JP6136359B2 - Spherical carbon / tin compound composite particles and negative electrode material for Li ion secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、球状カーボン/スズ系化合物複合粒子、及びこれを用いたLiイオン二次電池の負極材料に関する。   The present invention relates to spherical carbon / tin compound composite particles and a negative electrode material for a Li ion secondary battery using the same.

Sn及びその酸化物は、Liと電気化学的に合金化することが知られている。そのため、Sn及びその酸化物は、Liイオン二次電池の負極材料への応用が検討されている。しかしながら、Sn及びその酸化物は、Liイオンの吸蔵及び放出時に体積変化を伴う。そのため、Liイオンの吸蔵及び放出を繰り返すと、やがて粒子が微粉化し、負極から粒子が脱落するという問題がある。   Sn and its oxide are known to electrochemically alloy with Li. Therefore, application of Sn and its oxide to a negative electrode material of a Li ion secondary battery is being studied. However, Sn and its oxide are accompanied by a change in volume during the insertion and release of Li ions. Therefore, there is a problem that if the insertion and release of Li ions are repeated, the particles are eventually pulverized and the particles fall off from the negative electrode.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、
(1)外筒と内筒の同心円筒からなる反応容器に、SnCl2・2H2Oと、ケッチェンブラックとNaOHとを含む分散液を入れ、
(2)内筒を高速で所定時間旋回させ、
(3)内筒の旋回停止後に、ケッチェンブラックをろ過して回収する
方法が開示されている。
同文献には、
(a)この方法により、ナノサイズの中空のケッチェンブラックにSnO2が担持されている負極活物質が得られる点、及び、
(b)得られた負極活物質は、良好なサイクル特性を示す点
が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 1 discloses that
(1) A dispersion liquid containing SnCl 2 · 2H 2 O, ketjen black and NaOH is put into a reaction vessel composed of a concentric cylinder of an outer cylinder and an inner cylinder,
(2) The inner cylinder is turned at a high speed for a predetermined time,
(3) A method of filtering and recovering ketjen black after the inner cylinder stops turning is disclosed.
In the same document,
(A) By this method, a negative electrode active material in which SnO 2 is supported on nano-sized hollow ketjen black is obtained, and
(B) It is described that the obtained negative electrode active material exhibits good cycle characteristics.

また、非特許文献1には、外形が不定形のメソポーラスカーボンにSnO2の微粒子を析出させた複合体が開示されている。
同文献には、不定形のメソポーラスカーボンにSnO2微粒子を析出させることにより、SnとLiの合金化反応に伴う体積膨張が軽減され、リサイクル特性が向上する点が記載されている。
Non-Patent Document 1 discloses a composite in which SnO 2 fine particles are precipitated on mesoporous carbon having an irregular outer shape.
This document describes that by depositing SnO 2 fine particles on amorphous mesoporous carbon, the volume expansion associated with the alloying reaction of Sn and Li is reduced, and the recycling characteristics are improved.

特許文献1に記載されている負極活物質において、サイクル特性を十分に向上させるためには、ケッチェンブラックの細孔内にSnO2の大部分を内包させる必要がある。しかしながら、特許文献1に記載の方法においてSnO2の大部分を細孔内に内包させるためには、多量のケッチェンブラックが必要であり、負極活物質全体に含まれるSnO2量を向上させることが難しい。特に、ケッチェンブラックは嵩高く、体積当たりのSnO2量を向上させることが難しい。 In the negative electrode active material described in Patent Document 1, in order to sufficiently improve the cycle characteristics, it is necessary to enclose most of SnO 2 in the pores of ketjen black. However, in order to encapsulate most of SnO 2 in the pores in the method described in Patent Document 1, a large amount of ketjen black is required, and the amount of SnO 2 contained in the whole negative electrode active material is improved. Is difficult. In particular, ketjen black is bulky and it is difficult to improve the amount of SnO 2 per volume.

非特許文献1に記載されている複合体は、不定形のため、複合体を集積させた時に隙間ができやすく、単位体積当たりのSnO2の担持量が不足する。また、不定形であっても、メソ細孔はメソポーラスカーボンの長軸方向に配向しているため、電極内では集電材上に平行にメソ細孔が配向する。その分、サイクル特性が悪化し、改善の余地がある。 Since the composite described in Non-Patent Document 1 is indefinite, gaps are easily formed when the composite is accumulated, and the amount of SnO 2 supported per unit volume is insufficient. Even if it is indefinite, the mesopores are oriented in the major axis direction of the mesoporous carbon, so the mesopores are oriented in parallel on the current collector in the electrode. As a result, the cycle characteristics deteriorate and there is room for improvement.

特開2011−253620号公報JP 2011-253620 A

Int.J.Electrochem.Sci., 6(2011)3580-3593Int.J.Electrochem.Sci., 6 (2011) 3580-3593

本発明が解決しようとする課題は、リサイクル特性に優れた球状カーボン/スズ系化合物複合粒子、及びこれを用いたLiイオン二次電池の負極材料を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、体積当たりの電気容量が大きい球状カーボン/スズ系化合物複合粒子、及びこれを用いたLiイオン二次電池の負極材料を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide spherical carbon / tin compound composite particles excellent in recycling characteristics, and a negative electrode material for a Li ion secondary battery using the same.
Another problem to be solved by the present invention is to provide spherical carbon / tin compound composite particles having a large electric capacity per volume, and a negative electrode material for a Li ion secondary battery using the same.

上記課題を解決するために本発明に係る球状カーボン/スズ系化合物複合粒子は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記球状カーボン/スズ系化合物複合粒子は、
球状カーボン多孔体と、
前記球状カーボン多孔体の細孔内に充填されたSn及び/又はSnの酸化物からなる微結晶と
を備えた複合体からなる。
(2)前記球状カーボン/スズ系化合物複合粒子は、Liイオン二次電池の負極材料として用いられる。
In order to solve the above problems, the globular carbon / tin compound composite particles according to the present invention are summarized as having the following configuration.
(1) The spherical carbon / tin compound composite particles are:
A spherical carbon porous body;
It consists of a composite comprising Sn and / or microcrystals made of an oxide of Sn filled in the pores of the spherical carbon porous body.
(2) The spherical carbon / tin compound composite particles are used as a negative electrode material for a Li ion secondary battery.

また、本発明に係るLiイオン二次電池の負極材料は、本発明に係る球状カーボン/スズ系化合物複合粒子の配列体からなる。   Moreover, the negative electrode material of the Li ion secondary battery according to the present invention comprises an array of spherical carbon / tin compound composite particles according to the present invention.

本発明に係る複合粒子は、球状カーボン多孔体の細孔内にSnO2等のスズ系化合物からなるナノサイズの微結晶が分散している構造を備えている。細孔壁がスズ系化合物を補強しており、また、複合粒子中に一定の空隙を有しているため、体積膨張を緩和したり吸収したりできる。また、たとえスズ系化合物が微粉化しても、細孔壁がスズ系化合物の球状カーボン多孔体からの脱離を防止する。そのため、リサイクル特性が向上する。 The composite particles according to the present invention have a structure in which nano-sized microcrystals made of a tin-based compound such as SnO 2 are dispersed in the pores of a spherical carbon porous body. Since the pore walls reinforce the tin-based compound and the composite particles have certain voids, the volume expansion can be relaxed and absorbed. Moreover, even if the tin-based compound is pulverized, the pore walls prevent the tin-based compound from being detached from the spherical carbon porous body. Therefore, the recycling characteristics are improved.

特に、球状カーボン多孔体が、カーボンナノロッドが球対称に配置しているものである場合、スズ系化合物の体積膨張は等方的になり、リサイクル特性がさらに向上する。
さらに、球状カーボン多孔体は、電極材中に充填しやすい。そのため、本発明に係る複合粒子を負極材料として用いると、体積当たりの電気容量が向上する。
In particular, when the spherical carbon porous body has carbon nanorods arranged in a spherical symmetry, the volume expansion of the tin-based compound becomes isotropic, and the recycling characteristics are further improved.
Furthermore, the spherical carbon porous body is easily filled in the electrode material. Therefore, when the composite particles according to the present invention are used as the negative electrode material, the electric capacity per volume is improved.

球状カーボン/SnO2複合体のTEM写真である。It is a TEM photograph of a spherical carbon / SnO 2 composite. 球状カーボン/SnO2複合体(実施例2)のサイクリックボルタンメトリー曲線である。It is a cyclic voltammetry curve of a spherical carbon / SnO 2 composite (Example 2). 球状カーボン/SnO2複合体、及びこれを含む負極材料(実施例2)の充放電試験前後のXRDパターンである。Spherocarbon / SnO 2 composite, and XRD pattern before and after the charge-discharge test of the negative electrode material (Example 2) containing the same. 実施例1〜3及び比較例1〜2で得られた試料の充放電サイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle characteristic of the sample obtained in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 球状カーボン/スズ系化合物複合粒子]
本発明に係る球状カーボン/スズ系化合物複合粒子は、以下の構成を備えている。
(1)前記球状カーボン/スズ系化合物複合粒子は、
球状カーボン多孔体と、
前記球状カーボン多孔体の細孔内に充填されたSn及び/又はSnの酸化物からなる微結晶と
を備えた複合体からなる。
(2)前記球状カーボン/スズ系化合物複合粒子は、Liイオン二次電池の負極材料として用いられる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Spherical carbon / tin compound composite particles]
The spherical carbon / tin compound composite particles according to the present invention have the following configuration.
(1) The spherical carbon / tin compound composite particles are:
A spherical carbon porous body;
It consists of a composite comprising Sn and / or microcrystals made of an oxide of Sn filled in the pores of the spherical carbon porous body.
(2) The spherical carbon / tin compound composite particles are used as a negative electrode material for a Li ion secondary battery.

[1.1.球状カーボン多孔体]
球状カーボン多孔体は、Sn及び/又はSnの酸化物(以下、これらを総称して「スズ系化合物」ともいう)の担体となるものであり、その内部には多数の細孔を備えている。スズ系化合物は、球状カーボン多孔体の細孔内に充填されている。
[1.1. Spherical carbon porous body]
The spherical carbon porous body serves as a support for Sn and / or Sn oxides (hereinafter collectively referred to as “tin-based compounds”), and has a large number of pores therein. . The tin-based compound is filled in the pores of the spherical carbon porous body.

本発明において、「球状」とは、同一条件下で製造された複数個(好ましくは、20個以上)の粒子を顕微鏡観察した場合において、各粒子の真球度の平均値が、13%以下であることをいう。また、「真球度」とは、各粒子の外形の真円からのずれの程度を表す指標であって、粒子の表面に接する最小の外接円の半径(r)に対する、外接円と粒子表面の各点との半径方向の距離の最大値(Δrmax)の割合(=Δrmax×100/r(%))で表される値をいう。後述する方法を用いると、真球度が7%以下、あるいは、3%以下である球状粒子が得られる。 In the present invention, “spherical” means that when a plurality of (preferably 20 or more) particles produced under the same conditions are observed with a microscope, the average value of sphericity of each particle is 13% or less. It means that. The “sphericity” is an index representing the degree of deviation of the outer shape of each particle from the perfect circle, and the circumscribed circle and the particle with respect to the radius (r 0 ) of the smallest circumscribed circle in contact with the particle surface. This is a value represented by the ratio (= Δr max × 100 / r 0 (%)) of the maximum value (Δr max ) of the distance in the radial direction from each point on the surface. When the method described later is used, spherical particles having a sphericity of 7% or less or 3% or less can be obtained.

球状カーボン多孔体は、必ずしも「単分散」である必要はなく、直径のばらつきが大きいものでも良い。しかしながら、球状カーボン多孔体の直径のばらつきを小さくすると、複合粒子が規則配列している配列体を得ることができる。そのためには、球状カーボン多孔体の単分散度は、10%以下が好ましい。単分散度は、さらに好ましくは、5%以下である。
ここで、「単分散度」とは、(1)式で表される値をいう。
単分散度=(粒子径の標準偏差)×100/(粒子径の平均値) ・・・(1)
The spherical carbon porous body is not necessarily “monodispersed” and may have a large variation in diameter. However, when the variation in the diameter of the spherical carbon porous body is reduced, an array in which the composite particles are regularly arranged can be obtained. For this purpose, the monodispersity of the spherical carbon porous body is preferably 10% or less. The monodispersity is more preferably 5% or less.
Here, the “monodispersity” refers to a value represented by the formula (1).
Monodispersity = (standard deviation of particle diameter) × 100 / (average value of particle diameter) (1)

球状カーボン多孔体の細孔構造は、その製造方法に応じて変化する。球状カーボン多孔体の細孔構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の構造を選択することができる。
特に、球状カーボン多孔体は、直径が10nm以下のカーボンナノロッドが球対称に配置しているものが好ましい。カーボンナノロッドが球対称に配置している球状カーボン多孔体は、粒子そのものが等方的であるため、その細孔内に充填されたスズ系化合物の体積変化も等方的となる。その結果、リサイクル特性がさらに向上する。
The pore structure of the spherical carbon porous body varies depending on the manufacturing method. The pore structure of the spherical carbon porous body is not particularly limited, and various structures can be selected according to the purpose.
In particular, the spherical carbon porous body is preferably one in which carbon nanorods having a diameter of 10 nm or less are arranged in a spherical symmetry. The spherical carbon porous body in which the carbon nanorods are arranged in a spherical symmetry has isotropic particles, so that the volume change of the tin-based compound filled in the pores is also isotropic. As a result, the recycling characteristics are further improved.

