【文献】
JOHNSON, D. M. et al,Condensation of DAMN with Conjugated Aldehydes and Polymerizations of the Corresponding Imines,Macromolecules,2005年 3月30日,Vol.38, No.9,p.3615-3621,DOI: 10.1021/ma047918l
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、生産効率、コスト及びエネルギー消費量の点で優れ、かつ高い炭素化収率を与える窒化炭素前駆体組成物及び窒化炭素の製造方法を提供する。本発明により得られる窒化炭素は、たとえば電極材料に適している。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る窒化炭素前駆体組成物は、下記式(1)で表される化合物の重合体及び溶媒を含む。
【0007】
【化1】
【0008】
(Arは炭素数6〜18の芳香族炭化水素基又はその芳香環上の炭素の一部が窒素原子で置換された基を表す。該芳香族炭化水素基上の水素原子はその一部又は全部がハロゲン原子、アミノ基、シアノ基、炭素数1〜8の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基により置換されていてもよい。P
1は重合性基を表す。P
2は水素原子又は上記式中の炭素−窒素二重結合と共に共役系を形成する炭素−炭素間不飽和結合を有する有機基を表す。R
1は水素原子、炭素数1〜8の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基を表す。mは0又は1以上の整数を表す。)
本発明に係る窒化炭素の製造方法は、下記式(1)で表される化合物の重合体及び溶媒を含む組成物を支持体上に塗布する工程と、
【0009】
【化2】
【0010】
(Arは炭素数6〜18の芳香族炭化水素基又はその芳香環上の炭素の一部が窒素原子で置換された基を表す。該芳香族炭化水素基上の水素原子はその一部又は全部がハロゲン原子、アミノ基、シアノ基、炭素数1〜8の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基により置換されていてもよい。P
1は重合性基を表す。P
2は水素原子又は上記式中の炭素−窒素二重結合と共に共役系を形成する炭素−炭素間不飽和結合を有する有機基を表す。R
1は水素原子、炭素数1〜8の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基を表す。mは0又は1以上の整数を表す。)
前記組成物が塗布された支持体を不活性気体中で加熱する工程と、
を備える。
【0011】
本発明に係る電極材料は、本発明に係る窒化炭素前駆体組成物を原料として得られるものである。
【発明の効果】
【0012】
本発明に係る窒化炭素前駆体組成物及び窒化炭素の製造方法は、生産効率、コスト及びエネルギー消費量の点で優れ、かつ高い炭素化収率を与える。
【発明を実施するための形態】
【0013】
<窒化炭素前駆体組成物>
本発明に係る窒化炭素前駆体組成物は、下記式(1)で表される化合物の重合体及び溶媒を含有する。
【0015】
(Arは炭素数6〜18の芳香族炭化水素基又はその芳香環上の炭素の一部が窒素原子で置換された基を表す。該芳香族炭化水素基上の水素原子はその一部又は全部がハロゲン原子、アミノ基、シアノ基、炭素数1〜8の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基により置換されていてもよい。P
1は重合性基を表す。P
2は水素原子又は上記式中の炭素−窒素二重結合と共に共役系を形成する炭素−炭素間不飽和結合を有する有機基を表す。R
1は水素原子、炭素数1〜8の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基を表す。mは0又は1以上の整数を表す。)
式(1)で表される化合物は、芳香環Ar、炭素−窒素二重結合及び有機基P
2が共役系を形成している。該共役系は炭素−窒素原子間ネットワークを維持し、炭素化収率の向上に寄与する。芳香族炭化水素基Arの例として、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環若しくはピレン環等の芳香族炭化水素基、又はその芳香環を構成する炭素原子の一部が窒素原子で置換されたピリジン環、トリアジン環等の含窒素芳香族炭化水素基が挙げられる。
【0016】
式(1)で表される化合物は重合して用いることが好ましい。該化合物を重合することにより、塗膜の形成が容易となり、均一な窒化炭素膜の形成が容易となる。また、化合物やその分解物の揮散を抑制し、炭素化収率のさらなる向上に寄与する。
【0017】
式(1)で表される化合物の重合は炭素−窒素間不飽和結合又は有機基P
2が有する炭素−炭素間不飽和結合を反応点として行うことができるが、重合性基P
