[發明專利]碳催化劑、其制備方法以及使用所述碳催化劑的電極和電池

有效

• 申請號: 201080050109.6
• 申請日: 2010-11-04
• 公開（公告）號: CN102639236A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 岸本武亮;今田三紀子;尾崎純一
• 申請（專利權）人: 國立大學法人群馬大學;日清紡控股株式會社
• 主分類號: B01J23/76
• 分類號: B01J23/76;B01J23/75;B01J37/08;H01M4/88;H01M4/90;H01M8/10
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 彭麗丹;過曉東

技術領域

本發明涉及碳催化劑、制備碳催化劑的方法、以及使用碳催化劑的電極和電池，并且更具體而言涉及碳催化劑活性的改進。

背景技術

鉑催化劑目前用于多種化學反應和下一代電池。但是，仍存在下述許多待解決的問題。例如，在聚合物電解質燃料電池(PEFC)中，鉑的使用造成成本增高，并且鉑的儲備是有限的。此外，在空氣電池中，鉑的使用造成與上述相同方式的成本增高，并且因鉑造成化學反應如電解質溶液的分解。因此，鉑的使用是廣泛采用下一代電池的主要障礙。

鑒于以上，已開發例如在專利文獻1中描述的碳催化劑作為鉑的替代催化劑。

現有技術文件

專利文獻

[專利文獻1]JP?2008-282725A

發明內容

但是，使用常規碳催化劑的燃料電池與使用鉑催化劑的燃料電池相比，性能不足。

根據所述問題形成本發明。本發明的一個目的是提供具有改進活性的碳催化劑、制備碳催化劑的方法和使用所述碳催化劑的電極和電池。

為了實現該目的，在本發明的一個實施方案的碳催化劑中，在150℃-400℃的升溫脫附法中，一氧化碳的脫附量和二氧化碳的脫附量的總和相對于每0.02g所述碳催化劑為0.06mmol或更大。根據本發明提供了具有改進活性的碳催化劑。

此外，一氧化碳的脫附量可以為0.01mmol或更大，并且二氧化碳的脫附量可以為0.05mmol或更大。

通過以下步驟得到為了實現該目的的本發明的一個實施方案中的碳催化劑：使含有作為碳源的有機化合物、金屬和導電性碳材料的原料碳化以得到碳化材料；用金屬浸漬所述碳化材料；和對含金屬的碳化材料進行熱處理。根據本發明提供了具有改進活性的碳催化劑。

為了實現該目的的本發明的一個實施方案中的電極包括所述碳催化劑中的任一種。根據本發明提供了包括具有改進活性的碳催化劑的電極。

為了實現該目的的本發明的一個實施方案中的電池包括所述碳催化劑中的任一種。根據本發明提供了電池，其包括含具有改進活性的碳催化劑的電極。

為了實現該目的的本發明的一個實施方案中的制備碳催化劑的方法包括：使含有作為碳源的有機化合物、金屬和導電性碳材料的原料碳化以得到碳化材料的碳化步驟；用金屬浸漬所述碳化材料的金屬浸漬步驟；和對浸漬有金屬的碳化材料進行熱處理的熱處理步驟。根據本發明提供了制備具有改進活性的碳催化劑的方法。

此外，所述金屬浸漬步驟可包括用不同于所述原料中的金屬的金屬浸漬所述碳化材料。此外，所述熱處理步驟可包括在300℃或更高的溫度下加熱所述碳化材料。

為了實現該目的的本發明的一個實施方案中的碳催化劑通過前述方法之一進行制備。根據本發明提供了具有改進活性的碳催化劑。

根據本發明提供了具有改進活性的碳催化劑、制備碳催化劑的方法和使用所述碳催化劑的電極和電池。

附圖說明

圖1是根據本發明的一個實施方案制備碳催化劑的方法中的主要步驟的示意圖。

圖2是根據本發明的一個實施方案中評價碳催化劑的性質的結果的示意圖。

圖3是根據本發明的一個實施方案中通過升溫脫附法評價碳催化劑的結果的示意圖。

圖4是根據本發明的一個實施方案中評價碳催化劑的碳結構的結果的示意圖。

圖5是根據本發明的一個實施方案中評價碳催化劑的氧還原活性的結果的示意圖。

圖6是根據本發明的一個實施方案中使用碳催化劑進行氧還原反應的四電子還原反應速率的評價結果的示意圖。

具體實施方式

以下描述本發明的一個實施方案。應注意本發明不限于該實施方案中所描述的示例。

首先描述根據該實施方案制備碳催化劑的方法（以下簡稱為“本發明的制備方法”）。圖1是本發明的一個示例性制備方法中的主要步驟的示意圖。如圖1所示，本發明的制備方法包括碳化步驟S1、金屬浸漬步驟S2和熱處理步驟S3。

在碳化步驟S1中，是含有作為碳源的有機化合物、金屬和導電性碳材料的原料碳化以得到碳化材料。對所述原料中的有機化合物沒有特別限制，只要所述化合物是碳化的，并且可使用任意一種或兩種或更多種的化合物。也就是說，可將高分子量有機化合物（例如樹脂如熱塑性樹脂或熱固性樹脂）和低分子量有機化合物之一或兩種都用作所述有機化合物，還可使用生物質。

此外，例如含氮的有機化合物可優選用作所述有機化合物。對所述含氮的有機化合物沒有特別限制，只要所述化合物在其分子中含有氮原子，并且可使用任意一種或兩種或更多種的化合物。