球状カーボン多孔体の直径及び細孔径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。
製造条件を最適化すると、球状カーボン多孔体の細孔径は、1nm〜20nmの範囲で制御することができる。
また、製造条件を最適化すると、球状カーボン多孔体の直径は、0.05μm〜2.0μmの範囲で制御することができる。
The diameter and pore diameter of the spherical carbon porous body are not particularly limited, and optimum values can be selected according to the purpose.
When the manufacturing conditions are optimized, the pore diameter of the spherical carbon porous body can be controlled in the range of 1 nm to 20 nm.
Further, when the manufacturing conditions are optimized, the diameter of the spherical carbon porous body can be controlled in the range of 0.05 μm to 2.0 μm.

[1.2. 微結晶]
球状カーボン多孔体の細孔内には、スズ系化合物からなる微結晶が充填されている。
スズ系化合物としては、具体的には、
(1)Sn、
(2)SnO2、SnOなどのスズ系酸化物
などがある。
微結晶は、これらのいずれか1種からなるものでも良く、あるいは、2種以上の混合物であっても良い。
特に、SnO2は、Liイオンの吸蔵/放出特性に優れているので、微結晶を構成する材料として好適である。
[1.2. Microcrystal]
The fine pores of the spherical carbon porous body are filled with microcrystals made of a tin-based compound.
Specifically, as tin-based compounds,
(1) Sn,
(2) There are tin oxides such as SnO 2 and SnO.
A microcrystal may consist of any one of these, or may be a mixture of two or more.
In particular, SnO 2 is suitable as a material constituting microcrystals because it has excellent Li ion storage / release characteristics.

微結晶は、カーボンナノロッド間に析出し、通常の条件で水溶液から析出した場合の結晶子の大きさは2nm程度である。微結晶は、カーボンナノロッド間を押し広げて成長するので、カーボンナノロッド間の隙間(つまり、球状カーボン多孔体の細孔)がやや小さくても、微結晶が入ることがある。また、析出後の熱処理を行うと、微結晶は成長し、その結晶子の大きさは、条件に応じて5〜20nmまで増大する。微結晶の大きさは、その範囲で制御することができる。   The microcrystals are deposited between the carbon nanorods, and the crystallite size is about 2 nm when deposited from an aqueous solution under normal conditions. Since the microcrystal grows by expanding between the carbon nanorods, the microcrystal may enter even if the gap between the carbon nanorods (that is, the pores of the spherical carbon porous body) is slightly small. Moreover, when the heat treatment after precipitation is performed, the microcrystal grows, and the size of the crystallite increases to 5 to 20 nm depending on conditions. The size of the microcrystal can be controlled within the range.

微結晶の細孔内への充填量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。一般に、微結晶の充填量が多くなるほど、体積当たりの電気容量が増大する。
製造条件を最適化すると、微結晶の充填量は、20〜80wt%の範囲で制御することができる。
The filling amount of the microcrystals into the pores is not particularly limited and can be arbitrarily selected according to the purpose. In general, the greater the filling amount of microcrystals, the greater the electrical capacity per volume.
When the manufacturing conditions are optimized, the filling amount of the microcrystals can be controlled in the range of 20 to 80 wt%.

[1.3. 用途]
本発明に係る球状カーボン/スズ系化合物複合粒子は、Liイオン二次電池の負極材料として用いられる。
スズ系化合物を球状カーボン多孔体の細孔内に充填すると、Liイオンの吸蔵/放出に伴うスズ系化合物の体積変化を緩和したり、吸収することができる。また、球状カーボン多孔体が球対称の細孔構造を持つ場合には、複合粒子そのものが等方的となるので、リサイクル特性がさらに向上する。
[1.3. Application]
The spherical carbon / tin compound composite particles according to the present invention are used as a negative electrode material for a Li ion secondary battery.
When the tin-based compound is filled in the pores of the spherical carbon porous body, the volume change of the tin-based compound accompanying the insertion / release of Li ions can be reduced or absorbed. In addition, when the spherical carbon porous body has a spherically symmetric pore structure, the composite particles themselves are isotropic, so that the recycling characteristics are further improved.

[2. Liイオン二次電池の負極材料]
本発明に係るLiイオン二次電池の負極材料は、本発明に係る球状カーボン/スズ系化合物複合粒子の配列体からなる。
本発明に係る複合粒子は、球状であるため、充填性が高い。そのため、このような複合粒子の配列体からなる負極材料は、不定形の複合粒子の配列体からなる負極材料に比べて単位体積当たりの電気容量が大きい。特に、複合粒子が単分散である場合には、複合粒子を規則配列させることもできる。そのため、単分散の複合粒子を用いると、負極材料の体積当たりの電気容量がさらに向上する。
[2. Negative electrode material for Li-ion secondary battery]
The negative electrode material of the Li ion secondary battery according to the present invention comprises an array of spherical carbon / tin compound composite particles according to the present invention.
Since the composite particles according to the present invention are spherical, the filling properties are high. Therefore, the negative electrode material composed of such an array of composite particles has a larger electric capacity per unit volume than the negative electrode material composed of an array of amorphous composite particles. In particular, when the composite particles are monodispersed, the composite particles can be regularly arranged. Therefore, when monodispersed composite particles are used, the electric capacity per volume of the negative electrode material is further improved.

配列体は、複合粒子が不規則配列しているものでも良く、あるいは、複合粒子が規則配列しているものでも良い。複合粒子を規則配列させるためには、複合粒子の単分散度は10%以下が好ましく、さらに好ましくは、5%以下である。また、配列体は、複合粒子のみからなるものでも良く、あるいは、他の相がさらに含まれているものでも良い。   The array may be one in which the composite particles are irregularly arranged, or one in which the composite particles are regularly arranged. In order to regularly arrange the composite particles, the monodispersity of the composite particles is preferably 10% or less, and more preferably 5% or less. In addition, the array may be composed only of composite particles, or may further include other phases.

他の相としては、例えば、
(1)導電性を向上させるためのケッチェンブラック、
(2)粒子間を強固に結合させるためのポリフッ化ビニリデン、
などがある。
Other phases include, for example:
(1) Ketjen black to improve conductivity,
(2) polyvinylidene fluoride for strongly bonding the particles,
and so on.

[3. 球状カーボン/スズ系化合物複合粒子の製造方法]
本発明に係る球状カーボン/スズ系化合物複合粒子は、
(1)球状メソ多孔体を製造し、
(2)球状メソ多孔体のメソ細孔内にカーボンを析出させ、球状メソ多孔体/カーボン複合体とし、
(3)球状メソ多孔体/カーボン複合体から球状メソ多孔体を除去し、球状カーボン多孔体とし、
(4)球状カーボン多孔体のメソ細孔内にスズ系化合物を析出させる
ことにより製造することができる。
[3. Method for producing spherical carbon / tin compound composite particles]
The spherical carbon / tin compound composite particles according to the present invention are:
(1) producing a spherical mesoporous material;
(2) Precipitating carbon in the mesopores of the spherical mesoporous material to form a spherical mesoporous material / carbon composite,
(3) removing the spherical mesoporous material from the spherical mesoporous material / carbon composite to form a spherical carbon porous material;
(4) It can be produced by precipitating a tin-based compound in the mesopores of the spherical carbon porous body.

[3.1. 球状メソ多孔体製造工程]
球状メソ多孔体製造工程は、シリカを含む球状メソ多孔体を製造する工程である。
球状メソ多孔体は、シリカのみからなるものでも良く、あるいは、シリカを主成分とし、シリカ以外の金属元素Mの酸化物を含んでいても良い。金属元素Mは、特に限定されるものではないが、2価以上の金属アルコキシドを製造可能なものが好ましい。金属元素Mが2価以上の金属アルコキシドを製造可能なものである場合、金属元素Mの酸化物を含む球状粒子を容易に製造することができる。このような金属元素Mとしては、具体的には、Al、Ti、Mg、Zrなどがある。
[3.1. Spherical mesoporous material production process]
The spherical mesoporous material production process is a process of producing a spherical mesoporous material containing silica.
Spherical mesoporous material may be those of silica alone, or silica as the main component, may include an oxide of a metal element M 1 other than silica. The metal element M 1 is not particularly limited, those capable of producing a divalent or more metal alkoxides are preferred. When the metal element M 1 is capable of producing a bivalent or higher valent metal alkoxide, spherical particles containing an oxide of the metal element M 1 can be easily produced. As the metal element M 1, specifically, some Al, Ti, Mg, Zr and the like.

シリカを含む球状メソ多孔体は、
(1)シリカ原料と、界面活性剤とを含む原料を溶媒中で混合し、界面活性剤を含む前駆体粒子を作製し、
(2)前駆体粒子から界面活性剤を除去する、
ことにより得られる。
この場合、球状メソ多孔体の細孔径を拡大する処理をさらに施しても良い。
The spherical mesoporous material containing silica is
(1) A raw material containing a silica raw material and a surfactant is mixed in a solvent to produce precursor particles containing a surfactant,
(2) removing the surfactant from the precursor particles;
Can be obtained.
In this case, you may further perform the process which expands the pore diameter of a spherical mesoporous body.

[3.1.1. シリカ原料]
シリカ原料には、
(1)テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン等のテトラアルコキシシラン(シラン化合物)、
(2)トリメトキシシラノール、トリエトキシシラノール、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、トリエトキシ−3−グリシドキシプロピルシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシプロピル)トリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等のトリアルコキシシラン(シラン化合物)、
(3)ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシ−3−グリシドキシプロピルメチルシラン、ジメトキシジフェニルシラン、ジメトキシメチルフェニルシラン等のジアルコキシシラン(シラン化合物)、
(4)メタケイ酸ナトリウム(Na2SiO3)、オルトケイ酸ナトリウム(Na4SiO4)、二ケイ酸ナトリウム(Na2Si25)、四ケイ酸ナトリウム(Na2Si49)、水ガラス(Na2O・nSiO2、n=2〜4)等のケイ酸ナトリウム、
(5)カネマイト(NaHSi25・3H2O)、二ケイ酸ナトリウム結晶(α、β、γ、δ−Na2Si25)、マカタイト(Na2Si49)、アイアライト(Na2Si817・xH2O)、マガディアイト(Na2Si1417・xH2O)、ケニヤイト(Na2Si2041・xH2O)等の層状シリケート、
(6)Ultrasil(Ultrasil社)、Cab−O−Sil(Cabot社)、HiSil(Pittsburgh Plate Glass社)等の沈降性シリカ、コロイダルシリカ、Aerosil(Degussa−Huls社)等のフュームドシリカ、
などを用いることができる。
[3.1.1. Silica raw material]
Silica raw materials include
(1) Tetraalkoxysilane (silane compound) such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, dimethoxydiethoxysilane,
(2) Trimethoxysilanol, triethoxysilanol, trimethoxymethylsilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, triethoxy-3-glycidoxypropylsilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, γ- (methacryloxypropyl) trimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, etc. Trialkoxysilane (silane compound),
(3) dialkoxysilanes (silane compounds) such as dimethoxydimethylsilane, diethoxydimethylsilane, diethoxy-3-glycidoxypropylmethylsilane, dimethoxydiphenylsilane, dimethoxymethylphenylsilane,
(4) Sodium metasilicate (Na 2 SiO 3 ), sodium orthosilicate (Na 4 SiO 4 ), sodium disilicate (Na 2 Si 2 O 5 ), sodium tetrasilicate (Na 2 Si 4 O 9 ), water Sodium silicate such as glass (Na 2 O · nSiO 2 , n = 2 to 4),
(5) Kanemite (NaHSi 2 O 5 .3H 2 O), sodium disilicate crystals (α, β, γ, δ-Na 2 Si 2 O 5 ), macatite (Na 2 Si 4 O 9 ), eyelite ( Na 2 Si 8 O 17 · xH 2 O), magadiite (Na 2 Si 14 O 17 · xH 2 O), kenyaite (Na 2 Si 20 O 41 · xH 2 O) layered silicates, such as,
(6) Precipitating silica such as Ultrasil (Ultrasil), Cab-O-Sil (Cabot), HiSil (Pittsburgh Plate Glass), fumed silica such as colloidal silica, Aerosil (Degussa-Huls),
Etc. can be used.

