリマーの末端を封止することも好ましく適用することができる。前駆体ポリマーの末端を封止するするには芳香族テトラカルボン酸二酸無水物と芳香族テトラミン化合物との反応を末端封止剤の共存下に行う方法等によることができる。かかる末端封止剤としては、例えば無水フタル酸及びその置換体、ヘキサヒドロ無水フタル酸及びその置換体、無水コハク酸及びその置換体、アニリン及びその置換体等を挙げることができるがこれらに限られるものではない。
かくして得られる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーは、その特有粘度が０．１〜３０ｄＬ／ｇであることが好ましく、０．２〜１５ｄＬ／ｇであることがより好ましい。この特有粘度は、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）溶媒に、前駆体ポリマーを濃度０．５ｇ／１００ｍＬにて溶解した試料を用い、３０℃において測定した相対粘度（ηｒｅｌ）から、下記数式（ｉ）
ηｉｎｈ＝（ｌｎηｒｅｌ）／Ｃ （ｉ）
（上記数式（ｉ）中、ηｒｅｌは相対粘度であり、Ｃは溶液中の前駆体ポリマー濃度０．５ｇ／１００ｍＬである。）
により求めた値である。
【００３３】
［全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーと金属フタロシアニンとの混合］
上記の如き全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーと金属フタロシアニンとを混合する際に使用される溶媒としては、前駆体ポリマーの合成の際に使用できる溶媒として前記に例示したものと同じものを挙げることができる。それらのうち、前駆体ポリマー及び金属フタロシアニンの溶解性が良好であり、比較的入手し易いという点から、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ＤＭＡｃ、Ｎ−メチルピロリドン、ヘキサメチルホスホルアミド、１，３−ジメチルイミダゾリジノン、テトラメチルウレア及びジメチルスルホキシドよりなる群から選ばれる１種以上の非プロトン性溶媒を使用することが好ましい。
前駆体ポリマーと金属フタロシアニンとを混合する方法としては、前駆体ポリマーが溶解した溶液中に金属フタロシアニンを加える方法、前駆体ポリマーが溶解した溶液中に金属フタロシアニンを分散させた分散液を加える方法、前駆体ポリマーと金属フタロシアニンを同時に溶媒に加える方法等が好ましく用いられるが、この限りではない。
溶媒の使用割合は、溶媒、前駆体ポリマー及び金属フタロシアニンの合計質量に対する前駆体ポリマー及び金属フタロシアニンの合計質量が１〜３０質量％となる割合とすることが好ましく、この値が５〜１０質量％となる割合とすることよりが好ましい。
両者を混合するに際しては、例えばメカニカルスターラー、遊星攪拌機、１軸ルーダー及び２軸ルーダーなど公知の混錬装置を用いることができるほか、超音波分散によってもよい。
【００３４】
［全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーのイミド化］
次いで、上記のようにして得られた全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマー及び金属フタロシアニンを含有する混合物中の前駆体ポリマーをイミド化することにより、上記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンと上記一般式（２）で表される金属フタロシアニンとからなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を得ることができる。
前駆体ポリマーをイミド化するには、例えば前駆体ポリマー、金属フタロシアニン及び溶媒からなる混合物をそのまま用いて繊維状、フィルム状等の成型体に成型して溶媒を除去してイミド化する方法、上記混合物から前駆体ポリマー及び金属フタロシアニンを取り出してイミド化する方法、上記混合物を前駆体ポリマー及び前記金属フタロシアニンの貧溶媒と接触させて得られる析出物をイミド化する方法等によることができる。イミド化方法としては、加熱処理による熱イミド化、脱水剤を用いる化学イミド化等の従来から公知のいずれの方法をも利用することができるが、操作が簡便な点で熱イミド化が好ましい。
【００３５】
本発明における全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を得るためには、前駆体ポリマー、金属フタロシアニン及び溶媒からなる混合物を前駆体ポリマー及び前記金属フタロシアニンの貧溶媒と接触させて析出物を得、該析出物を８０℃以上５００℃未満で加熱処理して熱イミド化する方法によることがより好ましい。上記貧溶媒としては、例えば水、メタノール等を挙げることができる。
ここで、加熱処理を行う際には、徐々に昇温していくことが望ましいが、一定の昇温速度で加熱することが難しい場合があるため、例えば８０〜１５０℃で３分〜３時間加熱し、更に２００℃以上５００℃未満で１分〜３時間加熱する等のように段階的に加熱する方法も好ましく採用することができる。加熱処理における温度の段階の数の上限は特にはないが、操作が煩雑にならないように２〜５段階程度とすることが好ましい。８０℃以上５００℃未満で加熱する時間の合計は、１〜１０時間とすることが好ましい。
【００３６】
＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物の焼成＞
