碳系材料、电极催化剂、电极、电化学装置、燃料电池以及碳系材料的制造方法制造方法及图纸

技术编号:14694029 阅读:334 留言:0更新日期:2017-02-23 17:01
本发明专利技术的实施方式涉及一种碳系材料(32),其含有石墨或者无定形碳粒子。碳系材料进一步含有:非金属原子,其掺杂于石墨或者无定形碳粒子中,且为选自氮原子、硼原子、硫原子以及磷原子之中的至少1种;以及金属原子,其掺杂于石墨或者无定形碳粒子中。而且金属原子和非金属原子之间的原子间距为以下。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及碳系材料、含有该碳系材料的电极催化剂和电极、具有该电极的电化学装置和燃料电池、以及该碳系材料的制造方法。
技术介绍
下述所示的氧还原反应是H2/O2燃料电池、食盐电解等中的阴极反应,在能量转换电化学装置等中是重要的。O2+4H++4e-→2H2O另外,该氧还原反应的逆反应即下述的氧生成反应作为水的电解等中的阳极反应是重要的。2H2O→O2+4H++4e-在各种装置中进行氧还原反应或者氧生成反应的情况下,通常广泛使用铂、氧化钌、氧化铱等贵金属作为催化剂。但是,这些贵金属稀少而且昂贵,同时价格并不稳定。因此,从节约资源、确保稳定获得性、以及低成本化等角度考虑,使用贵金属存在问题。于是,近年来,作为氧还原催化剂,正在开发掺杂了金属和氮的碳系材料,它被看作是很有可能替代贵金属的催化剂。例如在非专利文献1中,公开了通过将铁酞菁和酚醛树脂的混合物在不活泼气体中于700~900℃、2~3小时的条件下进行加热,从而得到含有铁和氮的碳系晶体的技术。而且公开了该碳系晶体作为促进氧还原的催化剂发挥作用。另外,还公开了在该催化剂形成过程中,铁也一并具有使碳系晶体的结晶化得以促进的催化功能。另外,在非专利文献2中,也公开了一种可以作为催化剂发挥作用的碳系晶体。具体地说,首先,使用还原剂对氧化石墨烯、氯化铁和石墨状氮化碳(g-C3N4)的混合物中的氧化石墨烯进行化学还原,从而生成石墨烯。进而在氩气气氛下,于800℃、2小时的条件下对该混合物进行加热,从而得到含有铁和氮的碳系晶体。而且公开了该碳系晶体作为促进氧还原反应的催化剂发挥作用。这样的催化剂为了充分发挥催化活性,需要增大每1片构成碳系晶体的石墨烯片材的面积,从而使反应活性中心的数量增多。另外,还需要对每1片构成碳系晶体的石墨烯片材掺杂更多的铁和氮。因此,以往在碳系晶体的制造时,或者提高不活泼气体中的加热温度,或者延长加热时间。另外,在专利文献1以及非专利文献3中,作为提高在碳载体上担载金属络合物的催化剂的活性的对策,公开了一种使金属络合物高度分散于载体表面的方法。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2006-035186号公报非专利文献非专利文献1:Carbon,Vol.48,No.9.(02August2010),pp.2613-2624非专利文献2:Chem.Mater.,2011.vol.23,pp.3421-3428非专利文献3:J.PowerSources2011,Vol.196,pp.2519-2529
技术实现思路
这样一来,与以往相比,用于电极的催化剂的催化活性得以提高。然而,为了使采用这种催化剂的燃料电池作为要求高能量密度的便携式计算机和移动用通信设备、汽车等的电源而实用化,要求催化活性的进一步提高。另外,在现有技术文献所记载的方法中,催化剂的活性中心的结构保持不变地使活性中心的密度发生变化。也就是说,在现有技术文献所记载的方法中,由于并没有对催化剂的活性中心加以控制,因而难以根本性地提高催化活性。本专利技术是鉴于这样的现有技术所具有的课题而完成的。而且本专利技术的目的在于:提供催化活性高、且能够容易地进行制造的碳系材料、含有该碳系材料的电极催化剂和电极、具有该电极的电化学装置和燃料电池、以及该碳系材料的制造方法。为了解决上述的课题,本专利技术的第一方式涉及一种碳系材料,其含有:石墨或者无定形碳粒子;非金属原子,其掺杂于石墨或者无定形碳粒子中,且为选自氮原子、硼原子、硫原子以及磷原子之中的至少1种;以及金属原子,其掺杂于石墨或者无定形碳粒子中。而且金属原子和非金属原子之间的原子间距为以下。本专利技术的第二方式涉及一种碳系材料的制造方法,其具有将化合物和碳源原料进行混合的工序,其中,所述化合物含有选自氮原子、硼原子、硫原子以及磷原子之中的至少1种非金属原子和与非金属原子形成配位键的金属原子,所述碳源原料含有石墨和无定形碳粒子之中的至少1种。再者,碳系材料的制造方法还具有将该化合物和碳源原料的混合物在800℃~1000℃下加热的工序。附图说明图1是表示本实施方式的燃料电池的构成的一个例子的剖视图。图2是表示本实施方式的气体扩散电极的一个例子的剖视图。图3是表示本实施方式的碳系材料的制造工序的流程图。图4是表示对于各实施例的碳系材料,在使用0.5MH2SO4水溶液作为电解液时的伏安图的曲线图。图5是表示对于各实施例的碳系材料,在使用0.1MNaOH水溶液作为电解液时的伏安图的曲线图。图6是表示从由各实施例的碳系材料得到的Fe的K边EXAFS(扩展X射线吸收精细结构)谱导出的径向分布函数(radialdistributionfunction)的曲线图。图7A是表示对于各实施例的碳系材料,由XPS测定得到的谱的曲线图。图7B是为了容易理解图7A所示的各谱,将由各实施例得到的谱并置(offset)表示的曲线图。具体实施方式以下一面参照附图,一面就本实施方式的碳系材料、电极催化剂、电极、电化学装置、燃料电池以及碳系材料的制造方法进行说明。此外,以下说明的实施方式均示出了优选的一个具体例子。另外,以下的实施方式所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接形态等为一个例子,并不是限定本实施方式的主旨。[1.燃料电池的构成]首先,使用图1和图2,就具有本实施方式的碳系材料的燃料电池的构成进行说明。图1是表示本实施方式的燃料电池的构成的一个例子的剖视图。此外,在该图中,也图示出了与该燃料电池连接时要供给电流的负载。图2是表示本实施方式的气体扩散电极的一个例子的剖视图。燃料电池1具有后述的碳系材料作为电极催化剂。该燃料电池1是能够放电的一次电池,例如包括固体高分子型燃料电池(PEFC)和磷酸型燃料电池(PAFC)之类的氢燃料电池、以及微生物燃料电池(MFC)。氢燃料电池是通过水的电解的逆反应而由氢和氧获得电能的燃料电池,为人所知的有PEFC、PAFC、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体电解质型燃料电池(SOFC)等。本实施方式的燃料电池1优选为PEFC或者PAFC。PEFC是将质子传导性离子交换膜作为电解质材料的燃料电池,PAFC是将浸渍于基体层中的磷酸(H3PO4)作为电解质材料的燃料电池。这样的燃料电池1如图1所示,例如具有电解液11(电解质材料)。另外,燃料电池1具有阳极12(燃料极、负极或者“-”极)、和阴极13(空气极、正极或者“+”极)。阳极12是通过氧生成反应而使电子向负载2释放的电极。另外,阴极13是通过氧还原反应而使电子从负载2流入的电极。在本实施方式中,阴极13以气体扩散电极的方式构成,具有后述的碳系材料。具体地说,该碳系材料作为电极催化剂含在阴极13中。气体扩散电极可以优选适用于氢燃料电池以及MFC等的电极。本实施方式的燃料电池1具有阴极13,进而阴极13为具备含有碳系材料的电极催化剂的气体扩散电极,除此以外,只要具有公知的构成即可。例如,燃料电池1可以具有“燃料電池の技術”,電気学会燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編,オーム社,H17、以及Watanabe,K.,J.Biosci.Bioeng.,2008,.106:528-536中记载的构成。此外,在上述的说明中,阴极13以气体扩散电极的本文档来自技高网
...
碳系材料、电极催化剂、电极、电化学装置、燃料电池以及碳系材料的制造方法