また、シリカ原料には、ヒドロキシアルコキシシランも用いることができる。ヒドロキシアルコキシシランとは、アルコキシシランのアルコキシ基の炭素原子にヒドロキシ基(−OH)がついたものをいう。ヒドロキシアルコキシシランとしては、ヒドロキシアルコキシ基を4個有するテトラキス(ヒドロキシアルコキシ)シラン、ヒドロキシアルコキシ基を3個有するトリス(ヒドロキシアルコキシ)シランを用いることができる。
ヒドロキシアルコキシ基の種類及びヒドロキシ基の数は特に制限されないが、2−ヒドロキシエトキシ基、3−ヒドロキシプロポキシ基、2−ヒドロキシプロポキシ基、2,3−ジヒドロキシプロキシ基等のように、ヒドロキシアルコキシ基中の炭素原子の数が比較的少ないもの(炭素数が1〜3程度のもの)が反応性の点から有利である。
Further, hydroxyalkoxysilane can also be used as the silica raw material. The term “hydroxyalkoxysilane” refers to a hydroxy group (—OH) attached to the carbon atom of the alkoxy group of alkoxysilane. As the hydroxyalkoxysilane, tetrakis (hydroxyalkoxy) silane having four hydroxyalkoxy groups and tris (hydroxyalkoxy) silane having three hydroxyalkoxy groups can be used.
The type of hydroxyalkoxy group and the number of hydroxy groups are not particularly limited, but in the hydroxyalkoxy group such as 2-hydroxyethoxy group, 3-hydroxypropoxy group, 2-hydroxypropoxy group, 2,3-dihydroxyproxy group, etc. Those having a relatively small number of carbon atoms (having about 1 to 3 carbon atoms) are advantageous from the viewpoint of reactivity.

テトラキス(ヒドロキシアルコキシ)シランとしては、テトラキス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、テトラキス(3−ヒドロキシプロポキシ)シラン、テトラキス(2−ヒドロキシプロキシ)シラン、テトラキス(2,3−ジヒドロキシプロポキシ)シラン、などがある。
トリス(ヒドロキシアルコキシ)シランとしては、メチルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、エチルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、フェニルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、3−メルカプトプロピルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、3−アミノプロピルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、3−クロロプロピルトリス(2−ヒドロキシエトキシ)シラン、などがある。
これらのヒドロキシアルコキシシランは、アルコキシシランとエチレングリコールやグリセリンなどの多価アルコールとを反応させることにより合成することができる(例えば、Doris Brandhuber et al., Chem.Mater. 2005, 17, 4262参照)。
Examples of tetrakis (hydroxyalkoxy) silane include tetrakis (2-hydroxyethoxy) silane, tetrakis (3-hydroxypropoxy) silane, tetrakis (2-hydroxyproxy) silane, tetrakis (2,3-dihydroxypropoxy) silane, and the like. .
As tris (hydroxyalkoxy) silane, methyltris (2-hydroxyethoxy) silane, ethyltris (2-hydroxyethoxy) silane, phenyltris (2-hydroxyethoxy) silane, 3-mercaptopropyltris (2-hydroxyethoxy) silane, Examples include 3-aminopropyltris (2-hydroxyethoxy) silane and 3-chloropropyltris (2-hydroxyethoxy) silane.
These hydroxyalkoxysilanes can be synthesized by reacting an alkoxysilane with a polyhydric alcohol such as ethylene glycol or glycerin (see, for example, Doris Brandhuber et al., Chem. Mater. 2005, 17, 4262). .

これらの中でも、テトラアルコキシシラン及びテトラキス(ヒドロキシアルコキシ)シランは、加水分解により生ずるシラノール結合の数が多くなり、強固な骨格を形成することができるので、シリカ原料として好適である。
なお、これらのシリカ原料は、単独で用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。但し、2種以上のシリカ原料を用いると、前駆体粒子の製造時の反応条件が複雑化する場合がある。このような場合には、シリカ原料は、単独で使用するのが好ましい。
Among these, tetraalkoxysilane and tetrakis (hydroxyalkoxy) silane are suitable as silica raw materials because the number of silanol bonds generated by hydrolysis increases and a strong skeleton can be formed.
In addition, these silica raw materials may be used alone or in combination of two or more. However, when two or more kinds of silica raw materials are used, the reaction conditions during the production of the precursor particles may be complicated. In such a case, the silica raw material is preferably used alone.

また、前駆体粒子がシリカ以外の金属元素Mの酸化物を含む場合には、シリカ原料に加えて金属元素M1を含む原料を用いる。
金属元素Mを含む原料には、
(1)アルミニウムブトキシド(Al(OC49)3)、アルミニウムエトキシド(Al(OC25)3)、アルミニウムイソプロポキシド(Al(OC37)3)等のAlを含むアルコキシド類、及び、アルミン酸ナトリウム、塩化アルミニウム等の塩類、
(2)チタンイソプロポキシド(Ti(Oi−C37)4)、チタンブトキシド(Ti(OC49)4)、チタンエトキシド(Ti(OC25)4)等のTiを含むアルコキシド、
(3)マグネシウムメトキシド(Mg(OCH3)2)、マグネシウムエトキシド(Mg(OC25)2)等のMgを含むアルコキシド、
(4)ジルコニウムイソプロポキシド(Zr(Oi−C37)4)、ジルコニウムブトキシド(Zr(OC49)4)、ジルコニウムエトキシド(Zr(OC25)4)等のZrを含むアルコキシド、
などを用いることができる。
When the precursor particles contain an oxide of a metal element M 1 other than silica, a raw material containing a metal element M 1 in addition to the silica raw material is used.
The raw material containing a metal element M 1 is,
(1) Al-containing alkoxides such as aluminum butoxide (Al (OC 4 H 9 ) 3 ), aluminum ethoxide (Al (OC 2 H 5 ) 3 ), aluminum isopropoxide (Al (OC 3 H 7 ) 3 ) And salts such as sodium aluminate and aluminum chloride,
(2) Ti such as titanium isopropoxide (Ti (Oi-C 3 H 7 ) 4 ), titanium butoxide (Ti (OC 4 H 9 ) 4 ), titanium ethoxide (Ti (OC 2 H 5 ) 4 ), etc. Containing alkoxide,
(3) Mg-containing alkoxide such as magnesium methoxide (Mg (OCH 3 ) 2 ), magnesium ethoxide (Mg (OC 2 H 5 ) 2 ),
(4) Zr of zirconium isopropoxide (Zr (Oi-C 3 H 7 ) 4 ), zirconium butoxide (Zr (OC 4 H 9 ) 4 ), zirconium ethoxide (Zr (OC 2 H 5 ) 4 ), etc. Containing alkoxide,
Etc. can be used.

[3.1.2. 界面活性剤]
界面活性剤は、粒子内にメソ細孔を形成するための鋳型となる。界面活性剤の種類は、特に限定されるものではなく、種々の界面活性剤を用いることができる。使用する界面活性剤の種類、添加量などに応じて、粒子内の細孔構造を制御することができる。
[3.1.2. Surfactant]
The surfactant serves as a template for forming mesopores in the particles. The type of the surfactant is not particularly limited, and various surfactants can be used. The pore structure in the particles can be controlled according to the type of surfactant used, the amount added, and the like.

界面活性剤は、特に、アルキル4級アンモニウム塩が好ましい。アルキル4級アンモニウム塩とは、次の(a)式で表されるものをいう。
CH3−(CH2)n−N+(R1)(R2)(R3)X- ・・・(a)
(a)式中、R1、R2、R3は、それぞれ、炭素数が1〜3のアルキル基を表す。R1、R2、及び、R3は、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。アルキル4級アンモニウム塩同士の凝集(ミセルの形成)を容易化するためには、R1、R2、及び、R3は、すべて同一であることが好ましい。さらに、R1、R2、及び、R3の少なくとも1つは、メチル基が好ましく、すべてがメチル基であることが好ましい。
(a)式中、Xはハロゲン原子を表す。ハロゲン原子の種類は特に限定されないが、入手の容易さからXは、Cl又はBrが好ましい。
(a)式中、nは7〜21の整数を表す。一般に、nが小さくなるほど、メソ孔の中心細孔径が小さい球状シリカマトリックスが得られる。一方、nが大きくなるほど、中心細孔径は大きくなるが、nが大きくなりすぎると、アルキル4級アンモニウム塩の疎水性相互作用が過剰となる。その結果、層状の化合物が生成し、球状の多孔体が得られない。nは、好ましくは、9〜17、さらに好ましくは、13〜17である。
The surfactant is particularly preferably an alkyl quaternary ammonium salt. The alkyl quaternary ammonium salt refers to one represented by the following formula (a).
CH 3 - (CH 2) n -N + (R 1) (R 2) (R 3) X - ··· (a)
(A) In the formula, R 1, R 2, R 3 each represent an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. R 1 , R 2 and R 3 may be the same as or different from each other. In order to facilitate aggregation (formation of micelles) between alkyl quaternary ammonium salts, it is preferable that R 1 , R 2 , and R 3 are all the same. Further, at least one of R 1 , R 2 , and R 3 is preferably a methyl group, and all are preferably methyl groups.
(A) In formula, X represents a halogen atom. Although the kind of halogen atom is not particularly limited, X is preferably Cl or Br in view of availability.
(A) In formula, n represents the integer of 7-21. Generally, the smaller n is, the smaller the mesopore central pore diameter is obtained. On the other hand, as n increases, the central pore diameter increases, but if n increases too much, the hydrophobic interaction of the alkyl quaternary ammonium salt becomes excessive. As a result, a layered compound is generated and a spherical porous body cannot be obtained. n is preferably 9 to 17, and more preferably 13 to 17.

(a)式で表されるものの中でも、アルキルトリメチルアンモニウムハライドが好ましい。アルキルトリメチルアンモニウムハライドとしては、例えば、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムハライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムハライド、ノニルトリメチルアンモニウムハライド、デシルトリメチルアンモニウムハライド、ウンデシルトリメチルアンモニウムハライド、ドデシルトリメチルアンモニウムハライド等がある。
これらの中でも、特に、アルキルトリメチルアンモニウムブロミド又はアルキルトリメチルアンモニウムクロリドが好ましい。
Among those represented by the formula (a), alkyltrimethylammonium halide is preferable. Examples of the alkyltrimethylammonium halide include hexadecyltrimethylammonium halide, octadecyltrimethylammonium halide, nonyltrimethylammonium halide, decyltrimethylammonium halide, undecyltrimethylammonium halide, dodecyltrimethylammonium halide, and the like.
Among these, alkyltrimethylammonium bromide or alkyltrimethylammonium chloride is particularly preferable.

シリカ粒子を合成する場合において、1種類のアルキル4級アンモニウム塩を用いても良く、あるいは、2種以上を用いても良い。しかしながら、アルキル4級アンモニウム塩は、シリカ粒子内にメソ孔を形成するためのテンプレートとなるので、その種類は、メソ孔の形状に大きな影響を与える。より均一なメソ孔を有するシリカ粒子を合成するためには、1種類のアルキル4級アンモニウム塩を用いるのが好ましい。   When synthesizing silica particles, one type of alkyl quaternary ammonium salt may be used, or two or more types may be used. However, since the alkyl quaternary ammonium salt serves as a template for forming mesopores in the silica particles, the type greatly affects the shape of the mesopores. In order to synthesize silica particles having more uniform mesopores, it is preferable to use one kind of alkyl quaternary ammonium salt.

[3.1.3. 溶媒]
溶媒には、水、アルコールなどの有機溶媒、水と有機溶媒の混合溶媒などを用いる。アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール等の1価のアルコール、エチレングリコール等の2価のアルコール、グリセリン等の3価のアルコールのいずれでも良い。
水と有機溶媒の混合溶媒を用いる場合、混合溶媒中の有機溶媒の含有量は、目的に応じて任意に選択することができる。一般に、溶媒中に適量の有機溶媒を添加すると、粒径や粒度分布の制御が容易化する。
[3.1.3. solvent]
As the solvent, an organic solvent such as water or alcohol, a mixed solvent of water and an organic solvent, or the like is used. The alcohol may be any of monovalent alcohols such as methanol, ethanol, and propanol, divalent alcohols such as ethylene glycol, and trivalent alcohols such as glycerin.
When a mixed solvent of water and an organic solvent is used, the content of the organic solvent in the mixed solvent can be arbitrarily selected according to the purpose. In general, when an appropriate amount of an organic solvent is added to the solvent, control of the particle size and particle size distribution is facilitated.

[3.1.4. 配合比]
一般に、シリカ原料及び必要に応じて添加される金属元素M1を含む原料(以下、単に「シリカ源」という)の濃度が低すぎると、シリカ粒子を高収率で得ることができない。また、粒径及び粒度分布の制御が困難となり、粒径の均一性が低下する。従って、シリカ源の濃度は、0.005mol/L以上が好ましい。シリカ源の濃度は、さらに好ましくは、0.008mol/L以上である。
一方、シリカ源の濃度が高すぎると、メソ孔を形成するためのテンプレートとして機能する界面活性剤が相対的に不足し、規則配列したメソ孔が得られない。従って、シリカ源の濃度は、0.03mol/L以下が好ましい。シリカ源の濃度は、さらに好ましくは、0.015mol/L以下である。
[3.1.4. Mixing ratio]
In general, when the concentration of a raw material containing a silica raw material and a metal element M 1 added as necessary (hereinafter simply referred to as “silica source”) is too low, silica particles cannot be obtained in a high yield. Moreover, it becomes difficult to control the particle size and particle size distribution, and the uniformity of the particle size decreases. Therefore, the concentration of the silica source is preferably 0.005 mol / L or more. The concentration of the silica source is more preferably 0.008 mol / L or more.
On the other hand, if the concentration of the silica source is too high, the surfactant functioning as a template for forming mesopores is relatively insufficient, and regularly arranged mesopores cannot be obtained. Accordingly, the concentration of the silica source is preferably 0.03 mol / L or less. The concentration of the silica source is more preferably 0.015 mol / L or less.