上記のようにして調製した全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を焼成して炭素化することにより、本発明の炭素材料（炭素化物）を得ることができる。この焼成の際の加熱温度としては５００〜１，５００℃の温度が採用され、好ましくは６００〜１，２００℃であり、より好ましくは６５０〜１，０００℃である。焼成時間は、１〜３００分であることが好ましく、１０〜１８０分であることがより好ましく、更に３０〜１００分であることが好ましい。
焼成は、不活性ガス雰囲気下において行われる。ここで、好ましい不活性ガスとして窒素、アルゴン等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。上記不活性ガスは、その酸素濃度が体積基準で１００ｐｐｍ以下であることが好ましく、２０ｐｐｍ以下であるとより好ましく、１０ｐｐｍ以下であると更に好ましい。
＜炭素材料＞
本発明の炭素材料は、その酸素還元開始電位が０．８〜１．０Ｖと高いものである。そのため、本発明の炭素材料は、燃料電池用電極触媒として好適に使用することができるほか、各種化学反応、例えば酸化物の還元反応等の触媒として好適に用いることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例により本発明方法を更に詳しく具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本発明の範囲が限定されるものではない。
以下において、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーの特有粘度、焼成の際の炭素化収率及び得られた炭素材料の酸素還元活性は、それぞれ、下記のようにして求めた。
（１）全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーの特有粘度（ηｉｎｈ）
ＤＭＡｃに、前駆体ポリマーを濃度０．５ｇ／１００ｍＬにて溶解した試料について３０℃において測定した相対粘度（ηｒｅｌ）の値から、上記数式（ｉ）により求めた。
（２）炭素化収率
炭素化収率は、焼成後の炭化物の重量及び焼成前の全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物の重量から、下記数式（ｉｉ）により求めた。
炭素化収率（％）＝（焼成後の炭素化物の重量）／（焼成前の全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物の重量）×１００ （ｉｉ）
【００３８】
（３）酸素還元活性
酸素還元活性は、回転電極法によりリニアスイープボルタンメトリーを行って測定した酸素還元開始電位として求めた。
なお、リニアスイープボルタンメトリーの手順は以下Ａ〜Ｅに示した。
Ａ．プラスチックバイアルに、焼成により得られた炭素材料５ｍｇをとり、ガラスビーズをスパチュラ一杯、ナフィオン５０μＬ並びに蒸留水及びエタノールをそれぞれ１５０μＬずつ加え、２０分間超音波をあててスラリーとした。
Ｂ．上記スラリーを４μＬとり、回転電極のガラス状炭素上に塗付し、飽和水蒸気雰囲気下で乾燥した。
Ｃ．乾燥後の回転電極を作用極とし、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極を参照極とし、白金線を対極とした。電解液である０．５Ｍ硫酸に酸素を３０分バブリングした後、自然電位を測定した。
Ｄ．次いで、６００ｓ初期電位を印加した後に、掃引速度１ｍＶ／ｓ、回転速度１，５００ｒｐｍで、０．８Ｖ ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌから−０．２Ｖ ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌまで測定を行った。
Ｅ．上記測定で、−１０μＡ・ｃｍ−２における電圧値を酸素還元開始電位として算出した。なお、酸素還元開始電位は、銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極を用いて測定した値を標準水素電極（ＮＨＥ）基準値に換算して示した。
【００３９】
調製例１＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマー溶液の調製＞
温度計、攪拌装置及び原料投入口を備えた反応容器に、窒素雰囲気下、ジアミノベンジディン１０．７質量部を入れ、ＤＭＡｃ２３５質量部を加え完全に溶解した後、氷浴下０℃まで冷却した。この冷却したジアミノベンジディン溶液に無水ピロメリット酸１０．９質量部を添加して反応を行った。反応温度は２５℃まで上昇したが、氷冷した状態でさらに一時間反応を行ることにより、前駆体ポリマー溶液を得た。ここで得られた前駆体ポリマーの特有粘度は０．３ｄＬ／ｇであった。
【００４０】
実施例１＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を用いた炭素材料の製造及び該炭素材料の酸素還元開始電位の測定＞
上記調製例１で得た前駆体ポリマー溶液２０．３質量部に鉄フタロシアニン０．４７質量部を加えて攪拌し、前駆体ポリマー及び鉄フタロシアニンを含有する溶液を得た。得られた溶液を大量のイオン交換水中に投入して得られた析出物につき、水で２回及びメタノールで１回、順次に洗浄した後、真空乾燥して、前駆体ポリマー及び鉄フタロシアニンからなる組成物を得た。この組成物を１００℃にて１時間、２００℃にて１時間及び３００℃にて１時間、順次に加熱処理することにより、鉄フタロシアニンを含む全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を得た。
