多孔碳催化劑、其生產(chǎn)方法、電極及電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多孔碳催化劑及其生產(chǎn)方法以及電極和電池。
【背景技術(shù)】
[0002]到目前為止例如在專利文獻1中公開了通過煅燒含有聚丙烯腈的多孔體獲得經(jīng)煅燒的多孔體。
[0003]引用列表
[0004]專利文獻
[0005][專利文獻1]W0 2011/138937 A1
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]技術(shù)問題
[0007]然而，在專利文獻1中，并沒有公開顯示出優(yōu)異的催化活性的多孔碳催化劑。
[0008]本發(fā)明是基于上述問題提出的，本發(fā)明的一個目的是提供顯示出優(yōu)異的催化活性的多孔碳催化劑及其生產(chǎn)方法以及電極和電池。
[0009]問題的解決方案
[0010]用于實現(xiàn)所述目的的根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的生產(chǎn)多孔碳催化劑的方法包括使具有內(nèi)部包含金屬的骨架的有機聚合物多孔體碳化。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供生產(chǎn)顯示出優(yōu)異的催化活性的多孔碳催化劑的方法。
[0011 ] 在該方法中，該有機聚合物多孔體可以通過在包含有機聚合物和所述金屬的溶液中析出而形成。
[0012]用于實現(xiàn)所述目的的根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的多孔碳催化劑是通過使具有內(nèi)部包含金屬的骨架的有機聚合物多孔體碳化獲得的。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供顯示出優(yōu)異的催化活性的多孔碳催化劑。
[0013]對于所述多孔碳催化劑，該有機聚合物多孔體可以通過在包含有機聚合物和所述金屬的溶液中析出而形成。
[0014]用于實現(xiàn)所述目的的根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的多孔碳催化劑具有內(nèi)部包含金屬的骨架。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供顯示出優(yōu)異的催化活性的多孔碳催化劑。
[0015]此外，該多孔碳催化劑可以通過使具有內(nèi)部包含所述金屬的骨架的有機聚合物多孔體碳化而獲得。此外，在該多孔碳催化劑中，該骨架可以是顆粒聚集體狀的骨架。
[0016]用于實現(xiàn)所述目的的根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的電極包括任一種上述多孔碳催化劑。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供包括顯示出優(yōu)異的催化活性的多孔碳催化劑的電極。
[0017]用于實現(xiàn)所述目的的根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的電池包括所述電極。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供包括顯示出優(yōu)異的催化活性的多孔碳催化劑的電池。
[0018]本發(fā)明的有益效果
[0019]根據(jù)本發(fā)明的實施方案提供顯示出優(yōu)異的催化活性的多孔碳催化劑及其生產(chǎn)方法以及電極和電池。
【附圖說明】
[0020]圖1A是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例1中的多孔碳催化劑利用掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果的一個例子的說明圖。
[0021]圖1B是顯示圖1A的一部分的放大的說明圖。
[0022]圖2A是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例1中的多孔碳催化劑利用掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果的另一個例子的說明圖。
[0023]圖2B是顯示圖2A的一部分的放大的說明圖。
[0024]圖3A是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例1中的多孔碳催化劑利用掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果的再一個例子的說明圖。
[0025]圖3B是顯示圖3A的一部分的放大的說明圖。
[0026]圖4A是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例1中的多孔碳催化劑利用掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果的再一個例子的說明圖。
[0027]圖4B是顯示圖4A的一部分的放大的說明圖。
[0028]圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例1中的多孔碳催化劑利用透射電子顯微鏡的觀察結(jié)果的一個例子的說明圖。
[0029]圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例1中的多孔碳催化劑的催化活性的評價結(jié)果的一個例子的說明圖。
[0030]圖7A是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例2中的多孔碳催化劑利用掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果的一個例子的說明圖。
[0031]圖7B是顯示圖7A的一部分的放大的說明圖。
[0032]圖8A是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例2中的多孔碳催化劑利用掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果的另一個例子的說明圖。
[0033]圖8B是顯示圖8A的一部分的放大的說明圖。
[0034]圖9A是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例2中的多孔碳催化劑利用掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果的再一個例子的說明圖。