一般に、界面活性剤の濃度が低すぎると、メソ孔を形成するためのテンプレートが不足し、規則配列したメソ孔が得られない。従って、界面活性剤の濃度は、0.003mol/L以上が好ましい。界面活性剤の濃度は、さらに好ましくは、0.01mol/L以上である。
一方、界面活性剤の濃度が高すぎると、シリカ粒子を高収率で得ることができない。従って、界面活性剤の濃度は、0.03mol/L以下が好ましい。界面活性剤の濃度は、さらに好ましくは、0.02mol/L以下である。
Generally, when the concentration of the surfactant is too low, a template for forming mesopores is insufficient, and regularly arranged mesopores cannot be obtained. Therefore, the concentration of the surfactant is preferably 0.003 mol / L or more. The concentration of the surfactant is more preferably 0.01 mol / L or more.
On the other hand, if the surfactant concentration is too high, silica particles cannot be obtained in high yield. Therefore, the concentration of the surfactant is preferably 0.03 mol / L or less. The concentration of the surfactant is more preferably 0.02 mol / L or less.

[3.1.5. 反応条件]
シリカ原料として、アルコキシシラン、ヒドロキシアルコキシシラン等のシラン化合物を用いる場合には、これをそのまま出発原料として用いる。
一方、シリカ原料としてシラン化合物以外の化合物を用いる場合には、予め、水(又は、必要に応じてアルコールが添加されたアルコール水溶液)にシリカ原料を加えて、水酸化ナトリウム等の塩基性物質を加える。塩基性物質の添加量は、シリカ原料中のケイ素原子と等モル程度の量とするのが好ましい。シラン化合物以外のシリカ原料を含む溶液に塩基性物質を加えると、シリカ原料中に既に形成されているSi−(O−Si)4結合の一部が切断され、均一な溶液が得られる。溶液中に含まれる塩基性物質の量は、シリカ粒子の収量や気孔率に影響を及ぼすので、均一な溶液が得られた後、溶液に希薄酸溶液を加え、溶液中に存在する過剰の塩基性物質を中和させる。希薄酸溶液の添加量は、シリカ原料中のケイ素原子に対して1/2〜3/4倍モルに相当する量が好ましい。
[3.1.5. Reaction conditions]
When a silane compound such as alkoxysilane or hydroxyalkoxysilane is used as the silica material, this is used as it is as a starting material.
On the other hand, when a compound other than a silane compound is used as the silica raw material, a basic material such as sodium hydroxide is added in advance to the silica raw material in water (or an alcohol aqueous solution to which an alcohol is added if necessary). Add. The addition amount of the basic substance is preferably about equimolar to the silicon atom in the silica raw material. When a basic substance is added to a solution containing a silica raw material other than the silane compound, a part of the Si— (O—Si) 4 bond already formed in the silica raw material is cut, and a uniform solution is obtained. The amount of basic substance contained in the solution affects the yield and porosity of the silica particles. Therefore, after a uniform solution is obtained, a dilute acid solution is added to the solution, and excess base present in the solution is added. Neutralize sex substances. The addition amount of the dilute acid solution is preferably an amount corresponding to 1/2 to 3/4 times mol of silicon atoms in the silica raw material.

所定量の界面活性剤を含む溶媒中に、シリカ源を加え、加水分解及び重縮合を行う。これにより、界面活性剤がテンプレートとして機能し、シリカ及び界面活性剤を含む前駆体粒子が得られる。   A silica source is added to a solvent containing a predetermined amount of a surfactant to perform hydrolysis and polycondensation. Thereby, surfactant functions as a template and the precursor particle | grains containing a silica and surfactant are obtained.

反応条件は、シリカ原料の種類、前駆体粒子の粒径等に応じて、最適な条件を選択する。一般に、反応温度は、−20〜100℃が好ましい。反応温度は、さらに好ましくは、0〜80℃、さらに好ましくは、10〜40℃である。   As the reaction conditions, optimum conditions are selected according to the type of silica raw material, the particle size of the precursor particles, and the like. In general, the reaction temperature is preferably -20 to 100 ° C. The reaction temperature is more preferably 0 to 80 ° C, more preferably 10 to 40 ° C.

[3.1.6. 拡径処理]
合成された球状メソ多孔体は、後述する界面活性剤の除去により、球状カーボン多孔体製造用のテンプレートとして用いることもできる。しかしながら、一般に、合成直後の球状メソ多孔体は、細孔径が相対的に小さい。球状メソ多孔体を用いて球状カーボン多孔体を合成する場合において、球状メソ多孔体の細孔径が小さくなるほど、球状カーボン多孔体のカーボンナノロッドの太さは細くなり、カーボンナノロッドの強度が低下する。そのため、テンプレート除去時にカーボンナノロッドが変形し、ナノロッド間の隙間が減少すると、細孔内へのスズ系化合物の導入が困難となる場合がある。
[3.1.6. Diameter expansion processing]
The synthesized spherical mesoporous material can also be used as a template for producing a spherical carbon porous material by removing a surfactant described later. However, generally, the spherical mesoporous material immediately after synthesis has a relatively small pore diameter. In the case of synthesizing a spherical carbon porous body using a spherical mesoporous body, the smaller the pore diameter of the spherical mesoporous body, the thinner the carbon nanorods in the spherical carbon porous body, and the strength of the carbon nanorods decreases. For this reason, when the carbon nanorods are deformed when the template is removed and the gaps between the nanorods are reduced, it may be difficult to introduce the tin-based compound into the pores.

そこで、このような場合には、球状メソ多孔体の細孔径を拡大する処理(拡径処理)を行うのが好ましい。
拡径処理は、具体的には、前述の合成された球状メソ多孔体(界面活性剤の未除去のもの)を、拡径剤を含む溶液中で水熱処理することにより行う。この処理によって球状メソ多孔体の細孔径を拡大することができる。
Therefore, in such a case, it is preferable to perform a process for expanding the pore diameter of the spherical mesoporous material (diameter expansion process).
Specifically, the diameter expansion treatment is performed by hydrothermally treating the synthesized spherical mesoporous material (one having the surfactant not removed) in a solution containing the diameter expansion agent. By this treatment, the pore diameter of the spherical mesoporous material can be expanded.

このような拡径剤としては、下記一般式(b)で表されるアルキルアンモニウムハライド、鎖状炭化水素、環状炭化水素、鎖状脂肪族アミン、鎖状脂肪族アルコール、及びヘテロ環化合物からなる群から選択される少なくとも1種が用いられる。
CH3−(CH3)z−N+(R1)(R2)(R3)X- ・・・(b)
(b)式中、R1、R2、及びR3は、同一でも異なっていても良い炭素数1〜3のアルキル基を示す。Xは、ハロゲン原子を示す。zは17〜25の整数であって、かつ球状メソ多孔体の合成時に利用した界面活性剤として選択されたアルキルアンモニウムハライドの式(a)中のnの値より大きい整数を示す。R1、R2及びR3、並びにXについては、前述の一般式(a)におけるR1、R2及びR3、並びにXと同義のものである。
Such a diameter expanding agent is composed of an alkylammonium halide represented by the following general formula (b), a chain hydrocarbon, a cyclic hydrocarbon, a chain aliphatic amine, a chain aliphatic alcohol, and a heterocyclic compound. At least one selected from the group is used.
CH 3 − (CH 3 ) z −N + (R 1 ) (R 2 ) (R 3 ) X (b)
(B) wherein, R 1, R 2, and R 3 represents an alkyl group of good 1 to 3 carbon atoms the same or different. X represents a halogen atom. z is an integer of 17 to 25 and represents an integer larger than the value of n in the formula (a) of the alkylammonium halide selected as the surfactant used in the synthesis of the spherical mesoporous material. R 1, R 2 and R 3, as well as for the X, it is of the R 1, R 2 and R 3, and X as defined in the above general formula (a).

拡径剤として一般式(b)に示すアルキルアンモニウムハライドを用いる場合、このアルキルアンモニウムハライドが球状メソ多孔体の細孔内の界面活性剤と置換反応してシリカ中に導入されることで、細孔径が拡大する。
一般式(b)におけるzは、17〜25の整数を示し、20〜25の整数であることがより好ましく、22〜24の整数であることがさらに好ましい。zが16以下であるアルキルアンモニウムハライドでは、球状メソ多孔体の細孔径を十分に拡大するのが困難となる。他方、zが26以上のアルキルアンモニウムハライドでは、アルキル鎖が大きくなりすぎて、合成時に用いた界面活性剤と置換反応させてシリカ中に導入することが困難となる。
When the alkylammonium halide represented by the general formula (b) is used as the diameter expanding agent, the alkylammonium halide is introduced into the silica by substitution reaction with the surfactant in the pores of the spherical mesoporous material. The hole diameter increases.
Z in General formula (b) shows the integer of 17-25, it is more preferable that it is an integer of 20-25, and it is more preferable that it is an integer of 22-24. With alkylammonium halides having z of 16 or less, it is difficult to sufficiently expand the pore diameter of the spherical mesoporous material. On the other hand, when the alkylammonium halide having z of 26 or more, the alkyl chain becomes too large, and it becomes difficult to introduce into the silica by substitution reaction with the surfactant used in the synthesis.

拡径剤として、鎖状炭化水素、環状炭化水素、鎖状脂肪族アミン、鎖状脂肪族アルコール及びヘテロ環化合物を用いる場合には、拡径剤が溶媒から、より疎水性の高い球状メソ多孔体の細孔内に導入されることにより、球状メソ多孔体の細孔径が拡大する。
また、鎖状炭化水素としては、鎖状の炭化水素であれば良く,特に限定されないが、炭素数が6〜26(より好ましくは、6〜12)の鎖状炭化水素が好ましい。鎖状炭化水素の炭素数が下限未満では、疎水性が小さくなり、球状メソ多孔体の細孔内に導入され難くなる傾向がある。他方、上限を超えると、溶解性が低下する傾向がある。
When chain hydrocarbons, cyclic hydrocarbons, chain aliphatic amines, chain aliphatic alcohols, and heterocyclic compounds are used as the expansion agent, the expansion agent is removed from the solvent, and the more hydrophobic spherical mesoporous material. By being introduced into the pores of the body, the pore diameter of the spherical mesoporous material is expanded.
The chain hydrocarbon is not particularly limited as long as it is a chain hydrocarbon, but is preferably a chain hydrocarbon having 6 to 26 carbon atoms (more preferably 6 to 12). If the number of carbon atoms of the chain hydrocarbon is less than the lower limit, the hydrophobicity tends to be small, and it tends to be difficult to be introduced into the pores of the spherical mesoporous material. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the solubility tends to decrease.

このような鎖状炭化水素としては、例えば、ヘキサン、メチルペンタン、ジメチルブタン、ヘプタン、メチルヘキサン、ジメチルペンタン、トリメチルブタン、オクタン、メチルヘプタン、ジメチルヘキサン、トリメチルペンタン、イソプロピルペンタン、ノナン、メチルオクタン、エチルヘプタン、デカン、ウンデカン、ドデカン、テトラデカン、ヘキサデカン等が挙げられる。疎水性や溶解性等の観点から、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカンが好ましい。   Examples of such chain hydrocarbons include hexane, methylpentane, dimethylbutane, heptane, methylhexane, dimethylpentane, trimethylbutane, octane, methylheptane, dimethylhexane, trimethylpentane, isopropylpentane, nonane, methyloctane, Examples include ethyl heptane, decane, undecane, dodecane, tetradecane, and hexadecane. From the viewpoint of hydrophobicity and solubility, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, and dodecane are preferable.

また、環状炭化水素としては、その骨格に環状の炭化水素を含有するものであれば良く、特に限定されないが、環数が1〜3で炭素数が6〜20(より好ましくは、6〜16)の環状炭化水素が好ましい。環状炭化水素の炭素数が下限未満では、疎水性が小さくなり、球状メソ多孔体の細孔内に導入され難くなる傾向にある。他方、上限を超えると、溶解性が低下するため、細孔径の拡大が図れなくなる傾向にある。また、環状炭化水素の環数が3を超えると溶解性が低下するため、細孔径の拡大が図れなくなる傾向にある。   The cyclic hydrocarbon is not particularly limited as long as it contains a cyclic hydrocarbon in its skeleton, and has 1 to 3 rings and 6 to 20 carbon atoms (more preferably, 6 to 16 carbon atoms). ) Is preferred. When the number of carbon atoms of the cyclic hydrocarbon is less than the lower limit, the hydrophobicity tends to be small, and it tends to be difficult to introduce into the pores of the spherical mesoporous material. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the solubility decreases, and the pore diameter tends not to be increased. Further, when the number of cyclic hydrocarbon rings exceeds 3, the solubility is lowered, and therefore the pore diameter tends not to be increased.