得られた全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を窒素雰囲気、９００℃で６０分焼成して炭素化処理した後、ボールミルを用いて粉砕することにより、炭素材料を得た。
このときの炭素化収率及び得られた炭素材料の酸素還元開始電位測定結果を表１に示した。
【００４１】
比較例１＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンを用いた炭素材料の作成及び該炭素材料の酸素還元開始電位の測定＞
上記調製例１で得た前駆体ポリマー溶液の一部を大量のイオン交換水中に投入して得られた析出物につき、水で２回及びメタノールで１回、順次に洗浄した後、真空乾燥して、前駆体ポリマーを単離した。この前駆体ポリマーを１００℃で１時間、２００℃で１時間及び３００℃で１時間順次に熱処理して全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンとし、これを窒素雰囲気下、９００℃で６０分焼成して炭素化処理した後、ボールミルを用いて粉砕することにより、炭素材料を得た。
このときの炭素化収率及び得られた炭素材料の酸素還元開始電位測定結果を表１に示した。
【００４２】
比較例２＜フェノール樹脂組成物を用いた炭素材料の作成、及び該炭素材料の酸素還元開始電位の測定＞
フェノール樹脂３．３質量部をアセトン２３７質量部に溶解し、ここに１．０質量部の鉄フタロシアニンを加えた後アセトンを減圧留去して、２３．３重量％の鉄フタロシアニンを含むフェノール樹脂組成物を得た。
得られたフェノール樹脂組成物を８００℃で６０分焼成した後、ボールミルにより粉砕することにより、炭素材料を得た。
このときの炭素化収率及び得られた炭素材料の酸素還元開始電位測定結果を表１に示した。
【００４３】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の炭素材料は、燃料電池用の電極触媒、各種化学反応の触媒等として好適に用いることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素材料及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンと金属フタロシアニンとからなる組成物を焼成して得られる炭素材料及びその製造方法に関する。
本発明の炭素材料は良好な酸素還元作用を有し、燃料電池用電極触媒として好適である。
【背景技術】
【０００２】
高効率、無公害の燃料電池、特に電気自動車（ＦＣＥＶ）や定置用電熱併供システム（ＣＧ−ＦＣ）に用いられる固体高分子型燃料電池の実用化は、地球温暖化及び環境汚染問題に対する重要な解決策の一つとして注目されている。しかし、燃料電池においては、そのカソードで起こる酸素還元反応を促進するために、資源量が少なく極めて高価な白金を触媒として多量に使用する必要があり、このことが燃料電池の実用化の大きな障壁になっている。そこで白金等の高価な貴金属を必要としない、燃料電池用電極触媒の開発が大きな注目を集め、わが国はもとより米国をはじめとする世界中で精力的にその研究開発が行われている。それらの研究の主流は鉄やコバルト等の卑金属を活性中心とする電極触媒の開発であるが、得られる電極触媒の発電性能は十分ではなく、また耐久性の面でも問題があり実用化に至ってはいない。
例えば特許文献１は、炭素材料の原料となる有機物として熱硬化性樹脂類を用いて、貴金属以外の遷移金属及び窒素が添加された炭素材料を調製し、この炭素材料を用いた燃料電池用電極触媒及びその製造方法が開示されている。この電極触媒は、従来のものに比べて優れた性能を示してはいるが、白金を使用した電極触媒にはまだ及ばず、より優れた活性を有する電極触媒、及びその材料が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、高価な白金や白金合金等の貴金属及びその合金を含まない、燃料電池用電極触媒等に好適な炭素材料及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンと金属フタロシアニンとの組成物を焼成して得られる炭素材料が、優れた酸化還元活性を有し燃料電池用電極触媒として好適であることを見出した。即ち、本発明によると、本発明の上記目的及び利点は、第一に、
下記一般式（１）
【０００６】
【化１】
【０００７】
（上記一般式（１）において、「＝」は２本のシグマ結合を表し、Ａｒ１及びＡｒ２は、それぞれ、炭素数４〜４５の４価の芳香族基であり、Ｑ１は
【０００８】
【化２】
【０００９】
（上記式中、「＊」を付した結合手がＡｒ１と結合する。）
よりなる群から選択される１種以上の４価の基であり、Ｑ２は
【００１０】
【化３】
【００１１】
（上記式中、「＊」を付した結合手がＡｒ２と結合する。）
よりなる群から選択される１種以上の４価の基である。）
で表される繰返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と
下記式一般式（２）
【００１２】
【化４】
【００１３】
（上記一般式（２）において、ＭはＦｅ２＋、Ｃｏ２＋、Ｃｕ２＋及びＮｉ２＋よりなる群から選ばれる金属イオンであり、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４は、それぞれ、ハロゲン原子、炭素数１〜１２のアルキル基又は炭素数１〜１２のアルコキシル基であり、ｈ、ｉ、ｊ及びｋは、それぞれ、０〜４の整数である。）
で表される金属フタロシアニン１〜１５０質量部と
からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を、
不活性ガス雰囲気下、５００〜１，５００℃において焼成して得られる炭素材料によって達成される。
