包含杂原子的中孔碳、其制造方法及使用该中孔碳的燃料电池技术

提供包含硼和磷中至少一种杂原子的中孔碳、其制造方法以及使用该中孔碳的燃料电池。中孔碳包含杂原子例如硼和磷以降低薄层电阻，从而可有效地传送电能。这样的中孔碳可用作用于燃料电池的电极的导电材料。当中孔碳用作电极催化剂的载体时，包含该载体的载体催化剂可用于制造具有高效率的燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
包含杂原子的中孔碳、其制造方法及使用该中孔碳的燃料电池
本专利技术涉及包含杂原子的中孔碳、其制造方法及使用该中孔碳的燃料电池，并且更特别地涉及由于杂原子而具有降低的薄层电阻的中孔碳，其制造方法和使用该中孔碳作为催化剂载体的燃料电池。
技术介绍
包含在燃料电池的电极中促进电化学反应的催化剂起重要作用，因此，用于电极中的催化剂的活性应当尽可能高。因为当催化剂的反应表面积增大时，催化剂的活性增加，所以催化剂颗粒应当减小直径以增大反应表面积，并均匀地分布在电极中。催化剂载体具有大的表面积，且因而已经进行了许多关于催化剂载体的研究。同时，除可通过高孔隙率得到的大表面积外，用于燃料电池的催化剂载体必须具有导电性以起到用于电子流动的路径的作用。这样的载体的常规例子是无定形多微孔碳粉，例如活性炭或炭黑和规则排列的碳分子筛材料(韩国专利公开公报第2001-0001127号)。然而，已知这样的无定形多微孔碳粉的微孔连接差。因此，在常规的直接甲醇燃料电池(DMFC)中，用无定形多微孔碳粉作为载体制备的载体催化剂显示出比金属颗粒自身用作催化剂低得多的反应性。然而，当金属颗粒自身用作催化剂时，所需催化剂的量较大，从而DMFC的制造成本增加。因此，迫切需要开发可改善催化剂活性的载体催化剂。
技术实现思路
本专利技术提供具有降低的薄层电阻的中孔碳，以及制备该中孔碳的方法。本专利技术还提供包含该中孔碳的载体催化剂，以及通过使用载体催化剂而具有改善的效率的燃料电池。根据本专利技术的一个方面，提供包含杂原子的中孔碳，杂原子具有中孔并包含硼和磷中至少一种杂原子。-->以100重量份的中孔碳为基准，杂原子的量为0.5到20重量份。根据本专利技术的另一方面，提供制备包含杂原子的中孔碳的方法，其包括：混合碳前体、含杂原子的化合物、酸和溶剂以得到碳前体混合物；用碳前体混合物浸渍有序中孔氧化硅(OMS)；热处理已浸渍的OMS；使热处理过的OMS碳化；和从碳化产物中除去OMS。根据本专利技术的另一方面，提供载体催化剂，其包括：包含杂原子的中孔碳；以及负载在包含杂原子的中孔碳上的金属催化剂颗粒。根据本专利技术的另一方面，提供包括阴极、阳极以及插入阴极和阳极之间的电解质膜的燃料电池，其中阴极和阳极中至少一个包括含杂原子的中孔碳；以及具有负载在包含杂原子的中孔碳上的金属催化剂颗粒的载体催化剂。附图说明通过参照附图详细描述其示例性的实施方式，本专利技术的上述及其它特点和优点将变得更明显，其中：图1是说明根据本专利技术实施方式制备中孔碳的方法的示意图；图2是说明根据本专利技术实施方式制备中孔碳的方法的流程图；图3是说明在实施例1到3和比较例1中制备的中孔碳的薄层电阻测量结果的图；图4是说明在实施例1到3和比较例1中制备的中孔碳的X射线衍射分析结果的图；图5是说明在实施例4到7和比较例1中制备的中孔碳的薄层电阻测量结果的图；和图6是说明在实施例4到7和比较例1中制备的中孔碳的X射线衍射分析结果的图。具体实施方式以下将更详细地描述本专利技术。根据本专利技术实施方式包含硼和磷中至少一种杂原子的中孔碳显示了降低的薄层电阻。图1是说明根据本专利技术实施方式制备中孔碳的方法的示意图。-->参照图1，将碳前体和包含杂原子的化合物引入有序中孔氧化硅(OMS)模板中。将所得物热处理并碳化以形成OMS-碳复合物。其中，因为规则排列的孔，所以OMS具有2度或更小的X射线衍射峰。然后，从OMS-碳复合物中除去OMS以得到包含杂原子的有序中孔碳。现在参照图2详细描述根据本专利技术实施方式制备中孔碳的方法。混合碳前体、包含杂原子的化合物、酸和溶剂以得到碳前体混合物。包含杂原子的化合物可以包括H3BO3、H3PO4、HBO2、H2B4O7、B10H14、Na2B4O7、NaBO3·H2O、水合NaBO2、水合BPO4、H3PO2、NaPO3、Na3PO4、水合NaH2PO2、Na5P3O10和Na2HPO3中的至少一种。以100重量份的碳前体为基准，包含杂原子的化合物的量可以在0.5到25重量份的范围内。当包含杂原子的化合物的量少于0.5重量份时，添加的杂原子具有很小的效果。当包含杂原子的化合物的量大于25重量份时，难于形成中孔碳结构。碳前体可以是包括蔗糖的碳水化合物、糠醇、二乙烯基苯、苯酚-甲醛、间苯二酚-甲醛、芬芳化合物例如菲、蒽和苯中的一种。用于制备前体混合物的酸可以是有机酸或无机酸。酸的例子包括硫酸、硝酸、磷酸和对甲苯磺酸。用于制备前体混合物的溶剂可以是任何可均匀分散碳前体的溶剂。更特别地，溶剂可以是水、丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、丁醇、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、N-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃、四丁基乙酸酯、乙酸正丁酯、间-甲酚(m-crezole)、甲苯、乙二醇、γ-丁内酯、六氟异丙醇(HFIP)等。这些材料可单独或组合使用。在碳前体混合物中，以100重量份碳前体混合物为基准，碳前体的量可以在5到40重量份的范围内。当碳前体的量少于5重量份时，不足以形成中孔碳。当碳前体的量大于40重量份时，碳前体不能充分溶解在溶剂中，并且颗粒非常可能团聚，从而降低表面积的大小。以100重量份碳前体为基准，酸的量可以在5到400重量份的范围内。当酸量少于5重量份时，难于促进中孔碳的产生。另一方面，当酸量大于400重量份时，甚至在OMS外促进碳材料的形成，从而降低有序度。在碳前体混合物中，以100重量份碳前体为基准，溶剂的量可以在100到500重量份的范围内。当溶剂的量少于100重量份时，碳前体不能充分-->溶解在溶剂中。当溶剂的量大于500重量份时，颗粒非常可能团聚。用上述制备的碳前体混合物浸渍OMS。然后，将所得物热处理并碳化以形成OMS-碳复合物。OMS可以具有分子筛材料结构，使得一维的孔通过微孔相互连接，但不限于此。更特别地，OMS可以是具有立方结构的MCM-48、具有另一种立方结构的SBA-1、具有六方结构的SBA-15、KIT-1、MSU-1等，所有这些都具有三维连接结构。此外，OMS可以是包含构造使得一维孔通过微孔相互连接的任何类型中孔材料的任何类型分子筛。以100重量份碳前体混合物为基准，用碳前体混合物浸渍的OMS的量可以在0.5到15重量份的范围内。当OMS的量少于0.5重量份时，前体混合物的量过高。结果在浸渍后，颗粒非常可能团聚，以致于中孔碳的表面积降低。当OMS的量大于15重量份时，前体的量相对低，以致于无法在氧化硅的孔中充分形成碳结构。浸渍温度没有特别限制，但可以是室温。如果必要，可以干燥浸渍的前体混合物。干燥温度没有特别限制，但可以是室温。此外，为了快速干燥，干燥过程可以在减压下进行。可以在50到250℃下进行热处理。当热处理温度低于50℃时，中孔碳的结构可不正常地形成。当热处理温度高于250℃时，将形成的中孔碳的均匀性可降低。或者，可以将热处理分为第一热处理和第二热处理。例如，可以在约50到约150℃下进行第一热处理，以及可以在约150到约250℃下进行第二热处理。通过热处理，形成中孔碳结构，并且完全除去液态溶剂等。虽然上述过程仅需进行一次然后碳化，但上述过程可以重复进行两到十次。即，用前面制备的前体混合物浸渍热处理产物，然后进行热处理的过程可重复进行，或者可以随后使前体混合物碳化。当没有重复浸本文档来自技高网...

