專利名稱：間孔碳及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及間孔碳(mesoporous carbon)及其制備方法，更具體地，本發(fā)明涉及適合作為有效導(dǎo)電材料的具有低平面電阻率(plane resistance)的間孔碳及其制備方法。
背景技術(shù)：
環(huán)境問題變得日益嚴(yán)重，燃料電池是一種清潔的能源，它可以用來代替化石燃料而受到較多的關(guān)注。因此，對于燃料電池的研究正在增加。
一組燃料電池形成發(fā)電系統(tǒng)，其中通過燃料例如氫氣、天然氣或甲醇與氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生直流電。通常，燃料電池包括電化學(xué)氧化所供應(yīng)燃料的陽極(燃料電極)，電化學(xué)還原氧化劑的陰極(空氣電極)，以及電解質(zhì)膜，該電解質(zhì)膜充當(dāng)陽極產(chǎn)生的離子流向陰極的通道并置于陽極和陰極之間。陽極上燃料氧化反應(yīng)的結(jié)果產(chǎn)生了電子。電子傳輸經(jīng)過外電路，然后回到陰極參與氧化劑的還原反應(yīng)。
在具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池中，包含在陰極和陽極中促進電化學(xué)反應(yīng)的催化劑起著非常重要的作用，因此，應(yīng)該增加電極中使用的催化劑的活性。由于催化劑的活性隨著催化劑反應(yīng)表面積的增加而增加，因此催化劑顆粒的直徑應(yīng)該降低至數(shù)個納米(nm)，以增加均勻分布在電極中的反應(yīng)表面積。通過獲得具有大表面積的負(fù)載的催化劑(supported catalyst)可以實現(xiàn)這些要求。因此，已經(jīng)對具有大表面積的負(fù)載的催化劑進行了大量研究。
同時，除了可以通過高孔隙率獲得的大表面積之外，燃料電池催化劑的載體必須具有電導(dǎo)性，以便擔(dān)當(dāng)電子流的通道。燃料電池催化劑的載體的常規(guī)實例是無定形微孔碳粉，例如活性炭和碳黑。
無定形微孔碳粉通常是通過化學(xué)和/或物理活化木材、泥煤、木炭、煤、褐煤、棕櫚樹皮、石油焦等形成的。使用上述材料制備的活性炭可具有約1nm或更小直徑的孔隙和約60-1000m2/g的表面積。更具體地，可購買的Vulcan和Ketjen Black的比表面積分別為約230m2/g和約800m2/g，它們的初級粒子的大小為100nm或更小。
然而，眾所周知，這些無定形微孔碳顆粒的微孔連接差。因此，在常規(guī)的直接甲醇燃料電池(DMFC)中，使用無定形微孔碳粉作為載體而制備的負(fù)載的催化劑表現(xiàn)出比金屬顆粒本身用作催化劑低得多的反應(yīng)活性。但是，當(dāng)金屬本身用作催化劑時，需要的催化劑量較大，從而DMFC的制造成本增加。因此，需要發(fā)展促進催化劑活性的負(fù)載的催化劑，從而還需要發(fā)展改進的碳載體。
為止，可以使用在韓國專利申請公開(Korean Laid-Open Publication)2001-1127中披露的間孔碳分子篩。該韓國公開披露使用間孔硅石分子篩由納米復(fù)制(nano-replication)制備有序間孔碳分子篩的方法，所述間孔硅石分子篩是使用表面活性劑作為模板(template)材料制備的。更具體地，基于納米復(fù)制技術(shù)，使用間孔通過微孔三維連接的有序間孔硅石分子篩(例如“MCM-48”、“SBA-1”或“SBA-15”)作為模板制備新型有序的間孔碳分子篩，該間孔碳分子篩中具有預(yù)定直徑的微孔和間孔是規(guī)則排列的。
然而，由于發(fā)展至今的間孔碳分子篩具有相當(dāng)高的平面電阻，它們在電化學(xué)裝置例如燃料電池中的應(yīng)用受到限制。因此，需要發(fā)展具有低平面電阻率以增加導(dǎo)電性的碳分子篩。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了具有非常低平面電阻率的間孔碳，獲得該平面電阻率沒有犧牲其它物理性能，從而獲得高的電導(dǎo)率并可以用作電極形成材料(electrode forming material)。