本発明の上記目的及び利点は、第二に、
上記一般式（１）で表される繰返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と
上記式一般式（２）で表される金属フタロシアニン１〜１５０質量部と
からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を、
不活性ガス雰囲気下、５００〜１，５００℃において焼成する炭素材料の製造方法によって達成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の炭素材料は、高い酸化還元活性を有し、燃料電池用電極触媒として用いられるほか、各種化学反応の触媒として好適に用いることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態の例について述べるが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン＞
本発明で使用される全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンは、上記一般式（１）で表される繰り返し単位からなるものである。全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの１分子中に存在する複数のＡｒ１及びＡｒ２並びにＱ１及びＱ２は、それぞれ同一であっても互いに異なっていてもよい。
上記Ａｒ１及びＡｒ２の炭素数４〜４５の４価の芳香族基としては、例えば
【００１６】
【化５】
【００１７】
よりなる群から選択される４価の芳香族基を挙げることができる。ここで、上記におけるＲ０としては、
【００１８】
【化６】
【００１９】
よりなる群から選択される２価の基を挙げることができる。全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの１分子中に複数個のＲ０が存在する場合、それらはそれぞれ同一であっても互いに異なっていてもよい。
上記一般式（１）におけるＡｒ１及びＡｒ２としてより好ましくは炭素数５〜２０の４価の芳香族基であり、更に好ましくは炭素数６〜１８の４価の芳香族基であり、特に好ましくは
【００２０】
【化７】
【００２１】
よりなる群から選択される１種以上の４価の芳香族基である。
上記Ａｒ１及びＡｒ２は、それぞれ、その芳香環上の水素原子のうちの１つ又は複数が、それぞれ独立に、フッ素原子、塩素原子、臭素原子等のハロゲン原子；メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基等の炭素数１〜６のアルキル基；シクロペンチル基、シクロヘキシル基等の炭素数５〜１０のシクロアルキル基；フェニル基等の炭素数６〜１０の芳香族基で置換されていてもよい。
【００２２】
＜金属フタロシアニン＞
本発明において用いられる金属フタロシアニンは、上記一般式（２）で表されるものである。
上記一般式（２）におけるＭは、Ｆｅ２＋又はＣｏ２＋であることが好ましい。
本発明において用いられる金属フタロシアニンとしては、上記一般式（２）におけるｈ、ｉ、ｊ及びｋがいずれも０であるか、あるいはこれらのうちの少なくとも１つが０ではなく且つＸ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４が塩素原子及び炭素数１〜８のアルキル基よりなる群から選ばれる一種以上の同一又は異なる基であることがより好ましく、下記一般式（５）で表されるものが更に好ましく、中でも下記一般式（５）においてＭがＦｅ２＋又はＣｏ２＋であるものが特に好ましい。
【００２３】
【化８】
【００２４】
（上記一般式（５）において、Ｍは上記一般式（２）におけるのと同義である。）
【００２５】
＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物及びその製造方法＞
本発明における全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物は、上記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と、上記一般式（２）で表される金属フタロシアニン１〜１５０質量部とからなる。金属フタロシアニンの割合としては、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部に対して、５〜１００質量部であることがより好ましく、８〜５０質量部であることが更に好ましい。
本発明における全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を製造するには、溶媒の存在下において、上記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーと上記一般式（２）で表される金属フタロシアニンとを混合した後、前駆体ポリマーをイミド化する方法によることが好ましい。
以下、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーの製造、該前駆体ポリマーと金属フタロシアニンとの混合及び該前駆体ポリマーのイミド化について説明する。
【００２６】
［全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーの製造］
全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーは、下記一般式（３）
【００２７】
【化９】
【００２８】
（上記一般式（３）において、Ａｒ１は上記一般式（１）におけるのと同義である。）