1を反応点として行うことが好ましい。重合性基P
1を反応点として重合を行うことにより、炭素−窒素間不飽和結合を含む共役系が重合後も維持され、炭素化収率のさらなる向上に寄与する。このため、式(1)においてmは1以上が好ましい。
<溶媒>
本発明に係る組成物は溶媒を含有する。溶媒は式(1)で表される化合物の重合体を溶解可能なものを任意に選択可能である。選択可能な溶媒として、アルコール系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、エーテル系溶媒、エステル系溶媒等が挙げられる。溶媒は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。上記アルコール系溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロピルアルコール、iso−プロピルアルコール、n−ブチルアルコール、iso−ブチルアルコール、sec−ブチルアルコール、t−ブチルアルコール、n−ペンチルアルコール、iso−ペンチルアルコール、sec−ペンチルアルコール、t−ペンチルアルコール等のモノアルコール系溶媒;エチレングリコール、1,2−プロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、2,4−ペンタンジオール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、2,5−ヘキサンジオール、2,4−ヘプタンジオール等の多価アルコール系溶媒などが挙げられる。
【0018】
上記ケトン系溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチル−n−プロピルケトン、メチル−n−ブチルケトン、ジエチルケトン、メチル−iso−ブチルケトン、メチル−n−ペンチルケトン、エチル−n−ブチルケトン、メチル−n−ヘキシルケトン、ジ−iso−ブチルケトン、トリメチルノナノン等の脂肪族ケトン系溶媒;シクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノン、シクロオクタノン、メチルシクロヘキサノン等の環状ケトン系溶媒;2,4−ペンタンジオン、アセトニルアセトン、ジアセトンアルコール、アセトフェノン、メチルn−アミルケトンなどが挙げられる。
【0019】
上記アミド系溶媒としては、例えば、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチル−2−ピロリドン等の環状アミド系溶媒; ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、アセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルプロピオンアミド等の鎖状アミド系溶媒などが挙げられる。
【0020】
上記エーテル系溶媒としては、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル等の多価アルコール部分エーテル系溶媒;エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート等の多価アルコール部分エーテルアセテート系溶媒;ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ブチルメチルエーテル、ブチルエチルエーテル、ジイソアミルエーテル等のジ脂肪族エーテル系溶媒;アニソール、フェニルエチルエーテル等の脂肪族−芳香族エーテル系溶媒;テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン等の環状エーテル系溶媒などが挙げられる。
【0021】
上記エステル系溶媒としては、例えば、乳酸メチル、乳酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸iso−プロピル、酢酸n−ブチル、酢酸iso−ブチル、酢酸sec−ブチル、酢酸n−ペンチル、酢酸sec−ペンチル、酢酸3−メトキシブチル、酢酸メチルペンチル、酢酸2−エチルブチル、酢酸2−エチルヘキシル、酢酸ベンジル、酢酸シクロヘキシル、酢酸メチルシクロヘキシル、酢酸n−ノニル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル等のカルボン酸エステル系溶媒;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等のラクトン系溶媒;ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート等の炭酸エステル系溶媒などが挙げられる。
<化合物>
式(1)で表される化合物の製造方法は限定されない。例えば、アミノ基を有する芳香族化合物と、β−不飽和アルデヒドとを反応させることにより、式(1)で表される化合物が得られる。具体例として、下記式で表される反応が挙げられる。下記式中、TFAはトリフルオロ酢酸を表す。