本發(fā)明還提供了制備所述間孔碳的方法。
本發(fā)明還提供了含有間孔碳作為載體的負(fù)載的催化劑。
本發(fā)明還提供了包括由間孔碳得到的負(fù)載的催化劑的燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了具有間孔的間孔碳，其中該間孔碳的平面電阻率在75.4kgf/cm2的壓力下為250mΩ/cm2或更小，間孔的平均直徑為2-20nm。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了制備間孔碳的方法，該方法包括(a)制備100重量份的前體混合物，該前體混合物含有5-15重量份菲、10-35重量份酸和55-80重量份溶劑；(b)用前體混合物浸漬間孔硅石；(c)熱處理操作(b)的所得物；(d)碳化操作(c)的所得物；以及(e)使用僅能選擇性溶解間孔硅石的溶液除去間孔硅石。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了負(fù)載的催化劑，包括間孔碳；以及分散并負(fù)載在間孔碳上的金屬催化劑顆粒。
根據(jù)本發(fā)明的還有一個方面，提供了燃料電池，包括陰極；陽極；和置于陰極和陽極之間的電解質(zhì)膜，其中陰極和陽極中的至少一個包含所述負(fù)載的催化劑。
通過參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實施方案，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)勢將變得更加顯而易見，其中圖1是說明制備本發(fā)明實施方案的間孔碳的方法的流程圖；圖2是用于測量間孔碳的平面電阻率的裝置的剖面示意圖；圖3是實施例1制備的間孔碳的BET表面分析的結(jié)果示意圖；圖4是實施例1制備的間孔碳的表面積的SEM圖像；以及圖5是在實施例1制備的間孔碳的X-射線衍射分析的結(jié)果示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明實施方案的間孔碳是使用菲作為碳源制備的。在75.4kgf/cm2的壓力下間孔碳的平面電阻率為250mΩ/cm2或更小。間孔碳的間孔的平均直徑為2-20nm。本發(fā)明實施方案的間孔碳的平面電阻率比常規(guī)間孔碳的平面電阻率小30％-80％。本發(fā)明實施方案的間孔碳具有如此低的平面電阻率，可能的原因在于碳化的菲的石墨狀結(jié)構(gòu)(graphite-like structure)。
盡管常規(guī)的無定形微孔碳粉僅包含微孔，但本發(fā)明實施方案的間孔碳粉包括間孔和適當(dāng)比率的微孔。在此，依照國際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(International Union of Pure and Applied Chemistry)(IUPAC)，微孔定義為直徑約2nm或更小的孔隙，而間孔定義為直徑約2-50nm的孔隙。
本發(fā)明實施方案的間孔碳使用平面電阻率、比表面積、初級粒子大小、間孔的平均直徑和X-射線衍射分析出現(xiàn)的峰進行表征。
本發(fā)明實施方案的間孔碳的平面電阻率為250mΩ/cm2或更小，它是使用4點探針法在75.4kgf/cm2的壓力下測量的。
本發(fā)明實施方案的間孔碳的間孔的平均直徑可以為2-20nm。當(dāng)間孔的平均直徑小于2nm時，不能平穩(wěn)進行燃料供給，且催化劑的活性受到限制。當(dāng)間孔的平均直徑大于20nm時，當(dāng)制備催化劑時催化劑顆粒尺寸易于增加，從而催化劑的效率下降。
本發(fā)明實施方案的間孔碳的比表面積可以為300-2000m2/g。當(dāng)間孔碳的比表面積小于300m2/g時，由于比表面積太小難以提高高載量金屬顆粒的分散。當(dāng)間孔碳的比表面積大于2000m2/g時，因為過多的微孔，燃料輸送或傳質(zhì)受到限制，從而催化劑的效率下降。
本發(fā)明實施方案的間孔碳的初級粒子的大小可以為100-500nm。當(dāng)間孔碳的初級粒子的大小小于100nm時，顆粒易于聚結(jié)，從而整個比表面積下降。當(dāng)間孔碳的初級粒子的大小大于500nm時，出現(xiàn)無效傳質(zhì)。