さらに、このような環状炭化水素としては、例えば、シクロヘキサン、シクロヘキセン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、メチルベンゼン、ジメチルベンゼン、トリメチルベンゼン、エチルベンゼン、ジエチルベンゼン、トリエチルベンゼン、ビニルベンゼン、ジビニルベンゼン、イソプロピルベンゼン、ジイソプロピルベンゼン、トリイソプロピルベンゼン、インデン、ナフタレン、テトラリン、アズレン、ビフェニレン、アセナフチレン、フルオレン、フェナントレン、アントラセン等が挙げられる。疎水性や溶解性の観点から、シクロヘキサン、ベンゼン、トリメチルベンゼン、トリエチルベンゼン、トリイソプロピルベンゼン、ナフタレンが好ましい。   Further, as such cyclic hydrocarbons, for example, cyclohexane, cyclohexene, cyclohexadiene, benzene, methylbenzene, dimethylbenzene, trimethylbenzene, ethylbenzene, diethylbenzene, triethylbenzene, vinylbenzene, divinylbenzene, isopropylbenzene, diisopropylbenzene, Examples include triisopropylbenzene, indene, naphthalene, tetralin, azulene, biphenylene, acenaphthylene, fluorene, phenanthrene, anthracene and the like. From the viewpoint of hydrophobicity and solubility, cyclohexane, benzene, trimethylbenzene, triethylbenzene, triisopropylbenzene, and naphthalene are preferable.

また、鎖状脂肪族アミンとしては、鎖状の脂肪族アミンであれば良く,特に限定されないが、炭素数が6〜26(より好ましくは、6〜20)の鎖状脂肪族アミンが好ましい。鎖状脂肪族アミンの炭素数が下限未満では、疎水性が小さくなり、球状メソ多孔体の細孔内に導入され難くなる傾向にある。他方、上限を超えると、溶解性が低下する傾向にある。   The chain aliphatic amine is not particularly limited as long as it is a chain aliphatic amine, but is preferably a chain aliphatic amine having 6 to 26 carbon atoms (more preferably 6 to 20). When the number of carbon atoms of the chain aliphatic amine is less than the lower limit, the hydrophobicity tends to be small and it tends to be difficult to be introduced into the pores of the spherical mesoporous material. On the other hand, when the upper limit is exceeded, the solubility tends to decrease.

このような鎖状脂肪族アミンとしては、例えば、ヘキシルアミン、メチルペンチルアミン、ジメチルブタチルアミン、ヘプチルアミン、メチルヘキシルアミン、ジメチルペンチルアミン、トリメチルブチルアミン、オクチルアミン、メチルヘプチルアミン、ジメチルヘキシルアミン、トリメチルペンチルアミン、イソプロピルペンチルアミン、ノニルアミン、メチルオクチルアミン、エチルヘプチルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘキサデシルアミン、N,N'−ジメチル−n−へキシルアミン、N,N'−ジメチル−n−オクチルアミン、N,N'−ジメチル−n−デシルアミン、N,N'−ジメチル−n−ドデシルアミン、N,N'−ジメチル−n−テトラデシルアミン、N,N'−ジメチル−n−パルミチルアミンが挙げられる。疎水性や溶解性の観点から、N,N'−ジメチル−n−デシルアミン、N,N'−ジメチル−n−ドデシルアミン、N,N'−ジメチル−n−テトラデシルアミン、N,N'−ジメチル−n−パルミチルアミンが好ましい。   Examples of such chain aliphatic amines include hexylamine, methylpentylamine, dimethylbutylamine, heptylamine, methylhexylamine, dimethylpentylamine, trimethylbutylamine, octylamine, methylheptylamine, dimethylhexylamine, Trimethylpentylamine, isopropylpentylamine, nonylamine, methyloctylamine, ethylheptylamine, decylamine, undecylamine, dodecylamine, tetradecylamine, hexadecylamine, N, N'-dimethyl-n-hexylamine, N, N '-Dimethyl-n-octylamine, N, N'-dimethyl-n-decylamine, N, N'-dimethyl-n-dodecylamine, N, N'-dimethyl-n-tetradecylamine, N, N'- Dimethyl n-palmitylamine is mentioned. From the viewpoint of hydrophobicity and solubility, N, N′-dimethyl-n-decylamine, N, N′-dimethyl-n-dodecylamine, N, N′-dimethyl-n-tetradecylamine, N, N′- Dimethyl-n-palmitylamine is preferred.

また、鎖状脂肪族アルコールとしては、鎖状の脂肪族アルコールであれば良く,特に限定されないが、炭素数が6〜26(より好ましくは、6〜20)の鎖状脂肪族アルコールが好ましい。鎖状脂肪族アルコールの炭素数が下限未満では、疎水性が小さくなり,球状メソ多孔体の細孔内に導入され難くなる傾向にある。他方、上限を超えると,溶解性が低下する傾向にある。
このような鎖状脂肪族アルコールとしては、例えば、ヘキサノール、メチルペンタノール、ジメチルブタノール、ヘプタノール、メチルヘキサノール、ジメチルペンタノール、トリメチルブタノール、オクタノール、メチルヘプタノール、ジメチルヘキサノール、トリメチルペンタノール、イソプロピルペンタノール、ノナノール、メチルオクタノール、エチルヘプタノール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、テトラデシルアルコール、ヘキサデシルアルコールが挙げられる。疎水性や溶解性の観点から、ヘキサノール、オクタノール、デカノールが好ましい。
The chain aliphatic alcohol may be a chain aliphatic alcohol and is not particularly limited, but a chain aliphatic alcohol having 6 to 26 carbon atoms (more preferably 6 to 20) is preferable. If the number of carbon atoms of the chain aliphatic alcohol is less than the lower limit, the hydrophobicity tends to be small, and it tends to be difficult to be introduced into the pores of the spherical mesoporous material. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the solubility tends to decrease.
Examples of such chain aliphatic alcohols include hexanol, methylpentanol, dimethylbutanol, heptanol, methylhexanol, dimethylpentanol, trimethylbutanol, octanol, methylheptanol, dimethylhexanol, trimethylpentanol, and isopropylpentanol. Nonanol, methyl octanol, ethyl heptanol, decyl alcohol, undecyl alcohol, dodecyl alcohol, tetradecyl alcohol, hexadecyl alcohol. From the viewpoint of hydrophobicity and solubility, hexanol, octanol and decanol are preferred.

また、ヘテロ環化合物としては、その骨格にヘテロ環を含有するものであれば良く、特に限定されないが、環数が1〜3で炭素数が4〜18(より好ましくは、5〜12)で、ヘテロ原子が窒素、酸素及び硫黄からなる群から選択される少なくとも1種の原子であるヘテロ環化合物が好ましい。ヘテロ環化合物の炭素数が下限未満では、疎水性が小さくなり、球状メソ多孔体の細孔内に導入され難くなる傾向にある。他方、上限を超えると溶解性が低下するため、細孔径の拡大が図れなくなる傾向にある。また、ヘテロ環化合物の環数が3を超えると溶解性が低下するため、細孔径の拡大が図れなくなる傾向にある。
このようなヘテロ環化合物としては、例えば、ピロール、チオフェン、フラン、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、インドール、キノリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、カルバゾール、フェナントリジン、アクリジン、フェナントロリン、フェナジン等が挙げられる。疎水性や溶解性の観点から、ピリジン、キノリン、アクリジン、フェナントロリンが好ましい。
Further, the heterocyclic compound is not particularly limited as long as it contains a heterocyclic ring in its skeleton, but it has 1 to 3 rings and 4 to 18 carbon atoms (more preferably 5 to 12). A heterocyclic compound in which the heteroatom is at least one atom selected from the group consisting of nitrogen, oxygen and sulfur is preferred. When the number of carbon atoms of the heterocyclic compound is less than the lower limit, the hydrophobicity tends to be small, and it tends to be difficult to be introduced into the pores of the spherical mesoporous material. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the solubility decreases, and the pore diameter tends not to increase. Further, when the number of rings of the heterocyclic compound exceeds 3, the solubility is lowered, so that the pore diameter tends not to be increased.
Examples of such heterocyclic compounds include pyrrole, thiophene, furan, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, indole, quinoline, phthalazine, naphthyridine, quinoxaline, quinazoline, carbazole, phenanthridine, acridine, phenanthroline, phenazine, and the like. Can be mentioned. From the viewpoint of hydrophobicity and solubility, pyridine, quinoline, acridine, and phenanthroline are preferable.

溶媒には、水とアルコールとの混合溶媒を用いる。このようなアルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール等の1価のアルコール、エチレングリコール等の2価のアルコール、グリセリン等の3価のアルコールのいずれでも良い。
溶媒中のアルコールの含有量が40〜90容量%である必要があり、アルコールの含有量が50〜85容量%であることが好ましく、55〜75容量%であることがより好ましい。この溶媒中におけるアルコールの含有量が90容量%を超える場合には、細孔内の界面活性剤とアルキルアンモニウムハライドとの置換反応や細孔内への鎖状炭化水素や環状炭化水素や鎖状脂肪族アミンや鎖状脂肪族アルコールやヘテロ環化合物の導入が十分に進まなくなる。他方、この溶媒中におけるアルコールの含有量が40容量%未満の場合は、水の割合が多くなるため長いアルキル鎖を有するアルキルアンモニウムハライド、鎖状炭化水素、環状炭化水素、鎖状脂肪族アミン、鎖状脂肪族アルコール、ヘテロ環化合物が溶媒中に十分に溶解しなくなる。さらに、高温の水によって,シリカネットワークの再構築が促進されて得られるシリカ多孔体の形状が変化してしまったり、多孔体前駆体粒子のシリカネットワークが崩壊したりする。
As the solvent, a mixed solvent of water and alcohol is used. As such an alcohol, any of monohydric alcohols such as methanol, ethanol and propanol, divalent alcohols such as ethylene glycol, and trivalent alcohols such as glycerin may be used.
The content of alcohol in the solvent needs to be 40 to 90% by volume, and the content of alcohol is preferably 50 to 85% by volume, and more preferably 55 to 75% by volume. When the content of the alcohol in the solvent exceeds 90% by volume, a substitution reaction between the surfactant in the pores and the alkylammonium halide, a chain hydrocarbon, a cyclic hydrocarbon or a chain in the pores Introduction of aliphatic amines, chain aliphatic alcohols and heterocyclic compounds will not proceed sufficiently. On the other hand, when the alcohol content in the solvent is less than 40% by volume, the proportion of water increases, so that an alkyl ammonium halide having a long alkyl chain, a chain hydrocarbon, a cyclic hydrocarbon, a chain aliphatic amine, The chain aliphatic alcohol and heterocyclic compound are not sufficiently dissolved in the solvent. Furthermore, the shape of the silica porous body obtained by promoting the reconstruction of the silica network is changed by high-temperature water, or the silica network of the porous precursor particles is collapsed.

さらに、この溶媒中における拡径剤の濃度は、溶液の全容量を基準として0.05〜10mol/L(好ましくは、0.05〜5mol/L、より好ましくは、0.1〜1mol/L)とする必要がある。また、このような溶媒中における拡径剤の濃度の上限値としては、溶液の全容量を基準として0.2mol/L以下であることがさらに好ましく、0.18mol/L以下であることが特に好ましい。拡径剤の濃度が0.05mol/L未満の場合は、細孔内の界面活性剤とアルキルアンモニウムハライドとの置換反応や細孔内への鎖状炭化水素や環状炭化水素や鎖状脂肪族アミンや鎖状脂肪族アルコールやヘテロ環化合物の導入が十分に進行せず、得られる粒子の粒径や細孔構造の規則性が低下し、さらには細孔径を十分に拡大することができない。他方、拡径剤の濃度が10mol/Lを超える場合は、粒径及び粒径分布の制御が困難となって、得られる粒子の粒径の均一性が低くなる。   Further, the concentration of the expanding agent in the solvent is 0.05 to 10 mol / L (preferably 0.05 to 5 mol / L, more preferably 0.1 to 1 mol / L based on the total volume of the solution). ) Is necessary. In addition, the upper limit value of the concentration of the diameter expanding agent in such a solvent is more preferably 0.2 mol / L or less, particularly 0.18 mol / L or less, based on the total volume of the solution. preferable. When the concentration of the expanding agent is less than 0.05 mol / L, a substitution reaction between the surfactant in the pores and the alkylammonium halide, a chain hydrocarbon, a cyclic hydrocarbon, or a chain aliphatic into the pores The introduction of amines, chain aliphatic alcohols and heterocyclic compounds does not proceed sufficiently, the particle size of the resulting particles and the regularity of the pore structure are lowered, and the pore size cannot be sufficiently expanded. On the other hand, when the concentration of the diameter expanding agent exceeds 10 mol / L, it is difficult to control the particle size and the particle size distribution, and the uniformity of the particle size of the obtained particles is lowered.

