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技术

本发明专利技术提供了具有改进活性的碳催化剂。所述碳催化剂通过以下步骤得到：(S1)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制备碳化材料；(S2)用金属浸渍所述碳化材料；和(S3)加热所得产物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及碳催化剂、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。
技术介绍
钼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，钼的使用造成成本增高，并且钼的储备是有限的。此外，在空气电池中，钼的使用造成与上述相同方式的成本增高，并且因钼造成化学反应如电解质溶液的分解。因此，钼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I中描述的碳催化剂作为钼的替代催化剂。现有技术文件专利文献JP 2008-282725A
技术实现思路
但是，使用常规碳催化剂的燃料电池与使用钼催化剂的燃料电池相比，性能不足。根据所述问题形成本专利技术。本专利技术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，在本专利技术的一个实施方案的碳催化剂中，在150°C -400°C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。根据本专利技术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. Olmmol或更大，并且二氧化碳的脱附量可以为0. OSmmoI或更大。通过以下步骤得到为了实现该目的的本专利技术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；用金属浸溃所述碳化材料；和对含金属的碳化材料进行热处理。根据本专利技术提供了具有改进活性的碳催化剂。为了实现该目的的本专利技术的一个实施方案中的电极包括所述碳催化剂中的任一种。根据本专利技术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专利技术的一个实施方案中的电池包括所述碳催化剂中的任一种。根据本专利技术提供了电池，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专利技术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；用金属浸溃所述碳化材料的金属浸溃步骤；和对浸溃有金属的碳化材料进行热处理的热处理步骤。根据本专利技术提供了制备具有改进活性的碳催化剂的方法。此外，所述金属浸溃步骤可包括用不同于所述原料中的金属的金属浸溃所述碳化材料。此外，所述热处理步骤可包括在30(TC或更高的温度下加热所述碳化材料。为了实现该目的的本专利技术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。根据本专利技术提供了具有改进活性的碳催化剂。根据本专利技术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I是根据本专利技术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是根据本专利技术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是根据本专利技术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是根据本专利技术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是根据本专利技术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是根据本专利技术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。具体实施例方式以下描述本专利技术的一个实施方案。应注意本专利技术不限于该实施方案中所描述的不例。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“本专利技术的制备方法”)。图I是本专利技术的一个示例性制备方法中的主要步骤的示意图。如图I所示，本专利技术的制备方法包括碳化步骤SI、金属浸溃步骤S2和热处理步骤S3。在碳化步骤SI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。此外，例如与金属配位的配体可优选用作所述有机化合物。也就是说，在该情况中，使用在其分子中包含一个或多个配体原子的有机化合物。更具体地，例如，可使用在其分子中包含一种或两种或更多种选自氮原子、磷原子、氧原子和硫原子中的原子作为配体原子的有机化合物。例如，还可使用在其分子中包含一种或两种或更多种选自氨基、膦基、羧基和巯基的基团作为配体基团的有机化合物。特别地，例如可将选自吡咯、乙烯基吡啶、咪唑、2-甲基咪唑、苯胺、聚砜、聚氨基双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚苯并咪唑、聚酰胺、聚醚、聚醚醚酮、纤维素、木质素、甲壳质、壳聚糖、丝、羊毛、聚氨基酸、核酸、DNA、RNA、肼、酰肼、脲、离子聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸、酚醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚酰胺酰亚胺树脂和聚丙烯腈中的一种或两种或更多种用作所述有机化合物。所述有机化合物还可包含例如选自硼、磷、氧和硫中的一种或两种或更多种作为改进通过本专利技术方法制备的碳催化剂活性的组分。对所述原料中的金属没有特别限制，只要所述金属不抑制通过本专利技术的制备方法制备的碳催化剂的活性，并且可使用任意一种或两种或更多种的金属。所述金属可以是例如选自元素周期表中的3族-16族中的一种或两种或更多种。也就是说，可使用选自元素周期表中的3A族(3族)元素、4A族(4族)元素、5A族(5族)元素、6A族(6族)元素、7A族(7族)元素、8族(8、9和10族)元素、IB族(11族)元素、2B族(12族)元素、3B族(13族)元素、4B族(14族)元素、5B族(15族)元素和6B族(16族)元素中的一种或两种或更多种。此外，例如可优选将过渡金属(属于元素周期表中的3-12族)用作所述金属。此夕卜，可优选将属于元素周期表的3-12族的第4周期的金属用作所述过渡金属。具体地，例如可优选使用选自钪(Sc)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、钇(Y)、锆(Zr)、铌(Nb)、钥(Mo)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、镧系(如铈(Ce))和锕系中的一种或两种或更多种，可更优选使用选自锰、铁、钴、镍和铜中的一种或两种或更多种。所述金属可以简单的金属物质或金属化合物的形式使用。例如可将金属盐、金属氧化物、金属氢氧化物、金属氮化物、金属硫化物、金属碳化物或金属络合物用作所述金属化合物。其中，可优选使用金属盐、金属氧化物、金属硫化物或金属络合物。应注意，当将配体用作所述有机化合物时，在所述原料中形成金属络合物。对所述原料中的导电性碳材料没有特别限制，只要所述材料向通过本专利技术的制备方法制备的碳催化剂赋予导电性或改进所述碳催化剂的导电性，并且可使用任意一种或两种或更多种的材料。也就是说，例如可将本身具有导电性但不具有催化活性的碳材料用作所述导电性碳材料。具体地，例如，可使用选自炭黑、碳纳米管、碳纳米角、碳纤维、碳纤丝和石墨粉末中的一种或两种或更多种。例如，使用那些导电性碳材料可增加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：岸本武亮，今田三纪子，尾崎纯一，
申请(专利权)人：国立大学法人群马大学，日清纺控股株式会社，
类型：发明
国别省市：