【0023】
同様の手法を含窒素化合物とアルデヒドとの組み合わせに適用することにより、種々の窒化炭素前駆体組成物が得られる。該組み合わせの例を以下に示す。
【0030】
式(1)で表される化合物の多くは加熱により容易に反応し、オリゴマー又はポリマーを与える。必要に応じて、アゾ系化合物、有機過酸化物等のラジカル発生剤を重合開始剤として併用してもよい。オリゴマー又はポリマーの分子量は限定されないが、例えばゲルパーミエーションクロマトグラフィーにより測定される数平均分子量が約400〜1万、重量平均分子量が約500〜3万程度のオリゴマー又はポリマーを窒化炭素前駆体組成物に用いることができる。
<その他の任意成分>
本発明に係る窒化炭素前駆体組成物は、さらにその他の成分を含有することができる。その他の成分として、界面活性剤、粘度調整剤、ポロジェン、密着助剤等が例示される。本明細書においてポロジェンとは、窒化炭素前駆体組成物中に分散され、焼成時に分解又は揮発することにより孔を形成する添加剤を指す。ポロジェンを配合し、分散させて用いることにより、多孔質窒化炭素が得られる。
[界面活性剤]
界面活性剤は窒化炭素前駆体組成物の塗布性を向上させる。その結果、形成される膜の均一性が向上し、塗布斑の発生が抑制される。界面活性剤は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
【0031】
界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレン−n−オクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレン−n−ノニルフェニルエーテル、ポリエチレングリコールジラウレート、ポリエチレングリコールジステアレート等のノニオン系界面活性剤等が挙げられる。また、市販品としては、KP341(信越化学工業製)、ポリフローNo.75、同No.95(以上、共栄社油脂化学工業製)、エフトップEF101、同EF204、同EF303、同EF352(以上、トーケムプロダクツ製)、メガファックF171、同F172、同F173(以上、大日本インキ化学工業製)、フロラードFC430、同FC431、同FC135、同FC93(以上、住友スリーエム製)、アサヒガードAG710、サーフロンS382、同SC101、同SC102、同SC103、同SC104、同SC105、同SC106(以上、旭硝子製)等が挙げられる。
【0032】
界面活性剤の配合量は式(1)で表される化合物100質量部あたり0質量部超10質量部以下が好ましく、0.001質量部〜5質量部がより好ましく、0.005質量部〜1質量部以下がさらに好ましい。界面活性剤の配合量を上記範囲とすることにより、本発明に係る窒化炭素前駆体組成物組成物の塗布性をさらに向上させることができる。
[密着助剤]
密着助剤は支持体との密着性を向上させる。その結果、窒化炭素膜と支持体との密着性を向上させることができる。密着助剤は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
【0033】
密着助剤の配合量は式(1)で表される化合物100質量部あたり0質量部超10質量部以下が好ましく、0.01質量部〜10質量部がより好ましく、0.01質量部〜5質量部がさらに好ましい。
【0034】
本発明に係る窒化炭素前駆体組成物は、式(1)で表される化合物の重合体及び溶媒並びに上記その他の成分を混合することにより調製できる。組成物の固形分濃度は0.1質量%〜50質量%が好ましく、1質量%〜30質量%がより好ましく、3質量%〜20質量%がさらに好ましく、5質量%〜15質量%が特に好ましい。
<窒化炭素の製造方法及び窒化炭素膜の形成方法>
本発明に係る窒化炭素の製造方法は、式(1)で表される化合物の重合体及び溶媒を含む組成物を不活性雰囲気下で加熱する工程を備える。不活性ガスは窒素が好ましい。窒化炭素膜を形成する場合、該組成物を支持体表面に塗布し、溶媒を除去して塗膜を形成する。形成された塗膜を不活性雰囲気下で加熱することにより、窒化炭素膜が得られる。
【実施例】
【0035】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。この実施例は本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【0036】
ジアミノマレオニトリル(DAMN)(Alpha Aesar社製、純度98%)、3−エチニルアニリン(Alpha Aesar社製)、(アクロレイン(アルドリッチ社製、純度95%)、トリフルオロ酢酸(TFA)(アルドリッチ社製)、プルロニック(登録商標)P123((C
2H
4O)
20(C
3H
6O)
70(C
2H
4O)