で表される芳香族テトラカルボン酸二酸無水物と、下記一般式（４）
【００２９】
【化１０】
【００３０】
（上記一般式（４）において、Ａｒ２は上記一般式（１）におけるのと同義である。）
で表わされる芳香族テトラミンおよびその強酸塩（以下、これらを総称して「芳香族テトラミン化合物」という。）よりなる群より選ばれる少なくとも１種とを、溶媒中において、任意的に縮合剤の存在下に、重合反応させることにより得られる。芳香族テトラミン化合物として、芳香族テトラミンの強酸塩を使用する場合の強酸としては、例えば塩化水素酸、硫酸、リン酸などを挙げることができる。
芳香族テトラカルボン酸二酸無水物と芳香族テトラミン化合物との使用割合は、芳香族テトラカルボン酸二酸無水物１モルに対する芳香族テトラミン化合物の使用モル数として、０．９０〜１．１０モルとすることが好ましく、０．９５〜１．０５モルとすることがより好ましい。
芳香族テトラカルボン酸二酸無水物と芳香族テトラミン化合物との反応に使用される溶媒は、前駆体ポリマーを溶解し、前駆体ポリマーと反応せず、縮合剤を使用する場合には更に縮合剤を溶解し、縮合剤と反応しない溶媒であればよい。
【００３１】
かかる溶媒としては例えばＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（以下、「ＤＭＡｃ」と略称することがある。）、Ｎ−メチルピロリドン、ヘキサメチルホスホルアミド、１，３−ジメチルイミダゾリジノン、テトラメチルウレア、１，３−ジピロピルイミダゾリジノン、Ｎーメチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、テトラメチルスルホンの如き非プロトン性極性溶媒；
ピリジン、２−ピコリン、３−ピコリン，４−ピコリン、２，３−ルチジン、２，４−ルチジン、２，５−ルチジン、２，６−ルチジン、３，４−ルチジン、３，５−ルチジン、２，６−ルチジンの如き複素芳香族化合物；
クレゾール及びその誘導体等から選択される少なくとも１種を使用することができるほか、
これらの溶媒から選択される少なくとも１種と、
四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、１，１，１−トリクロロエタン、１，１，２−トリクロロエタン、１，１，１，２−テトラクロロエタン、１，１，２，２−テトラクロロエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレンの如きの有機ハロゲン化物；
ベンゼン、トルエン、ベンゾニトリル、キシレン、ソルベントナフサ、ジオキサンの如き他の溶媒から選択される少なくとも１種との混合物を使用することができるが、これらに限定されるものではない。
【００３２】
溶媒の使用割合は種々の条件に応じて適宜設定されるが、原料溶液中のモノマー濃度（芳香族テトラカルボン酸二酸無水物と芳香族テトラミン化合物との合計濃度）が５〜３０質量％となる割合とすることが好ましい。
反応温度は、６０℃以下に設定することが好ましく、特に好ましくは−２０〜６０℃である。反応時間は、好ましくは０．１〜１０時間であり、より好ましくは０．５〜５時間である。
前駆体ポリマーを得るに際して、ポリマーの末端を封止することも好ましく適用することができる。前駆体ポリマーの末端を封止するするには芳香族テトラカルボン酸二酸無水物と芳香族テトラミン化合物との反応を末端封止剤の共存下に行う方法等によることができる。かかる末端封止剤としては、例えば無水フタル酸及びその置換体、ヘキサヒドロ無水フタル酸及びその置換体、無水コハク酸及びその置換体、アニリン及びその置換体等を挙げることができるがこれらに限られるものではない。
かくして得られる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーは、その特有粘度が０．１〜３０ｄＬ／ｇであることが好ましく、０．２〜１５ｄＬ／ｇであることがより好ましい。この特有粘度は、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）溶媒に、前駆体ポリマーを濃度０．５ｇ／１００ｍＬにて溶解した試料を用い、３０℃において測定した相対粘度（ηｒｅｌ）から、下記数式（ｉ）
ηｉｎｈ＝（ｌｎηｒｅｌ）／Ｃ （ｉ）
（上記数式（ｉ）中、ηｒｅｌは相対粘度であり、Ｃは溶液中の前駆体ポリマー濃度０．５ｇ／１００ｍＬである。）
により求めた値である。
【００３３】
［全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーと金属フタロシアニンとの混合］
上記の如き全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーと金属フタロシアニンとを混合する際に使用される溶媒としては、前駆体ポリマーの合成の際に使用できる溶媒として前記に例示したものと同じものを挙げることができる。それらのうち、前駆体ポリマー及び金属フタロシアニンの溶解性が良好であり、比較的入手し易いという点から、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ＤＭＡｃ、Ｎ−メチルピロリドン、ヘキサメチルホスホルアミド、１，３−ジメチルイミダゾリジノン、テトラメチルウレア及びジメチルスルホキシドよりなる群から選ばれる１種以上の非プロトン性溶媒を使用することが好ましい。
前駆体ポリマーと金属フタロシアニンとを混合する方法としては、前駆体ポリマーが溶解した溶液中に金属フタロシアニンを加える方法、前駆体ポリマーが溶解した溶液中に金属フタロシアニンを分散させた分散液を加える方法、前駆体ポリマーと金属フタロシアニンを同時に溶媒に加える方法等が好ましく用いられるが、この限りではない。