拡径処理は、60〜150℃の温度条件下で行われる必要があり、70〜120℃の温度条件下で行われることが好ましい。また、このような温度条件の上限の値としては、100℃(さらに好ましくは90℃、特に好ましくは80℃)以下であることがより好ましい。このような温度が60℃未満では、球状メソ多孔体に含有されている界面活性剤と拡径剤として使用したアルキルアンモニウムハライドとの置換反応や細孔内への鎖状炭化水素や環状炭化水素や鎖状脂肪族アミンや鎖状脂肪族アルコールやヘテロ環化合物の導入が十分に進行しない。他方、150℃を超えると、粒径及び粒径分布の制御が困難となる。   The diameter expansion treatment needs to be performed under a temperature condition of 60 to 150 ° C, and is preferably performed under a temperature condition of 70 to 120 ° C. Further, the upper limit value of such a temperature condition is more preferably 100 ° C. (more preferably 90 ° C., particularly preferably 80 ° C.) or less. When the temperature is less than 60 ° C., the substitution reaction between the surfactant contained in the spherical mesoporous material and the alkylammonium halide used as the diameter expanding agent, the chain hydrocarbon or cyclic hydrocarbon in the pores The introduction of chain aliphatic amines, chain aliphatic alcohols and heterocyclic compounds does not proceed sufficiently. On the other hand, when it exceeds 150 ° C., it becomes difficult to control the particle size and particle size distribution.

[3.1.7. 界面活性剤の除去]
乾燥後、前駆体粒子から界面活性剤(及び、必要に応じて添加された拡径剤)を除去すると、球状メソ多孔体が得られる。界面活性剤の除去方法としては、
(1) 前駆体粒子を大気中又は不活性雰囲気下において、300〜1000℃(好ましくは、300〜600℃)で、30分以上(好ましくは、1時間以上)焼成する焼成方法、
(2) 前駆体粒子を界面活性剤の良溶媒(例えば、少量の塩酸を含むメタノール)中に浸漬し、所定の温度(例えば、50〜70℃)で加熱しながら攪拌し、薄膜中の界面活性剤を抽出するイオン交換法、
などがある。
[3.1.7. Removal of surfactant]
After drying, the surfactant (and the expanding agent added as necessary) is removed from the precursor particles to obtain a spherical mesoporous material. As a method for removing the surfactant,
(1) A firing method in which the precursor particles are fired at 300 to 1000 ° C. (preferably 300 to 600 ° C.) for 30 minutes or longer (preferably 1 hour or longer) in the air or under an inert atmosphere.
(2) The precursor particles are immersed in a good solvent for a surfactant (for example, methanol containing a small amount of hydrochloric acid), stirred while heating at a predetermined temperature (for example, 50 to 70 ° C.), and the interface in the thin film An ion exchange method to extract the active agent,
and so on.

[3.2. カーボン析出工程]
カーボン析出工程は、球状メソ多孔体のメソ細孔内にカーボンを析出させる工程である。メソ細孔内にカーボンを析出させる方法としては、以下のような方法がある。
[3.2. Carbon deposition process]
The carbon deposition step is a step of depositing carbon in the mesopores of the spherical mesoporous material. There are the following methods for depositing carbon in the mesopores.

[3.2.1. 第1の方法]
カーボンを析出させる第1の方法は、メソ細孔内にカーボン前駆体を導入し、カーボン前駆体を重合及び炭化させる方法である。
「カーボン前駆体」とは、炭素源となるものであり、熱分解によって炭素を生成可能なものであればよい。このようなカーボン前駆体としては、具体的には、
(1) 常温で液体であり、かつ、熱重合性のポリマー前駆体(例えば、フルフリルアルコール、アニリン等)、
(2) 炭水化物の水溶液と酸の混合物(例えば、スクロース(ショ糖)、キシロース(木糖)、グルコース(ブドウ糖)などの単糖類、あるいは、二糖類、多糖類と、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸などの酸との混合物)、
(3) 2液硬化型のポリマー前駆体の混合物(例えば、フェノールとホルマリン等)、
などがある。
これらの中でも、ポリマー前駆体は、溶媒で希釈することなくメソ孔内に含浸させることができるので、相対的に少数回の含浸回数で、相対的に多量の炭素をメソ孔内に生成させることができる。また、重合開始剤が不要であり、取り扱いも容易であるという利点がある。
[3.2.1. First method]
The first method for precipitating carbon is a method in which a carbon precursor is introduced into mesopores, and the carbon precursor is polymerized and carbonized.
The “carbon precursor” serves as a carbon source, and any carbon precursor can be used as long as it can generate carbon by thermal decomposition. As such a carbon precursor, specifically,
(1) A liquid polymer precursor at room temperature and thermally polymerizable (for example, furfuryl alcohol, aniline, etc.),
(2) A mixture of an aqueous carbohydrate solution and an acid (for example, monosaccharides such as sucrose (sucrose), xylose (wood sugar), glucose (glucose)), disaccharides, polysaccharides, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphorus Mixtures with acids such as acids),
(3) a mixture of two-component curable polymer precursors (for example, phenol and formalin),
and so on.
Among these, since the polymer precursor can be impregnated in the mesopores without being diluted with a solvent, a relatively large amount of carbon can be generated in the mesopores with a relatively small number of impregnations. Can do. Further, there is an advantage that a polymerization initiator is unnecessary and handling is easy.

液体又は溶液のカーボン前駆体を用いる場合、1回当たりの液体又は溶液の吸着量は、多いほど良く、メソ孔全体が液体又は溶液で満たされる量が好ましい。
また、カーボン前駆体として炭水化物の水溶液と酸の混合物を用いる場合、酸の量は、有機物を重合させることが可能な最小量とするのが好ましい。
さらに、カーボン前駆体として、2液硬化型のポリマー前駆体の混合物を用いる場合、その比率は、ポリマー前駆体の種類に応じて、最適な比率を選択する。
When the liquid or solution carbon precursor is used, the amount of adsorption of the liquid or solution per one time is better, and the amount in which the entire mesopores are filled with the liquid or solution is preferable.
When a mixture of an aqueous carbohydrate solution and an acid is used as the carbon precursor, the amount of the acid is preferably set to a minimum amount that can polymerize the organic matter.
Further, when a mixture of a two-component curable polymer precursor is used as the carbon precursor, an optimal ratio is selected according to the type of the polymer precursor.

メソ細孔内にカーボン前駆体を導入した後、前駆体を重合させる。
例えば、カーボン前駆体が、ポリマー前駆体、炭水化物の水溶液と酸の混合物、又は、2液硬化型のポリマー前駆体の混合物である場合、カーボン前駆体の重合は、これを吸着させた球状メソ多孔体を所定温度で所定時間加熱することにより行う。最適な重合温度及び重合時間は、カーボン前駆体の種類により異なるが、通常、重合温度は50℃〜400℃、重合時間は5分〜24時間である。
After introducing the carbon precursor into the mesopores, the precursor is polymerized.
For example, when the carbon precursor is a polymer precursor, a mixture of an aqueous solution of a carbohydrate and an acid, or a mixture of a two-part curable polymer precursor, the polymerization of the carbon precursor is performed by the spherical mesoporous material on which the carbon precursor is adsorbed. This is done by heating the body at a predetermined temperature for a predetermined time. The optimum polymerization temperature and polymerization time vary depending on the type of carbon precursor, but usually the polymerization temperature is 50 ° C. to 400 ° C., and the polymerization time is 5 minutes to 24 hours.

さらに、重合させたカーボン前駆体をメソ孔内において炭化させる。
カーボン前駆体の炭化は、非酸化雰囲気中(例えば、不活性雰囲気中、真空中など)において、球状メソ多孔体を所定温度に加熱することにより行う。加熱温度は、具体的には、500℃以上1200℃以下が好ましい。加熱温度が500℃未満であると、カーボン前駆体の炭化が不十分となる。一方、加熱温度が1200℃を超えると、シリカと炭素が反応するので好ましくない。加熱時間は、加熱温度に応じて、最適な時間を選択する。
Further, the polymerized carbon precursor is carbonized in the mesopores.
Carbonization of the carbon precursor is performed by heating the spherical mesoporous material to a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere (for example, in an inert atmosphere or in a vacuum). Specifically, the heating temperature is preferably 500 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. When the heating temperature is less than 500 ° C., carbonization of the carbon precursor becomes insufficient. On the other hand, when the heating temperature exceeds 1200 ° C, silica and carbon react with each other, which is not preferable. As the heating time, an optimum time is selected according to the heating temperature.

なお、メソ孔内に生成させる炭素量は、球状メソ多孔体を除去した時に、カーボン粒子が形状を維持できる量以上であればよい。従って、1回の充填、重合及び炭化で生成する炭素量が相対的に少ない場合には、これらの工程を複数回繰り返すのが好ましい。この場合、繰り返される各工程の条件は、それぞれ、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
また、充填、重合及び炭化の各工程を複数回繰り返す場合、各炭化工程は、相対的に低温で炭化処理を行い、最後の炭化処理が終了した後、さらにこれより高い温度で、再度、炭化処理を行っても良い。最後の炭化処理を、それ以前の炭化処理より高い温度で行うと、複数回に分けて細孔内に導入されたカーボンが一体化しやすくなる。
Note that the amount of carbon generated in the mesopores only needs to be greater than or equal to the amount by which the carbon particles can maintain the shape when the spherical mesoporous material is removed. Therefore, when the amount of carbon produced by one filling, polymerization and carbonization is relatively small, it is preferable to repeat these steps a plurality of times. In this case, the conditions of the repeated steps may be the same or different.
When each of the filling, polymerization, and carbonization steps is repeated a plurality of times, each carbonization step is carbonized at a relatively low temperature, and after the final carbonization treatment is completed, carbonization is performed again at a higher temperature. Processing may be performed. When the final carbonization treatment is performed at a higher temperature than the previous carbonization treatment, the carbon introduced into the pores in a plurality of times is easily integrated.

[3.2.2. 第2の方法]
カーボンを析出させる第2の方法は、メソ孔内に、直接、カーボンを析出させる方法である。すなわち、第2の方法は、気相蒸着法を用いて球状メソ多孔体の少なくともメソ細孔内にカーボンを析出させる方法である。
具体的には、不飽和結合を有する重合性のガス(例えば、アセチレン、プロピレン等)を炭素源として用いて、これを不活性ガス(N、アルゴン、ヘリウム等)で希釈して、球状メソ多孔体を設置した流通型反応管に流し、所定温度で所定時間加熱する(いわゆる「熱CVD法」)。これにより、メソ細孔内への炭素源の吸着と同時に重合と炭化が起こる。同様の方法で、液体の炭素源を不活性ガスでバブリングし、一工程でメソ細孔内に炭素を析出させることもできる。加熱温度は、ガスの種類に応じて最適な温度を選択する。
[3.2.2. Second method]
The second method of depositing carbon is a method of depositing carbon directly in the mesopores. That is, the second method is a method of depositing carbon in at least the mesopores of the spherical mesoporous material by using a vapor deposition method.
Specifically, a polymerizable gas having an unsaturated bond (for example, acetylene, propylene, etc.) is used as a carbon source, and this is diluted with an inert gas (N 2 , argon, helium, etc.) to produce a spherical meso It is poured into a flow-through reaction tube provided with a porous body and heated at a predetermined temperature for a predetermined time (so-called “thermal CVD method”). Thereby, polymerization and carbonization occur simultaneously with the adsorption of the carbon source into the mesopores. In a similar manner, a liquid carbon source can be bubbled with an inert gas to deposit carbon in the mesopores in one step. As the heating temperature, an optimum temperature is selected according to the type of gas.

第2の方法において、カーボンの析出は、球状メソ多孔体の表面側から生じる。従って、析出時間が相対的に短い場合、球状メソ多孔体の表面近傍のメソ細孔にのみカーボンが析出するので、中空のカーボン粒子が得られる。一方、析出時間が相対的に長い場合、メソ細孔の中心部までカーボンが析出するので、中実のカーボン粒子が得られる。   In the second method, carbon deposition occurs from the surface side of the spherical mesoporous material. Therefore, when the deposition time is relatively short, carbon is deposited only in the mesopores near the surface of the spherical mesoporous material, so that hollow carbon particles can be obtained. On the other hand, when the deposition time is relatively long, carbon is deposited to the center of the mesopores, so that solid carbon particles can be obtained.

[3.3. 球状メソ多孔体除去工程]
球状メソ多孔体除去工程は、少なくともメソ細孔内にカーボンが生成した球状メソ多孔体/カーボン複合体から、球状メソ多孔体を除去する工程である。これにより、球状カーボン多孔体が得られる。
球状メソ多孔体の除去方法としては、具体的には、
(1) 複合体を水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液中で加熱する方法、
(2) 複合体をフッ化水素酸水溶液でエッチングする方法、
などがある。
[3.3. Spherical mesoporous material removal process]
The spherical mesoporous material removing step is a step of removing the spherical mesoporous material from at least the spherical mesoporous material / carbon composite in which carbon is generated in the mesopores. Thereby, a spherical carbon porous body is obtained.
As a method for removing the spherical mesoporous material, specifically,
(1) A method of heating the composite in an aqueous alkali solution such as sodium hydroxide,
(2) A method of etching the composite with an aqueous hydrofluoric acid solution,
and so on.

