[发明专利]碳催化剂、其制备方法以及使用所述碳催化剂的电极和电池

说明书

技术领域

本发明涉及碳催化剂、制备碳催化剂的方法、以及使用碳催化剂的电极和电池，并且更具体而言涉及碳催化剂活性的改进。

背景技术

铂催化剂目前用于多种化学反应和下一代电池。但是，仍存在下述许多待解决的问题。例如，在聚合物电解质燃料电池(PEFC)中，铂的使用造成成本增高，并且铂的储备是有限的。此外，在空气电池中，铂的使用造成与上述相同方式的成本增高，并且因铂造成化学反应如电解质溶液的分解。因此，铂的使用是广泛采用下一代电池的主要障碍。

鉴于以上，已开发例如在专利文献1中描述的碳催化剂作为铂的替代催化剂。

现有技术文件

专利文献

[专利文献1]JP 2008-282725A

发明内容

但是，使用常规碳催化剂的燃料电池与使用铂催化剂的燃料电池相比，性能不足。

根据所述问题形成本发明。本发明的一个目的是提供具有改进活性的碳催化剂、制备碳催化剂的方法和使用所述碳催化剂的电极和电池。

为了实现该目的，在本发明的一个实施方案的碳催化剂中，在150℃-400℃的升温脱附法中，一氧化碳的脱附量和二氧化碳的脱附量的总和相对于每0.02g所述碳催化剂为0.06mmol或更大。根据本发明提供了具有改进活性的碳催化剂。

此外，一氧化碳的脱附量可以为0.01mmol或更大，并且二氧化碳的脱附量可以为0.05mmol或更大。

通过以下步骤得到为了实现该目的的本发明的一个实施方案中的碳催化剂：使含有作为碳源的有机化合物、金属和导电性碳材料的原料碳化以得到碳化材料；用金属浸渍所述碳化材料；和对含金属的碳化材料进行热处理。根据本发明提供了具有改进活性的碳催化剂。

为了实现该目的的本发明的一个实施方案中的电极包括所述碳催化剂中的任一种。根据本发明提供了包括具有改进活性的碳催化剂的电极。

为了实现该目的的本发明的一个实施方案中的电池包括所述碳催化剂中的任一种。根据本发明提供了电池，其包括含具有改进活性的碳催化剂的电极。

为了实现该目的的本发明的一个实施方案中的制备碳催化剂的方法包括：使含有作为碳源的有机化合物、金属和导电性碳材料的原料碳化以得到碳化材料的碳化步骤；用金属浸渍所述碳化材料的金属浸渍步骤；和对浸渍有金属的碳化材料进行热处理的热处理步骤。根据本发明提供了制备具有改进活性的碳催化剂的方法。

此外，所述金属浸渍步骤可包括用不同于所述原料中的金属的金属浸渍所述碳化材料。此外，所述热处理步骤可包括在300℃或更高的温度下加热所述碳化材料。

为了实现该目的的本发明的一个实施方案中的碳催化剂通过前述方法之一进行制备。根据本发明提供了具有改进活性的碳催化剂。

根据本发明提供了具有改进活性的碳催化剂、制备碳催化剂的方法和使用所述碳催化剂的电极和电池。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案制备碳催化剂的方法中的主要步骤的示意图。

图2是根据本发明的一个实施方案中评价碳催化剂的性质的结果的示意图。

图3是根据本发明的一个实施方案中通过升温脱附法评价碳催化剂的结果的示意图。

图4是根据本发明的一个实施方案中评价碳催化剂的碳结构的结果的示意图。

图5是根据本发明的一个实施方案中评价碳催化剂的氧还原活性的结果的示意图。

图6是根据本发明的一个实施方案中使用碳催化剂进行氧还原反应的四电子还原反应速率的评价结果的示意图。

具体实施方式

以下描述本发明的一个实施方案。应注意本发明不限于该实施方案中所描述的示例。

首先描述根据该实施方案制备碳催化剂的方法（以下简称为“本发明的制备方法”）。图1是本发明的一个示例性制备方法中的主要步骤的示意图。如图1所示，本发明的制备方法包括碳化步骤S1、金属浸渍步骤S2和热处理步骤S3。

在碳化步骤S1中，是含有作为碳源的有机化合物、金属和导电性碳材料的原料碳化以得到碳化材料。对所述原料中的有机化合物没有特别限制，只要所述化合物是碳化的，并且可使用任意一种或两种或更多种的化合物。也就是说，可将高分子量有机化合物（例如树脂如热塑性树脂或热固性树脂）和低分子量有机化合物之一或两种都用作所述有机化合物，还可使用生物质。

此外，例如含氮的有机化合物可优选用作所述有机化合物。对所述含氮的有机化合物没有特别限制，只要所述化合物在其分子中含有氮原子，并且可使用任意一种或两种或更多种的化合物。