【技术保护点】
一种碳系材料,其含有:石墨或者无定形碳粒子;非金属原子,其掺杂于所述石墨或者所述无定形碳粒子中,且为选自氮原子、硼原子、硫原子以及磷原子之中的至少1种;以及金属原子,其掺杂于所述石墨或者所述无定形碳粒子中;而且所述金属原子和所述非金属原子之间的原子间距为以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.20 JP 2014-1272821.一种碳系材料,其含有:石墨或者无定形碳粒子;非金属原子,其掺杂于所述石墨或者所述无定形碳粒子中,且为选自氮原子、硼原子、硫原子以及磷原子之中的至少1种;以及金属原子,其掺杂于所述石墨或者所述无定形碳粒子中;而且所述金属原子和所述非金属原子之间的原子间距为以下。2.根据权利要求1所述的碳系材料,其中,所述非金属原子的X射线光电子能谱中的归属于掺杂成石墨状的非金属原子的成分为掺杂的整个非金属原子的10%以上且低于50%。3.根据权利要求1或2所述的碳系材料,其中,所述非金属原子包含氮原子,所述金属原子包含铁原子和钴原子之中的至少一种。4.根据权利要求1或2所述的碳系材料,其中,在所述金属原子包含铁原子的情况下,所述碳系材料的X射线光电子能谱中的Fe2p(3/2)谱的峰顶低于710eV。5.根据权利要求1~4中任一项所述的碳系材料,其通过对化合物和碳源原料的混合物在800℃~1000℃的温度下进行加热而制作,所述化合物含有所述非金属原子、与所述非金属原子配位的所述金属原子、以及选自卟啉环以及酞菁环之中的至少一种,...

【专利技术属性】
技术研发人员:釜井亮郑豪林隆夫
申请(专利权)人:松下电器产业株式会社
类型:发明
国别省市:日本;JP

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1