[3.4. スズ系化合物析出工程]
スズ系化合物析出工程は、上述の方法により得られた球状カーボン多孔体のメソ細孔内にスズ系化合物を析出させる工程である。
細孔内へのスズ系化合物の析出は、具体的には、Sn蒸気を細孔内に吸着させ、析出させる方法の他、細孔内にスズ系化合物の前駆体を導入し、前駆体をスズ系化合物に変換することにより行うことができる。
[3.4. Tin compound precipitation process]
The tin-based compound deposition step is a step of depositing a tin-based compound in the mesopores of the spherical carbon porous body obtained by the above-described method.
Specifically, the precipitation of the tin-based compound into the pores includes, in addition to the method of adsorbing and precipitating Sn vapor into the pores, introducing a precursor of the tin-based compound into the pores, This can be done by converting to a tin-based compound.

スズ系化合物の前駆体としては、具体的には、
(1)SnCl4、SnCl2などの塩化物、
(2)スズアセチルアセトナート(Sn(CH3COCHCOCH3)2)などの有機錯体、
などがあるが,これらに限定されるものではない。
Specifically, as a precursor of a tin compound,
(1) chlorides such as SnCl 4 and SnCl 2 ;
(2) an organic complex such as tin acetylacetonate (Sn (CH 3 COCHCOCH 3 ) 2 ),
However, it is not limited to these.

前駆体が液体である場合、これをそのまま球状カーボン多孔体の細孔内に吸着させても良い。あるいは、前駆体を適当な溶媒に溶解させ、この溶液を球状カーボン多孔体の細孔内に吸着させても良い。前駆体を溶媒に溶解させる場合、溶媒の種類及び前駆体の濃度は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択する。   When the precursor is a liquid, it may be adsorbed as it is in the pores of the spherical carbon porous body. Alternatively, the precursor may be dissolved in an appropriate solvent, and this solution may be adsorbed in the pores of the spherical carbon porous body. When the precursor is dissolved in the solvent, the type of the solvent and the concentration of the precursor are not particularly limited, and an optimal one is selected according to the purpose.

前駆体を吸着させた後、前駆体を酸化物に変換する。変換方法は、特に限定されるものではなく、前駆体の種類に応じて最適な方法を選択する。
例えば、前駆体として塩化物を用いる場合、塩化物を溶解させた溶液に球状カーボン多孔体を分散させ、空気中で攪拌する。攪拌を続けると、やがて塩化物がカーボン多孔体の細孔内に吸着され、細孔内の塩化物が溶存酸素により次第に酸化物となる。
また、例えば、前駆体として有機錯体を用いる場合、有機錯体又はこれを溶解させた溶液を球状カーボン多孔体に添加し、細孔内に有機錯体又はその溶液を含浸させる。これを所定の温度に加熱すると、有機錯体の熱分解が起こり、細孔内に酸化物が生成する。
なお、1回の前駆体の吸着及び酸化物への変換により、細孔内に十分な量のスズ系化合物を形成することができないときは、吸着及び変換を複数回繰り返しても良い。
After adsorbing the precursor, the precursor is converted to an oxide. The conversion method is not particularly limited, and an optimal method is selected according to the type of the precursor.
For example, when chloride is used as the precursor, the spherical carbon porous body is dispersed in a solution in which chloride is dissolved and stirred in air. When the stirring is continued, the chloride is eventually adsorbed in the pores of the carbon porous body, and the chloride in the pores gradually becomes an oxide due to dissolved oxygen.
For example, when using an organic complex as a precursor, an organic complex or a solution in which the organic complex is dissolved is added to the spherical carbon porous body, and the organic complex or a solution thereof is impregnated in the pores. When this is heated to a predetermined temperature, thermal decomposition of the organic complex occurs and oxides are generated in the pores.
In addition, when a sufficient amount of a tin-based compound cannot be formed in the pores by one time adsorption of the precursor and conversion to the oxide, the adsorption and conversion may be repeated a plurality of times.

また、必要に応じて細孔内に析出した酸化物の還元を行う。これにより、Snの価数を下げたり、一部あるいは全部のSnを金属まで還元することができる。
還元方法としては、例えば、
(a)窒素雰囲気下で700℃以上に加熱する方法、
(b)H2ガス存在下で250℃以上に加熱する方法、
(c)COガス存在下で200℃以上に加熱する方法、
などがある。
Moreover, the oxide precipitated in the pores is reduced as necessary. Thereby, the valence of Sn can be reduced, or a part or all of Sn can be reduced to metal.
As a reduction method, for example,
(A) A method of heating to 700 ° C. or higher in a nitrogen atmosphere,
(B) A method of heating to 250 ° C. or higher in the presence of H 2 gas,
(C) A method of heating to 200 ° C. or higher in the presence of CO gas,
and so on.

[4. Li二次電池の負極材料の製造方法]
球状カーボン/スズ系化合物複合粒子が不規則配列している配列体の製造方法としては、例えば、
(1)複合粒子をプレス成形する方法、
(2)複合粒子を揮発性の溶媒に分散させた分散液を塗布し,急速に乾かす方法、
(3)複合粒子、溶媒、増粘剤を加えて調整したスラリー溶液を塗布し,蒸発あるいは熱分解により、溶媒と増粘剤を除去する方法、
などがあるが,これらに限定されるものではない。
[4. Method for producing negative electrode material for Li secondary battery]
As a method for producing an array in which spherical carbon / tin compound composite particles are irregularly arranged, for example,
(1) A method of press molding composite particles,
(2) A method of applying a dispersion liquid in which composite particles are dispersed in a volatile solvent and drying it rapidly,
(3) A method of applying a slurry solution prepared by adding composite particles, a solvent and a thickener and removing the solvent and the thickener by evaporation or thermal decomposition,
However, it is not limited to these.

複合粒子が規則配列している配列体の製造方法としては、例えば、
(1)複合粒子を分散させた分散液に電極を浸漬し、電極間に直流電界を印加する方法(電気泳動を利用した配列方法)、
(2)一定の間隔を有する基板間に複合粒子を分散させた分散液を注入し、複合粒子を規則配列した状態で自己集積させる方法、
(3)複合粒子を分散させた分散液を基板表面にディップコート、スピンコート等を用いて塗布する方法、
(4)上記(1)から(3)において、予め複合粒子に、正又は負の電荷を有する高分子をコートして、配列しやすくさせる方法、
(5)複合粒子の分散液中に、あらかじめ高分子モノマー(例えば、アクリルアミド)、架橋剤(例えば、メチレンビスアクリルアミド)、及び、光重合開始剤(例えば、カンファーキノン)を添加しておき、複合粒子を液中において規則配列させた後、光照射することによりゲル化させる方法、
などがある。
As a method for producing an array in which composite particles are regularly arranged, for example,
(1) A method of immersing electrodes in a dispersion liquid in which composite particles are dispersed and applying a DC electric field between the electrodes (arrangement method using electrophoresis),
(2) A method of injecting a dispersion liquid in which composite particles are dispersed between substrates having a constant interval, and self-assembling the composite particles in a regularly arranged state,
(3) A method in which a dispersion liquid in which composite particles are dispersed is applied to the substrate surface using dip coating, spin coating or the like,
(4) In the above (1) to (3), the composite particles are previously coated with a polymer having a positive or negative charge to facilitate alignment,
(5) A polymer monomer (for example, acrylamide), a cross-linking agent (for example, methylene bisacrylamide), and a photopolymerization initiator (for example, camphorquinone) are added in advance to the composite particle dispersion. A method in which particles are regularly arranged in a liquid and then gelled by light irradiation;
and so on.

[5. 作用]
本発明に係る複合粒子は、球状カーボン多孔体の細孔内にSnO2等のスズ系化合物からなるナノサイズの微結晶が分散している構造を備えている。細孔壁がスズ系化合物を補強しており、また、複合粒子中に一定の空隙を有しているため、体積膨張を緩和したり吸収したりできる。また、たとえスズ系化合物が微粉化しても、細孔壁がスズ系化合物の球状カーボン多孔体からの脱離を防止する。そのため、リサイクル特性が向上する。
[5. Action]
The composite particles according to the present invention have a structure in which nano-sized microcrystals made of a tin-based compound such as SnO 2 are dispersed in the pores of a spherical carbon porous body. Since the pore walls reinforce the tin-based compound and the composite particles have certain voids, the volume expansion can be relaxed and absorbed. Moreover, even if the tin-based compound is pulverized, the pore walls prevent the tin-based compound from being detached from the spherical carbon porous body. Therefore, the recycling characteristics are improved.

特に、球状カーボン多孔体が、カーボンナノロッドが球対称に配置しているものである場合、スズ系化合物の体積膨張は等方的になり、リサイクル特性がさらに向上する。
さらに、球状カーボン多孔体は、電極材中に充填しやすい。そのため、本発明に係る複合粒子を負極材料として用いると、体積当たりの電気容量が向上する。
In particular, when the spherical carbon porous body has carbon nanorods arranged in a spherical symmetry, the volume expansion of the tin-based compound becomes isotropic, and the recycling characteristics are further improved.
Furthermore, the spherical carbon porous body is easily filled in the electrode material. Therefore, when the composite particles according to the present invention are used as the negative electrode material, the electric capacity per volume is improved.

(実施例1〜3、比較例1〜2)
[1. 複合粒子の作製]
[1.1. 合成例1]
[1.1.1. 単分散球状メソポーラスシリカの作製]
精製水:3806g、メタノール(MeOH):2020g、及びエタノール(EtOH):2020gの混合溶媒にオクタデシルトリメチルアンモニウムクロリド(C18TMACl):38.3gを溶解し、25℃に保ち、攪拌した。さらに、1M NaOH:34.2g、MeOH:60g、及びEtOH:60gで希釈したテトラメトキシシラン(TMOS):26.4gを加えた。約8時間攪拌し、一晩静置した後、ろ過と精製水への再分散とを2回繰り返した。その後、45℃で乾燥し、白色粉末:19.25gを得た。さらに、この白色粉末を大気中、550℃×6時間焼成し、粒子径0.58μmの単分散球状メソポーラスシリカ粒子(MMSS)を得た。
(Examples 1-3, Comparative Examples 1-2)
[1. Preparation of composite particles]
[1.1. Synthesis Example 1]
[1.1.1. Preparation of monodispersed spherical mesoporous silica]
38.3 g of octadecyltrimethylammonium chloride (C 18 TMACl) was dissolved in a mixed solvent of purified water: 3806 g, methanol (MeOH): 2020 g, and ethanol (EtOH): 2020 g, and the mixture was kept at 25 ° C. and stirred. Further, tetramethoxysilane (TMOS) diluted with 1M NaOH: 34.2 g, MeOH: 60 g, and EtOH: 60 g: 26.4 g was added. After stirring for about 8 hours and allowing to stand overnight, filtration and redispersion in purified water were repeated twice. Then, it dried at 45 degreeC and obtained white powder: 19.25g. Further, this white powder was baked in the atmosphere at 550 ° C. for 6 hours to obtain monodispersed spherical mesoporous silica particles (MMSS) having a particle diameter of 0.58 μm.

[1.1.2. 球状カーボン多孔体の作製]
PFA製容器(容量15mL)にMMSS:0.5gを入れ、フルフリルアルコール(FA)を細孔容量分加えて、シリカの細孔内に浸透させた。これを150℃×24h熱処理することにより、FAを重合させた。さらに、これを窒素雰囲気中で500℃×6h熱処理し、FAの炭素化を進めた。これを2回繰り返した後、窒素雰囲気中で900℃×6h熱処理して、MMSS/カーボン複合体を得た。
この複合体を12%HF溶液に12h浸漬し、シリカ成分を溶解した。溶解後、ろ過、洗浄を繰り返し、さらに45℃で乾燥して、球状カーボン多孔体を得た。
[1.1.2. Production of spherical carbon porous body]
MMSS: 0.5 g was placed in a PFA container (capacity: 15 mL), and furfuryl alcohol (FA) was added to the pore volume to infiltrate into the silica pores. This was heat-treated at 150 ° C. for 24 hours to polymerize FA. Furthermore, this was heat-treated in a nitrogen atmosphere at 500 ° C. for 6 hours to promote carbonization of FA. After repeating this twice, heat treatment was performed at 900 ° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere to obtain an MMSS / carbon composite.
This composite was immersed in a 12% HF solution for 12 hours to dissolve the silica component. After dissolution, filtration and washing were repeated and further dried at 45 ° C. to obtain a spherical carbon porous body.

[1.1.3. 球状カーボン/SnO2複合粒子の作製]
次に、球状カーボン多孔体:0.1gを500mLのビーカー内で、水:250g及び濃塩酸(35wt.%):4mL、SnCl2:50gの混合溶液に分散させた。この分散液を25℃に保ちながら、超音波洗浄機で超音波を30分間照射した。さらにその分散液を4時間空気中で攪拌した後、ろ過と精製水への再分散とを2回繰り返した。その後、45℃で乾燥し、球状カーボン/SnO2複合体を得た。
[1.1.3. Preparation of spherical carbon / SnO 2 composite particles]
Next, 0.1 g of the spherical carbon porous body was dispersed in a mixed solution of water: 250 g, concentrated hydrochloric acid (35 wt.%): 4 mL, SnCl 2 : 50 g in a 500 mL beaker. While maintaining this dispersion at 25 ° C., ultrasonic waves were applied for 30 minutes with an ultrasonic cleaner. Further, the dispersion was stirred in the air for 4 hours, and then filtration and redispersion in purified water were repeated twice. Then dried at 45 ° C., to obtain spherical carbon / SnO 2 composite.