在圖5中示出了本發(fā)明實施方案的間孔碳的X-射線衍射分析結(jié)果，由于孔隙規(guī)則地排列在間孔碳中，在5°或更小的范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個或多個尖峰。也就是說，在間孔碳的X-射線衍射分析結(jié)果示意圖中，主峰出現(xiàn)在2θ介于0.5°和1.5°之間，另外在5°以下出現(xiàn)至少一個峰。
現(xiàn)描述制備本發(fā)明實施方案的間孔碳的方法。
首先，將菲和酸溶解在溶劑中制備前體混合物。此時，基于100重量份總的前體混合物，菲的量可以為5-15重量份，酸的量可以為10-35重量份，溶劑的量可以為55-80重量份。
在本發(fā)明的實施方案中，菲可以用式1表示，且不能用其結(jié)構(gòu)異構(gòu)體蒽代替。
用于制備前體混合物的酸可以是有機酸或無機酸。更具體地，該酸可以是硫酸，硝酸，磷酸，含硫、氮、磷的有機酸(an organic acid of these)，鹽酸，或它們的混合物，優(yōu)選硫酸及含硫的有機酸，更優(yōu)選為對甲苯磺酸(TSA)。
用于制備前體混合物的溶劑可以為任何能夠溶解菲和酸的單組分或多組分形成的溶劑。更具體地，該溶劑可以為水、丙酮、甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇、丁醇、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜(DMSO)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、四氫呋喃(THF)、乙酸叔丁酯(tetrabutylacetate)、乙酸正丁酯、間甲酚(m-crezole)、甲苯、乙二醇(EG)、γ-丁內(nèi)酯(γ-butyrollactone)或六氟異丙醇(HFIP)，等等?？梢詥为毷褂没蚪Y(jié)合使用這些物質(zhì)。
如上所述，菲的量基于100重量份總的前體混合物可以為5-15重量份。當(dāng)菲的量基于100重量份總的前體混合物小于5重量份時，難以形成間孔碳。當(dāng)菲的量基于100重量份總的前體混合物大于15重量份時，菲難以溶于溶劑中，顆粒容易聚結(jié)，使得間孔碳的表面積下降。
酸的量基于100重量份總的前體混合物可以為10-35重量份。當(dāng)酸的量基于100重量份總的前體混合物小于10重量份時，不利于生成間孔碳。當(dāng)酸的量基于100重量份總的前體混合物大于35重量份時，甚至在間孔硅石的外部也易于形成碳材料，從而有序程度下降。
溶劑量基于100重量份總的前體混合物可以為55-80重量份。當(dāng)溶劑量基于100重量份總的前體混合物小于55重量份時，前體不能充分溶解在溶劑中。當(dāng)溶劑量基于100重量份總的前體混合物大于80重量份時，顆粒非常容易聚集。
菲和酸的重量比可以為1∶2.5至1∶3.5，優(yōu)選1∶2.7至1∶3.3。當(dāng)菲和酸的重量比在該范圍時，菲和酸和諧地發(fā)生反應(yīng)，使得間孔碳可以容易地被制備。
用上述制備的前體混合物浸漬間孔硅石。間孔硅石可以是分子篩材料，其構(gòu)造使得一維孔隙通過微孔彼此連接，但不限于此。更具體地，該間孔硅石可以是具有立方結(jié)構(gòu)的MCM-48，具有另一種立方結(jié)構(gòu)的SBA-1，具有六角形結(jié)構(gòu)的SBA-15，具有三維連接結(jié)構(gòu)的KIT-1，MSU-1，等等。此時，KIT-1和MSU-1各自的構(gòu)造使得孔隙三維不規(guī)則地連接。另外，間孔硅石可以是包含任意類型間孔材料的任何類型的分子篩材料，該間孔材料的構(gòu)造使得一維孔隙通過微孔彼此相連。此外，硅石納米粒子可以擔(dān)當(dāng)模板。
用前體混合物浸漬的間孔硅石的量基于100重量份前體混合物可以為5-15重量份。當(dāng)間孔硅石的量小于5重量份時，前體混合物的量相比之下太高。結(jié)果，在浸漬之后，顆粒非常容易聚集使得間孔碳的表面積下降。當(dāng)間孔硅石的量大于15重量份時，前體混合物的量相比之下太低，使得在硅石孔隙中不能充分形成碳結(jié)構(gòu)。