溶媒の使用割合は、溶媒、前駆体ポリマー及び金属フタロシアニンの合計質量に対する前駆体ポリマー及び金属フタロシアニンの合計質量が１〜３０質量％となる割合とすることが好ましく、この値が５〜１０質量％となる割合とすることよりが好ましい。
両者を混合するに際しては、例えばメカニカルスターラー、遊星攪拌機、１軸ルーダー及び２軸ルーダーなど公知の混錬装置を用いることができるほか、超音波分散によってもよい。
【００３４】
［全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーのイミド化］
次いで、上記のようにして得られた全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマー及び金属フタロシアニンを含有する混合物中の前駆体ポリマーをイミド化することにより、上記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンと上記一般式（２）で表される金属フタロシアニンとからなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を得ることができる。
前駆体ポリマーをイミド化するには、例えば前駆体ポリマー、金属フタロシアニン及び溶媒からなる混合物をそのまま用いて繊維状、フィルム状等の成型体に成型して溶媒を除去してイミド化する方法、上記混合物から前駆体ポリマー及び金属フタロシアニンを取り出してイミド化する方法、上記混合物を前駆体ポリマー及び前記金属フタロシアニンの貧溶媒と接触させて得られる析出物をイミド化する方法等によることができる。イミド化方法としては、加熱処理による熱イミド化、脱水剤を用いる化学イミド化等の従来から公知のいずれの方法をも利用することができるが、操作が簡便な点で熱イミド化が好ましい。
【００３５】
本発明における全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を得るためには、前駆体ポリマー、金属フタロシアニン及び溶媒からなる混合物を前駆体ポリマー及び前記金属フタロシアニンの貧溶媒と接触させて析出物を得、該析出物を８０℃以上５００℃未満で加熱処理して熱イミド化する方法によることがより好ましい。上記貧溶媒としては、例えば水、メタノール等を挙げることができる。
ここで、加熱処理を行う際には、徐々に昇温していくことが望ましいが、一定の昇温速度で加熱することが難しい場合があるため、例えば８０〜１５０℃で３分〜３時間加熱し、更に２００℃以上５００℃未満で１分〜３時間加熱する等のように段階的に加熱する方法も好ましく採用することができる。加熱処理における温度の段階の数の上限は特にはないが、操作が煩雑にならないように２〜５段階程度とすることが好ましい。８０℃以上５００℃未満で加熱する時間の合計は、１〜１０時間とすることが好ましい。
【００３６】
＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物の焼成＞
上記のようにして調製した全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を焼成して炭素化することにより、本発明の炭素材料（炭素化物）を得ることができる。この焼成の際の加熱温度としては５００〜１，５００℃の温度が採用され、好ましくは６００〜１，２００℃であり、より好ましくは６５０〜１，０００℃である。焼成時間は、１〜３００分であることが好ましく、１０〜１８０分であることがより好ましく、更に３０〜１００分であることが好ましい。
焼成は、不活性ガス雰囲気下において行われる。ここで、好ましい不活性ガスとして窒素、アルゴン等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。上記不活性ガスは、その酸素濃度が体積基準で１００ｐｐｍ以下であることが好ましく、２０ｐｐｍ以下であるとより好ましく、１０ｐｐｍ以下であると更に好ましい。
＜炭素材料＞
本発明の炭素材料は、その酸素還元開始電位が０．８〜１．０Ｖと高いものである。そのため、本発明の炭素材料は、燃料電池用電極触媒として好適に使用することができるほか、各種化学反応、例えば酸化物の還元反応等の触媒として好適に用いることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例により本発明方法を更に詳しく具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本発明の範囲が限定されるものではない。
以下において、全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーの特有粘度、焼成の際の炭素化収率及び得られた炭素材料の酸素還元活性は、それぞれ、下記のようにして求めた。
（１）全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマーの特有粘度（ηｉｎｈ）
ＤＭＡｃに、前駆体ポリマーを濃度０．５ｇ／１００ｍＬにて溶解した試料について３０℃において測定した相対粘度（ηｒｅｌ）の値から、上記数式（ｉ）により求めた。
（２）炭素化収率
炭素化収率は、焼成後の炭化物の重量及び焼成前の全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物の重量から、下記数式（ｉｉ）により求めた。
炭素化収率（％）＝（焼成後の炭素化物の重量）／（焼成前の全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物の重量）×１００ （ｉｉ）