[1.2. 合成例2]
合成例1と同様の方法で、球状カーボン/SnO2複合粒子を得た。次いで、球状カーボン/SnO2複合粒子を窒素中で350℃×6時間処理し、結晶化球状カーボン/SnO2複合体を得た。
[1.2. Synthesis Example 2]
Spherical carbon / SnO 2 composite particles were obtained in the same manner as in Synthesis Example 1. Next, the spherical carbon / SnO 2 composite particles were treated in nitrogen at 350 ° C. for 6 hours to obtain a crystallized spherical carbon / SnO 2 composite.

[1.3. 合成例3:不定形カーボン/SnO2複合粒子]
MMSSに代えて不定形のメソポーラスシリカ(SBA−15)を用いた以外は、合成例1と同様にして、不定形カーボン/SnO2複合粒子を得た。
[1.3. Synthesis Example 3: Amorphous Carbon / SnO 2 Composite Particles]
Except for using the amorphous mesoporous silica (SBA-15) in place of MMSS, in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain the amorphous carbon / SnO 2 composite particles.

[2. 負極材料及び評価用半電池の作製]
[2.1. 実施例1]
合成例1で得られた球状カーボン/SnO2複合体:0.475g、ケッチェンブラック:0.025g、ポリフッ化ビニリデン(PVDF):0.1g、N−メチル−2−ピロリドン(NMP):1gを混合した後、Cu箔上に展開した。120℃で真空乾燥を8時間行った後、ロールプレスで加圧、さらに円形に打ち抜いて、負極電極材を得た。
これを負極として、対極に金属リチウム、セパレータに多孔質ポリプロピレンフィルム、電解液に1M LiPF6を含むエチレンカーボート(EC)/ジメチルカーボネート(DEC)液を用いた半電池を作製した。
[2. Production of negative electrode material and evaluation half-cell]
[2.1. Example 1]
Spherical carbon / SnO 2 composite obtained in Synthesis Example 1: 0.475 g, Ketjen black: 0.025 g, polyvinylidene fluoride (PVDF): 0.1 g, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP): 1 g Was mixed and then developed on the Cu foil. After performing vacuum drying at 120 ° C. for 8 hours, pressurization with a roll press and punching into a circle were performed to obtain a negative electrode material.
Using this as a negative electrode, a half-cell was prepared using a lithium metal as a counter electrode, a porous polypropylene film as a separator, and an ethylene carbot (EC) / dimethyl carbonate (DEC) solution containing 1M LiPF 6 as an electrolyte.

[2.2. 実施例2]
合成例2で得られた球状カーボン/SnO2複合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、評価用半電池を作製した。
[2.3. 比較例1]
合成例3で得られた不定形カーボン/SnO2複合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、評価用半電池を作製した。
[2.2. Example 2]
A half cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the spherical carbon / SnO 2 composite obtained in Synthesis Example 2 was used.
[2.3. Comparative Example 1]
An evaluation half-cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the amorphous carbon / SnO 2 composite obtained in Synthesis Example 3 was used.

[2.4. 実施例3]
[2.4.1. 規則配列体の作製]
合成例1で得られた球状カーボン/SnO2複合体をイオン交換水に10wt%濃度で混合し、5時間超音波で分散させた。その分散液をオゾンプラズマ処理により親水化した2枚のSiO2ガラス基板を10μmの間隔で保持したセルに注入し、室温で24時間放置した。放置後、片方のガラス基板を注意深くはがした。乾燥後、空気中で400℃×1時間焼成した。得られた配列体は、構造色を示した。
[2.4. Example 3]
[2.4.1. Production of ordered array]
The spherical carbon / SnO 2 composite obtained in Synthesis Example 1 was mixed with ion-exchanged water at a concentration of 10 wt% and dispersed with ultrasonic waves for 5 hours. The dispersion was poured into a cell in which two SiO 2 glass substrates hydrophilized by ozone plasma treatment were held at intervals of 10 μm and left at room temperature for 24 hours. After standing, one glass substrate was carefully peeled off. After drying, it was fired in air at 400 ° C. for 1 hour. The resulting array showed a structural color.

[2.4.2. 半電池の作製]
SiO2ガラス基板上の配列体にPVDF:10wt%のNMP溶液を浸透させ、その上からCu箔をかぶせ、プレスした。その後、配列体をSiO2ガラス基板から剥離させ、Cu箔上に移した。さらに、120℃で真空乾燥を8時間行った後、円形に打ち抜いて負極電極材を得た。
その負極電極材を用いて、実施例1と同様にして、評価用の半電池を作製した。
[2.4.2. Production of half-cell]
A PVDF: 10 wt% NMP solution was infiltrated into the array on the SiO 2 glass substrate, and a Cu foil was placed thereon and pressed. Thereafter, the array was peeled from the SiO 2 glass substrate and transferred onto the Cu foil. Further, vacuum drying was performed at 120 ° C. for 8 hours, and then punched into a circle to obtain a negative electrode material.
Using the negative electrode material, an evaluation half-cell was produced in the same manner as in Example 1.

[2.5. 比較例2]
球状カーボン/SnO2複合体に代えて、酸化スズナノ粒子を用いた以外は、実施例1と同様にして、評価用半電池を作製した。
[2.5. Comparative Example 2]
A half cell for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that tin oxide nanoparticles were used instead of the spherical carbon / SnO 2 composite.

[3. 試験方法]
[3.1. TEM観察]
合成された球状カーボン/SnO2複合体のTEM観察を行った。
[3.2. サイクリックボルタンメトリー]
充放電試験に先立ち、電極電位を0.05mV/minの速度で直線的に0.05〜2Vの範囲で掃引し、サイクリックボルタンメトリー(CV)特性を測定した。
[3. Test method]
[3.1. TEM observation]
The synthesized spherical carbon / SnO 2 composite was observed by TEM.
[3.2. Cyclic voltammetry]
Prior to the charge / discharge test, the electrode potential was linearly swept in the range of 0.05 to 2 V at a rate of 0.05 mV / min, and cyclic voltammetry (CV) characteristics were measured.

[3.3. 充放電試験及びXRD]
100mA/gの電流密度の定電流条件で、0.05〜3Vの電位範囲で充放電サイクル試験を行った。
また、球状カーボン/SnO2複合体、及び、充放電試験前後にける負極電極材のXRD測定を行った。
[3.3. Charge / Discharge Test and XRD]
A charge / discharge cycle test was conducted in a potential range of 0.05 to 3 V under a constant current condition of a current density of 100 mA / g.
Further, XRD measurement was performed on the spherical carbon / SnO 2 composite and the negative electrode material before and after the charge / discharge test.

[4. 結果]
[4.1. TEM観察]
図1に、球状カーボン/SnO2複合体のTEM写真を示す。図1より、
(1)球状カーボン多孔体は、直径が2nm程度のカーボンナノロッドが球対称に配置しているものからなること、及び、
(2)球状カーボン多孔体の細孔内にSnO2が充填されていること
がわかる。
[4. result]
[4.1. TEM observation]
FIG. 1 shows a TEM photograph of a spherical carbon / SnO 2 composite. From FIG.
(1) The spherical carbon porous body is composed of carbon nanorods having a diameter of about 2 nm arranged in a spherical symmetry, and
(2) It can be seen that SnO 2 is filled in the pores of the spherical carbon porous body.

[4.2. サイクリックボルタンメトリー]
図2に、球状カーボン/SnO2複合体(実施例2)のサイクリックボルタンメトリー曲線を示す。SEI(Solid Electrolyte Interphase)層の形成、コンバージョン反応、及び、合金化反応に伴うピークが観察された。
[4.2. Cyclic voltammetry]
FIG. 2 shows a cyclic voltammetry curve of the spherical carbon / SnO 2 composite (Example 2). Peaks associated with formation of a SEI (Solid Electrolyte Interphase) layer, a conversion reaction, and an alloying reaction were observed.

[4.3. 充放電試験及びXRD]
図3に、球状カーボン/SnO2複合体、及びこれを含む負極材料(実施例2)の充放電試験前後のXRDパターンを示す。評価前、並びに、1.0V及び3.0Vにおける試料のXRD測定により、評価前に見られたSnO2のピークが消失し、1.0VではSnのピークが観察され、また、3.0Vではどちらのピークも観察されなかった。以上のことから、(1)式に示す合金化反応や、(2)式に示すコンバージョン反応が起きていることが確認された。
Sn + 4.4e- + 4.4Li+ ⇔ Li4.4Sn ・・・(1)
SnO2 + 4e- + 4Li+ ⇔ Sn + 2Li2O ・・・(2)
[4.3. Charge / Discharge Test and XRD]
FIG. 3 shows XRD patterns before and after the charge / discharge test of the spherical carbon / SnO 2 composite and the negative electrode material (Example 2) containing the same. By the XRD measurement of the sample at 1.0 V and 3.0 V before the evaluation, the SnO 2 peak observed before the evaluation disappeared, the Sn peak was observed at 1.0 V, and at 3.0 V, Neither peak was observed. From the above, it was confirmed that the alloying reaction represented by the formula (1) and the conversion reaction represented by the formula (2) occurred.
Sn + 4.4e - + 4.4Li + ⇔ Li 4.4 Sn ··· (1)
SnO 2 + 4e - + 4Li + ⇔ Sn + 2Li 2 O ··· (2)

図4に、実施例1〜3及び比較例1〜2で得られた試料の充放電サイクル特性を示す。図4より、以下のことがわかる。
(1)球状カーボン/SnO2複合体の初回の充電容量は、実施例1で1.13Ah/g、実施例2で1.04Ah/g、実施例3で1.08Ah/gで、いずれも比較例に比べて高い。また、各実施例の充電容量は、SnO2の合金化反応の理論当量786mAh/gよりも大きい。合金化反応の他、コンバージョン反応の一部が可逆的に起こっているものと思われる。
(2)40サイクル目の充電容量でも、いずれの実施例も初回の充電容量の90%以上を保持していた。特に、実施例3の配列体は、維持率(初回容量との比)98.4%を維持しており、サイクル特性に優れていることがわかった。
In FIG. 4, the charging / discharging cycle characteristic of the sample obtained in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2 is shown. FIG. 4 shows the following.
(1) The initial charge capacity of the spherical carbon / SnO 2 composite was 1.13 Ah / g in Example 1, 1.04 Ah / g in Example 2, 1.08 Ah / g in Example 3, and both Higher than the comparative example. Moreover, the charge capacity of each Example is larger than the theoretical equivalent 786 mAh / g of the alloying reaction of SnO 2 . In addition to the alloying reaction, a part of the conversion reaction seems to occur reversibly.
(2) Even in the charge capacity at the 40th cycle, all the examples maintained 90% or more of the initial charge capacity. In particular, the array of Example 3 maintained a maintenance ratio (ratio to the initial capacity) of 98.4%, and was found to have excellent cycle characteristics.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る球状カーボン/スズ系化合物複合体は、Li二次電池の負極材料として用いることができる。   The spherical carbon / tin compound composite according to the present invention can be used as a negative electrode material for a Li secondary battery.

Claims (3)

以下の構成を備えた球状カーボン/スズ系化合物複合粒子。
(1)前記球状カーボン/スズ系化合物複合粒子は、
球状カーボン多孔体と、
前記球状カーボン多孔体の細孔内に充填されたSn及び/又はSnの酸化物からなる微結晶と
を備えた複合体からなる。
(2)前記球状カーボン/スズ系化合物複合粒子は、Liイオン二次電池の負極材料として用いられる。
(3)前記球状カーボン多孔体は、直径が10nm以下のカーボンナノロッドが球対称に配置しているものからなり、
前記微結晶は、SnO 2 からなる。
A spherical carbon / tin compound composite particle having the following configuration.
(1) The spherical carbon / tin compound composite particles are:
A spherical carbon porous body;
It consists of a composite comprising Sn and / or microcrystals made of an oxide of Sn filled in the pores of the spherical carbon porous body.
(2) The spherical carbon / tin compound composite particles are used as a negative electrode material for a Li ion secondary battery.
(3) The spherical carbon porous body is composed of carbon nanorods having a diameter of 10 nm or less arranged in a spherical symmetry,
The crystallites, consisting of SnO 2.
前記球状カーボン多孔体は、次の(1)式で表される単分散度が10%以下である請求項1に記載の球状カーボン/スズ系化合物複合粒子。  2. The spherical carbon / tin compound composite particle according to claim 1, wherein the spherical carbon porous body has a monodispersity represented by the following formula (1) of 10% or less.
単分散度=(粒子径の標準偏差)×100/(粒子径の平均値) ・・・(1)  Monodispersity = (standard deviation of particle diameter) × 100 / (average value of particle diameter) (1)
請求項1又は2に記載の球状カーボン/スズ系化合物複合粒子の配列体からなるLiイオン二次電池の負極材料。   A negative electrode material for a Li ion secondary battery comprising the array of spherical carbon / tin compound composite particles according to claim 1.
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