20、BASF社製)、ジメチルホルムアミド(DMF)(アルドリッチ社製)、ジメチルスルホキシド(DMSO)及びテトラヒドロフラン(THF)は市販品を精製することなく用いた。シリコン基板はP型シリコン(100)基板(Active Business Company GmbHを通じて入手)を使用した。アクロダム(化学名:(1Z)-1-Amino-1,2-dicyano-3-aza-1,3,5-hexatriene))は公知文献に記載の方法により合成した(D. M. Johnson et al, Macromolecules 2005, 38, 3615)。得られたアクロダムの構造は既報のものと同じであることを分析により確認した。ポリアクロダム(本明細書ではアクロダムオリゴマーを指す。)は、上述した既報の方法においてジエチルエーテルの代わりにTHFを用いることにより得られた。
(合成例1)
250mL丸底フラスコにDAMN(5.41g、50mmol)及びTHF(60mL)を入れ、マグネティックスターラーを用いて攪拌を開始した。混合物を冷浴中で15分間冷却した後、アクロレイン(4.0mL、55mmol)を加えた。混合物を再び冷浴中で15分間冷却した後、TFA(0.06g)を加えた。TFAを加えてから反応液が均一になるまで、30分間攪拌した。反応液を減圧留去し、固体を得た。得られた固体を乳鉢で粉砕した。粉砕された固体を減圧下60℃で乾燥させた結果、ポリアクロダムを定量的に得た。得られたポリアクロダムはTHF、DMF、DMSOに可溶であった。ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(溶離液:DMSO、検量線法、標準物質:分子量既知のポリメチルメタクリレート(PMMA))による分子量測定の結果は、数平均分子量が2500,重量平均分子量が5000であった。
(参考例1)
ポリアクロダム(0.10g)、プルロニック(登録商標)P123(1mg)、DMF(0.45g)及びTHF(0.45g)をガラス瓶内で混合し、スピンコーティング用のコーティング液を得た。シリコン基板(3×3cm)をスピナーにセットした。シリコン基板を回転させながら、十分な量のTHFを注いで洗浄した。コーティング液が均一溶液であることを確認した後、その一部を洗浄されたシリコン基板上に注いだ。シリコン基板を1200rpmで15秒間回転させた後、200℃の加熱板上に1分間置いた。シリコン基板を室温まで冷却した後、セラミック製のコンテナ内に置いた。窒素気流下、温度が800℃に達するまで100℃/時間の速度で昇温した後、800℃で1時間か焼した。表面に平滑な膜を有するシリコン基板を得た。その表面を赤外吸収スペクトル(IR)で分析したところ、炭素−水素間、窒素−水素間結合に由来する3400cm
−1付近のピークが減少し、炭素−窒素間sp
3結合に由来する1220cm
−1のピークが増大していたことから、窒化炭素膜が形成されたことが確認された。制限視野電子回折(SAED)及びラマンスペクトル解析から、この窒化炭素膜は非晶質であることが示唆された。断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、窒化炭素膜の厚みは約720nmであった。シート抵抗値は230ohms/sqであった。膜の質量は、か焼前の約60%であった。
(実施例1)
250mL丸底フラスコに3−エチニルアニリン(1.17g、10mmol)及びTHF(10mL)を入れ、マグネティックスターラーを用いて攪拌を開始した。混合物を冷浴中で15分間冷却した後、アクロレイン(0.8mL、11mmol)を加えた。混合物を再び冷浴中で15分間冷却した後、TFA(0.01g)を加えた。TFAを加えてから反応液が均一になるまで、30分間攪拌した。反応液を約25℃まで温めたのち、24時間加熱還流させた。反応液を減圧留去し、固体を得た。得られた固体を乳鉢で粉砕した。粉砕された固体を減圧下60℃で乾燥させた結果、オリゴマー1を定量的に得た。
(実施例2)
オリゴマー1(0.10g)、プルロニック(登録商標)P123(1mg)、DMF(0.45g)及びTHF(0.45g)をガラス瓶内で混合し、スピンコーティング用のコーティング液を得た。シリコン基板(3×3cm)をスピナーにセットした。シリコン基板を回転させながら、十分な量のTHFを注いで洗浄した。コーティング液が均一溶液であることを確認した後、その一部を洗浄されたシリコン基板上に注いだ。シリコン基板を1200rpmで15秒間回転させた後、200℃の加熱板上に1分間置いた。シリコン基板を室温まで冷却した後、セラミック製のコンテナ内に置いた。窒素気流下、温度が800℃に達するまで100℃/時間の速度で昇温した後、800℃で1時間か焼した。表面に窒化炭素膜を備えるシリコン基板を得た。膜の質量は、か焼前の約65%であった。
【0037】
(参考例2)
原料として下記式に記載の化合物を2/1/1(モル比基準)で用いた他は実施例2と同様の手順で、表面に窒化炭素膜を備えるシリコン基板を得た。得られた窒化炭素膜の抵抗値は約2kohmsであった。
【0038】
【化11】
【0039】
(実施例3)
原料として下記式に記載の化合物を2/3/2(モル比基準)で用いた他は実施例2と同様の手順で、表面に窒化炭素膜を備えるシリコン基板を得た。得られた窒化炭素膜の抵抗値は約4kohmsであった。
【0040】
【化12】