【技术保护点】
包含杂原子的中孔碳，该中孔碳具有中孔并包括选自硼和磷的至少一种杂原子。

【技术特征摘要】
KR 2005-11-29 115057/051、包含杂原子的中孔碳，该中孔碳具有中孔并包括选自硼和磷的至少一种杂原子。2、如权利要求1所述的中孔碳，其中以100重量份中孔碳为基准，杂原子的量为0.5到20重量份。3、如权利要求1所述的中孔碳，其中中孔的平均直径为2到15nm，该中孔碳具有300到2000m2/g的比表面积，并且该中孔碳在150.8±3.0kgf/cm2的压力下具有20到60mΩ/cm2的薄层电阻。4、如权利要求1所述的包含杂原子的中孔碳，其中对于CuK-α特征X射线波长为1.541的布拉格2theta(2θ)的主峰出现在至少0.5到1.5度之间。5、制备包含杂原子的中孔碳的方法，该方法包括：混合碳前体、包含杂原子的化合物、酸和溶剂以得到碳前体混合物；用该碳前体混合物浸渍有序中孔氧化硅(OMS)；热处理已浸渍的OMS；使热处理的OMS碳化；和从碳化产物中除去OMS。6、如权利要求5所述方法，其中包含杂原子的化合物包括选自H3BO3、H3PO4、HBO2、H2B4O7、B10H14、Na2B4O7、NaBO3·H2O、水合NaBO2、水合BPO4、H3PO2、NaPO3、Na3PO4、水合NaH2PO2、Na5P3O10、Na2HPO3中的至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴灿镐，朱相熏，张赫，金知晚，李炯益，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]