【００３８】
（３）酸素還元活性
酸素還元活性は、回転電極法によりリニアスイープボルタンメトリーを行って測定した酸素還元開始電位として求めた。
なお、リニアスイープボルタンメトリーの手順は以下Ａ〜Ｅに示した。
Ａ．プラスチックバイアルに、焼成により得られた炭素材料５ｍｇをとり、ガラスビーズをスパチュラ一杯、ナフィオン５０μＬ並びに蒸留水及びエタノールをそれぞれ１５０μＬずつ加え、２０分間超音波をあててスラリーとした。
Ｂ．上記スラリーを４μＬとり、回転電極のガラス状炭素上に塗付し、飽和水蒸気雰囲気下で乾燥した。
Ｃ．乾燥後の回転電極を作用極とし、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極を参照極とし、白金線を対極とした。電解液である０．５Ｍ硫酸に酸素を３０分バブリングした後、自然電位を測定した。
Ｄ．次いで、６００ｓ初期電位を印加した後に、掃引速度１ｍＶ／ｓ、回転速度１，５００ｒｐｍで、０．８Ｖ ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌから−０．２Ｖ ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌまで測定を行った。
Ｅ．上記測定で、−１０μＡ・ｃｍ−２における電圧値を酸素還元開始電位として算出した。なお、酸素還元開始電位は、銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極を用いて測定した値を標準水素電極（ＮＨＥ）基準値に換算して示した。
【００３９】
調製例１＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンの前駆体ポリマー溶液の調製＞
温度計、攪拌装置及び原料投入口を備えた反応容器に、窒素雰囲気下、ジアミノベンジディン１０．７質量部を入れ、ＤＭＡｃ２３５質量部を加え完全に溶解した後、氷浴下０℃まで冷却した。この冷却したジアミノベンジディン溶液に無水ピロメリット酸１０．９質量部を添加して反応を行った。反応温度は２５℃まで上昇したが、氷冷した状態でさらに一時間反応を行ることにより、前駆体ポリマー溶液を得た。ここで得られた前駆体ポリマーの特有粘度は０．３ｄＬ／ｇであった。
【００４０】
実施例１＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を用いた炭素材料の製造及び該炭素材料の酸素還元開始電位の測定＞
上記調製例１で得た前駆体ポリマー溶液２０．３質量部に鉄フタロシアニン０．４７質量部を加えて攪拌し、前駆体ポリマー及び鉄フタロシアニンを含有する溶液を得た。得られた溶液を大量のイオン交換水中に投入して得られた析出物につき、水で２回及びメタノールで１回、順次に洗浄した後、真空乾燥して、前駆体ポリマー及び鉄フタロシアニンからなる組成物を得た。この組成物を１００℃にて１時間、２００℃にて１時間及び３００℃にて１時間、順次に加熱処理することにより、鉄フタロシアニンを含む全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を得た。
得られた全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を窒素雰囲気、９００℃で６０分焼成して炭素化処理した後、ボールミルを用いて粉砕することにより、炭素材料を得た。
このときの炭素化収率及び得られた炭素材料の酸素還元開始電位測定結果を表１に示した。
【００４１】
比較例１＜全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンを用いた炭素材料の作成及び該炭素材料の酸素還元開始電位の測定＞
上記調製例１で得た前駆体ポリマー溶液の一部を大量のイオン交換水中に投入して得られた析出物につき、水で２回及びメタノールで１回、順次に洗浄した後、真空乾燥して、前駆体ポリマーを単離した。この前駆体ポリマーを１００℃で１時間、２００℃で１時間及び３００℃で１時間順次に熱処理して全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロンとし、これを窒素雰囲気下、９００℃で６０分焼成して炭素化処理した後、ボールミルを用いて粉砕することにより、炭素材料を得た。
このときの炭素化収率及び得られた炭素材料の酸素還元開始電位測定結果を表１に示した。
【００４２】
比較例２＜フェノール樹脂組成物を用いた炭素材料の作成、及び該炭素材料の酸素還元開始電位の測定＞
フェノール樹脂３．３質量部をアセトン２３７質量部に溶解し、ここに１．０質量部の鉄フタロシアニンを加えた後アセトンを減圧留去して、２３．３重量％の鉄フタロシアニンを含むフェノール樹脂組成物を得た。
得られたフェノール樹脂組成物を８００℃で６０分焼成した後、ボールミルにより粉砕することにより、炭素材料を得た。
このときの炭素化収率及び得られた炭素材料の酸素還元開始電位測定結果を表１に示した。
【００４３】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の炭素材料は、燃料電池用の電極触媒、各種化学反応の触媒等として好適に用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記一般式（１）
【化１】
（上記一般式（１）において、「＝」は２本のシグマ結合を表し、Ａｒ１及びＡｒ２は、それぞれ、炭素数４〜４５の４価の芳香族基であり、Ｑ１は
【化２】
（上記式中、「＊」を付した結合手がＡｒ１と結合する。）
よりなる群から選択される１種以上の４価の基であり、Ｑ２は
【化３】
