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公開番号2024076756
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-06-06
出願番号2022188470
出願日2022-11-25
発明の名称複合体及びその製造方法、複合体を含む触媒、液状組成物又は電極、並びに電極を有する燃料電池又は金属空気電池
出願人国立大学法人東北大学
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類B01J 31/28 20060101AFI20240530BHJP(物理的または化学的方法または装置一般)
要約【課題】優れた酸素還元触媒能を具備する、複合体及びその製造方法、複合体を含む触媒、液状組成物又は電極、並びに電極を有する燃料電池又は金属空気電池を提供する。
【解決手段】リンカー構造が結合した炭素材料及び下式(1)で表される金属錯体構造
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(式中、X¹～X⁸はそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子であり、D¹～D⁴は窒素原子又は炭素原子であり、前記炭素原子には水素原子又はハロゲン原子が結合し、Mは金属原子である)を含む、複合体。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
下式（Ｉ）又は（ＩＩ）で表されるリンカー構造が結合した炭素材料
TIFF
2024076756000021.tif
36
170
（式中、
Ｙ
１
～Ｙ
４
は窒素原子又は炭素原子であり、ただし、Ｙ
１
～Ｙ
４
のうち少なくとも２つは炭素原子であり、
Ｙ
１
～Ｙ
４
の炭素原子には水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アミノ基又はニトロ基が結合し、
Ｚは単結合又はアルキレン基である）
TIFF
2024076756000022.tif
43
170
（式中、
Ｙ
５
～Ｙ
７
は窒素原子又は炭素原子であり、ただし、Ｙ
５
～Ｙ
７
のうち少なくとも２つは炭素原子であり、
Ｙ
５
～Ｙ
７
の炭素原子には水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アミノ基又はニトロ基が結合し、
Ｚは単結合又はアルキレン基である）、及び
下式（１）で表される金属錯体構造
TIFF
2024076756000023.tif
74
170
（式中、
Ｘ
１
～Ｘ
８
はそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子であり、
Ｄ
１
～Ｄ
４
は窒素原子又は炭素原子であり、前記炭素原子には水素原子又はハロゲン原子が結合し、
Ｍは金属原子である）
を含む、複合体。
続きを表示（約 840 文字）【請求項２】
式（Ｉ）において、Ｙ
１
～Ｙ
４
の全てが水素原子もしくはハロゲン原子が結合した炭素原子である、または
式（ＩＩ）において、Ｙ
５
及びＹ
７
が水素原子もしくはハロゲン原子が結合した炭素原子であり、Ｙ
６
が窒素原子である、請求項１に記載の複合体。
【請求項３】
式（１）において、Ｄ
１
～Ｄ
４
が炭素原子である、請求項１に記載の複合体。
【請求項４】
式（Ｉ）または（ＩＩ）において、Ｚが単結合である、請求項１に記載の複合体。
【請求項５】
前記リンカー構造は、式（Ｉ）で表される、請求項１に記載の複合体。
【請求項６】
前記リンカー構造中の少なくとも１つの窒素原子と前記金属錯体中の金属原子とが、配位結合している、請求項１に記載の複合体。
【請求項７】
前記炭素材料が、カーボンナノチューブ、黒鉛、アモルファス炭素、活性炭、グラフェン、カーボンブラック、炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、マイクロカプセルカーボン、フラーレン、カーボンナノフォーム、及びカーボンナノホーンからなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１に記載の複合体。
【請求項８】
炭素材料中の少なくとも１つの炭素原子にリンカー構造を結合させる工程、及び
前記リンカー構造中の少なくとも１つの窒素原子と金属錯体構造とを結合させる工程
を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の複合体を製造する方法。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか一項に記載の複合体を含む、触媒。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか一項に記載の複合体と液状媒体とを含む、液状組成物。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合体及びその製造方法、複合体を含む触媒、液状組成物又は電極、並びに電極を有する燃料電池又は金属空気電池に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
電極における酸化還元反応を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスとして、燃料電池及び金属空気電池が知られている。従来、燃料電池及び金属空気電池の正極（空気極）に用いられる酸素還元触媒として、炭素材料上に白金を担持したものが用いられている。
【０００３】
しかし、白金は非常に高価であるとともにその資源量が限られている。そのため、白金の使用量を低減した、又は白金を使用しない、より安価で資源量が豊富な材料を用いた電極触媒の開発が課題となっている。
【０００４】
白金代替触媒としては、例えば、貴金属元素を含有しない遷移金属錯体が用いられている。特許文献１では、特定の化学構造を有する鉄テトラピリドポリフィラジンの金属錯体を触媒に適用すると、優れた酸素還元触媒能を示すため、白金の代替材料として有用であることが報告されている。また、特許文献２では、優れた酸素還元触媒能を有し、安価に製造でき、電極とした際の耐久性に優れる非白金触媒及びその製造方法が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
国際公開第２０１９／１６７４０７号
国際公開第２０２１／０４５１２１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び２では、金属錯体を導電性粉体の表面上に吸着させて複合体を形成したものを非白金触媒としており、金属錯体と導電性粉体との間での結合に関しては十分な検討が行われていない。そのため、従来の非白金触媒において、酸素還元特性を向上するうえで、さらに改善の余地がある。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、優れた酸素還元触媒能を具備する、複合体及びその製造方法、複合体を含む触媒、液状組成物又は電極、並びに電極を有する燃料電池又は金属空気電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、予期しないことに、特定の化学構造を有するリンカー構造が結合した炭素材料と、特定の化学構造を有する金属錯体と、を含む複合体が、優れた酸素還元触媒能を有することを見出し、本発明に到達した。
【０００９】
本発明の目的は、下式（Ｉ）又は（ＩＩ）で表されるリンカー構造が結合した炭素材料
TIFF
2024076756000002.tif
36
170
（式中、
Ｙ
１
～Ｙ
４
は窒素原子又は炭素原子であり、ただし、Ｙ
１
～Ｙ
４
のうち少なくとも２つは炭素原子であり、
Ｙ
１
～Ｙ
４
の炭素原子には水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アミノ基又はニトロ基が結合し、
Ｚは単結合又はアルキレン基である）
TIFF
2024076756000003.tif
43
170
（式中、
Ｙ
５
～Ｙ
７
は窒素原子又は炭素原子であり、ただし、Ｙ
５
～Ｙ
７
のうち少なくとも２つは炭素原子であり、
Ｙ
５
～Ｙ
７
の炭素原子には水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アミノ基又はニトロ基が結合し、
Ｚは単結合又はアルキレン基である）、及び
下式（１）で表される金属錯体構造
TIFF
2024076756000004.tif
74
170
（式中、
Ｘ
１
～Ｘ
８
はそれぞれ独立に、水素原子又はハロゲン原子であり、
Ｄ
１
～Ｄ
４
は窒素原子又は炭素原子であり、前記炭素原子には水素原子又はハロゲン原子が結合し、
Ｍは金属原子である）
を含む、複合体によって達成される。
【００１０】
式（Ｉ）において、Ｙ
１
～Ｙ
４
の全てが水素原子もしくはハロゲン原子が結合した炭素原子であるか、または
式（ＩＩ）において、Ｙ
５
及びＹ
７
が水素原子もしくはハロゲン原子が結合した炭素原子であり、Ｙ
６
が窒素原子であることが好ましい。
（【００１１】以降は省略されています）

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