[0035]圖9B是顯示圖9A的一部分的放大的說明圖。
[0036]圖10是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例2中的多孔碳催化劑的催化活性的評價結(jié)果的一個例子的說明圖。
[0037]圖11是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的實施例3中的多孔碳催化劑的催化活性的評價結(jié)果的一個例子的說明圖。
【具體實施方式】
[0038]下面描述本發(fā)明的實施方案。應(yīng)當注意，本發(fā)明不應(yīng)被限制于在這些實施方案中描述的實施例。
[0039]首先，對根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的多孔碳催化劑(下面稱作“本發(fā)明的催化劑”)進行概括性描述。本發(fā)明的催化劑是多孔碳催化劑。換而言之，本發(fā)明的催化劑是具有多孔結(jié)構(gòu)的碳催化劑。更具體而言，本發(fā)明的催化劑具有以在內(nèi)部形成多個孔的方式三維形成的骨架。該骨架包括通過使后述的有機聚合物多孔體碳化而形成的碳結(jié)構(gòu)。此外，本發(fā)明的催化劑的多孔結(jié)構(gòu)并不是諸如具有閉孔的發(fā)泡成型體的具有在其中形成的閉孔的多孔結(jié)構(gòu)，而是具有在其中形成的貫通孔的多孔結(jié)構(gòu)。
[0040]本發(fā)明的催化劑例如是具有0.45以上的孔隙率的多孔碳催化劑。本發(fā)明的催化劑的孔隙率例如可為0.50以上、0.55以上、0.60以上或0.65以上。本發(fā)明的催化劑的孔隙率的上限值沒有特別的限制，其條件是該上限值小于1.0，但例如可為0.95以下。
[0041]本發(fā)明的催化劑的孔隙率可以落入由任一個上述下限值和任一個上述上限值確定的范圍內(nèi)。應(yīng)當注意，本發(fā)明的催化劑的孔隙率是基于本發(fā)明的催化劑的真密度(g/cm3)和松密度(g/cm3)的測量結(jié)果由下式計算出的:
[0042]孔隙率=1 -(松密度/真密度)
[0043]此外，本發(fā)明的催化劑顯示出催化活性。換而言之，本發(fā)明的催化劑例如是在其表面上沒有承載著金屬催化劑(例如貴金屬催化劑，如鉑)的情況下自身顯示出催化活性的碳化材料。
[0044]作為催化活性，本發(fā)明的催化劑例如顯示出氧還原活性。本發(fā)明的催化劑的氧還原活性例如是基于氧還原起始電位評價的。氧還原起始電位例如是基于顯示通過使用包括涂布有本發(fā)明的催化劑的工作電極的旋轉(zhuǎn)圓環(huán)圓盤電極裝置掃描施加電位獲得的電壓與電流密度之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)(氧還原伏安圖)作為流過-10 μ A/cm2的還原電流時的電壓(eo2)確定的。
[0045]下面詳細描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的生產(chǎn)多孔碳催化劑的方法(下面稱作“本發(fā)明的方法”)和本發(fā)明的催化劑。本發(fā)明的方法包括使具有內(nèi)部包含金屬的骨架的有機聚合物多孔體碳化。在此情況下，本發(fā)明的催化劑是通過使該具有內(nèi)部包含金屬的骨架的有機聚合物多孔體碳化而獲得的多孔碳催化劑。
[0046]該有機聚合物多孔體是具有多孔結(jié)構(gòu)的有機聚合物基體。更具體而言，該有機聚合物多孔體是由有機聚合物形成的多孔體，該多孔體具有以在內(nèi)部形成多個孔的方式三維形成的骨架。該骨架包含用作有機聚合物多孔體的原料的有機聚合物。
[0047]構(gòu)成該有機聚合物多孔體的有機聚合物沒有特別的限制，其條件是該有機聚合物能夠被碳化。該有機聚合物例如可以包括均聚物或共聚物。
[0048]具體而言，該有機聚合物例如可以包括選自由以下組成的組的一種以上:丙烯酸系聚合物、乙烯基系聚合物、烯烴系聚合物、酯系聚合物、氨基甲酸酯系聚合物、聚碳酸酯和天然聚合物。
[0049]丙烯酸系聚合物例如可以是選自由以下組成的組的一種以上:丙烯酸系聚合物、甲基丙烯酸系聚合物、丙烯腈系聚合物和丙烯酰胺系聚合物。
[0050]丙烯酸系聚合物例如可以是丙烯酸和丙烯腈的共聚物。此外，丙烯酸系聚合物例如可以是丙烯酸酯系聚合物。丙烯酸酯系聚合物例如可以是丙烯酸酯和丙烯腈的共聚物。
[0051]甲基丙烯酸系聚合物例如可以是甲基丙烯酸和丙烯腈的共聚物。此外，甲基丙烯酸系聚合物例如可以是甲基丙烯酸酯系聚合物。甲基丙烯酸酯系聚合物例如可以是甲基丙烯酸酯和丙烯腈的共聚物。
[0052]丙烯腈系聚合物例如可以是選自由以下組成的組的一種以上:聚丙烯腈、丙烯腈和丙烯酸的共聚物、丙烯腈和丙烯酸酯的共聚物、丙烯腈和甲基丙烯酸的共聚物以及丙烯腈和甲基丙烯酸酯的共聚物。
[0053]丙烯酰胺系聚合物例如可以是選自由以下組成的組的一種以上:聚丙烯酰胺、丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物、丙烯酰胺和丙烯酸酯的共聚物、丙烯酰胺和甲基丙烯酸的共聚物以及丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯的共聚物。
[0054]乙烯基系聚合物例如可以是選自由以下組成的組的一種以上:聚乙烯醇和聚偏氟乙烯。烯烴系聚合物例如可以是選自由以下組成的組的一種以上:各自具有3至10個碳原子的聚烯烴(如聚乙烯和聚丙烯)、兩種以上各自具有3至10個碳原子的烯烴的共聚物以及具有3至10個碳原子的烯烴與不同于該烯烴的單體(如丙烯酸系單體或乙烯基系單體)的共聚物。此外，烯烴系聚合物可以是結(jié)晶的。
[0055]酯系聚合物例如可以是聚酯系聚合物。聚酯系聚合物例如可以是聚乳酸。氨基甲酸酯系聚合物例如可以是聚氨酯。天然聚合物例如可以是選自由以下組成的組的一種以上:纖維素系聚合物(如纖維素)和蛋白質(zhì)(如蠶絲)。
[0056]該有機聚合物例如可以包括含氮的有機聚合物。該含氮的有機聚合物沒有特別的限制，其條件是該含氮的有機聚合物在其分子內(nèi)包含一個以上的氮原子并且能夠被碳化。
[0057]該有機聚合物例如可以包括選自由以下組成的組的一種以上:丙烯酸系聚合物、乙烯基系聚合物、烯烴系聚合物、酯系聚合物、氨基甲酸酯系聚合物、聚碳酸酯和天然聚合物；及包括含氮的有機聚合物。在此情況下，在該有機聚合物中所含的選自上述組的一種以上可以包括含氮的有機聚合物，或者該有機聚合物可以包括除了所述選自上述組的一種以上以外的含氮的有機聚合物。
[0058]該