（上記式中、「＊」を付した結合手がＡｒ２と結合する。）
よりなる群から選択される１種以上の４価の基である。）
で表される繰返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と
下記式一般式（２）
【化４】
（上記一般式（２）において、ＭはＦｅ２＋、Ｃｏ２＋、Ｃｕ２＋及びＮｉ２＋よりなる群から選ばれる金属イオンであり、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４は、それぞれ、ハロゲン原子、炭素数１〜１２のアルキル基又は炭素数１〜１２のアルコキシル基であり、ｈ、ｉ、ｊ及びｋは、それぞれ、０〜４の整数である。）
で表される金属フタロシアニン１〜１５０質量部と
からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を、
不活性ガス雰囲気下、５００〜１，５００℃において焼成して得られることを特徴とする、炭素材料。
【請求項２】
上記一般式（１）におけるＡｒ１及びＡｒ２が、それぞれ、
【化５】
よりなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１に記載の炭素材料。
【請求項３】
上記一般式（２）におけるＭがＦｅ２＋又はＣｏ２＋である、請求項１又は２に記載の炭素材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素材料を製造するための方法であって、
上記一般式（１）で表される繰返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と
上記式一般式（２）で表される金属フタロシアニン１〜１５０質量部と
からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を、
不活性ガス雰囲気下、５００〜１，５００℃において焼成することを特徴とする、炭素材料の製造方法。
【請求項１】
下記一般式（１）
【化１】
（上記一般式（１）において、「＝」は２本のシグマ結合を表し、Ａｒ１及びＡｒ２は、それぞれ、炭素数４〜４５の４価の芳香族基であり、Ｑ１は
【化２】
（上記式中、「＊」を付した結合手がＡｒ１と結合する。）
よりなる群から選択される１種以上の４価の基であり、Ｑ２は
【化３】
（上記式中、「＊」を付した結合手がＡｒ２と結合する。）
よりなる群から選択される１種以上の４価の基である。）
で表される繰返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と
下記式一般式（２）
【化４】
（上記一般式（２）において、ＭはＦｅ２＋、Ｃｏ２＋、Ｃｕ２＋及びＮｉ２＋よりなる群から選ばれる金属イオンであり、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４は、それぞれ、ハロゲン原子、炭素数１〜１２のアルキル基又は炭素数１〜１２のアルコキシル基であり、ｈ、ｉ、ｊ及びｋは、それぞれ、０〜４の整数である。）
で表される金属フタロシアニン１〜１５０質量部と
からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を、
不活性ガス雰囲気下、５００〜１，５００℃において焼成して得られることを特徴とする、炭素材料。
【請求項２】
上記一般式（１）におけるＡｒ１及びＡｒ２が、それぞれ、
【化５】
よりなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１に記載の炭素材料。
【請求項３】
上記一般式（２）におけるＭがＦｅ２＋又はＣｏ２＋である、請求項１又は２に記載の炭素材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素材料を製造するための方法であって、
上記一般式（１）で表される繰返し単位からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン１００質量部と
上記式一般式（２）で表される金属フタロシアニン１〜１５０質量部と
からなる全芳香族ポリベンゾイミダゾピロロン組成物を、
不活性ガス雰囲気下、５００〜１，５００℃において焼成することを特徴とする、炭素材料の製造方法。
【公開番号】特開２０１１−６２８２（Ｐ２０１１−６２８２Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５０９７９（Ｐ２００９−１５０９７９）
【出願日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構「固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発／要素技術開発／カーボンアロイ触媒」にかかる委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３００１）帝人株式会社 (1,209)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構「固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発／要素技術開発／カーボンアロイ触媒」にかかる委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３００１）帝人株式会社 (1,209)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
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