浸漬溫度沒有限制，可以為室溫。
上述浸漬的前體混合物可以在室溫下干燥。干燥溫度沒有限制，可以為室溫，此外，為了快速干燥，可以在減壓下進行干燥過程。
干燥的混合物可以進行熱處理。可以在50-250℃下進行熱處理。當(dāng)熱處理溫度小于50℃時，會不恰當(dāng)?shù)匦纬砷g孔碳的結(jié)構(gòu)。當(dāng)熱處理的溫度高于250℃時，形成的間孔碳的均勻性會下降。或者，熱處理可以分為第一熱處理和第二熱處理、例如，第一熱處理可以在約50-約150℃下進行，第二熱處理可以在約150-約250℃下進行。通過熱處理，形成間孔碳的結(jié)構(gòu)，并且完全除去液體溶劑等。
盡管在僅僅進行一次上述過程之后，熱處理的所得物就可以直接碳化，但上述過程可以反復(fù)進行2-10次。也就是說，可以反復(fù)進行這樣的過程，其中，熱處理的所得物用上述制備的前體混合物浸漬，然后進行熱處理，之后可碳化前體混合物。
當(dāng)上述制備的前體混合物直接碳化而不重復(fù)浸漬和熱處理時，在間孔硅石孔隙中可能不能完全形成所述碳結(jié)構(gòu)。另一方面，浸漬和熱處理重復(fù)10次以上是沒有必要的，因為在幾次重復(fù)時就可以獲得反應(yīng)要達(dá)到的效果。
如上所述，碳化熱處理的所得物以獲得有序的間孔碳結(jié)構(gòu)。浸入擔(dān)當(dāng)模板的間孔硅石中的菲經(jīng)碳化變?yōu)槭?。例如，可以將熱處理的所得物加熱至約700-1500℃來完成碳化。當(dāng)碳化溫度小于700℃時，石墨化進行得不完全，從而有序程度可能不完善。當(dāng)碳化溫度高于1500℃時，碳會熱分解，或者充當(dāng)模板的間孔硅石的結(jié)構(gòu)會變形。
可以在非氧化氣氛(non-oxidation atmosphere)中進行碳化。非氧化氣氛可選自真空氣氛、氮氣氣氛和惰性氣體氣氛。此時，殘留的溶劑和/或酸蒸發(fā)或分解，從而除去殘留的溶劑和/或酸。
如上所述，浸入擔(dān)當(dāng)模板的間孔硅石中的菲轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻拈g孔碳，然后使用能夠選擇性溶解間孔硅石的溶劑除去間孔硅石。這種能夠選擇性溶解間孔硅石的溶劑可以包括，例如HF水溶液或NaOH水溶液。眾所周知，間孔硅石通過堿融或碳酸鹽離解變?yōu)樗苄缘墓杷猁}，以及間孔硅石和HF反應(yīng)形成易于消蝕的SiF4。除去間孔硅石，可以分離出有序間孔碳。
現(xiàn)詳細(xì)描述包含充當(dāng)載體的有序間孔碳的負(fù)載的催化劑。
本發(fā)明實施方案的負(fù)載的催化劑包括本發(fā)明實施方案的間孔碳，分布并負(fù)載在間孔碳上的金屬催化劑顆粒。更具體地，金屬催化劑顆粒被分布并負(fù)載在間孔碳的表面或孔隙。
可用于本發(fā)明實施方案的負(fù)載的催化劑中的金屬催化劑沒有限制，可以為Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Zn，Al，Mo，Se，Sn，Pt，Ru，Pd，W，Ir，Os，Rh，Nb，Ta，Pb，Bi，或它們的組合。
合適的金屬催化劑可以根據(jù)本發(fā)明實施方案的負(fù)載的催化劑將經(jīng)歷的反應(yīng)而變化。此外，該金屬催化劑可以是單一金屬或兩種或更多種金屬的合金。
更具體地，當(dāng)本發(fā)明實施方案的負(fù)載的催化劑用于燃料電池如PAFC或PEMFC的陰極或陽極的催化劑層時，可以使用Pt作為金屬催化劑。在另一實施方案中，負(fù)載的催化劑可以用于DMFC陽極的催化劑層，此時，可以使用Pt和Ru的合金作為金屬催化劑。在這種情況下，Pt和Ru的原子比通?？梢詾榧s0.5∶1至約2∶1。在又一實施方案中，負(fù)載的催化劑可以用于DMFC的陰極的催化劑層，此時，可以使用Pt作為金屬催化劑。
當(dāng)金屬催化劑顆粒的平均粒度太小時，會不利于催化劑反應(yīng)。另一方面，當(dāng)金屬催化劑顆粒的平均粒度太大時，整個催化劑顆粒的反應(yīng)表面積下降，從而負(fù)載的催化劑的效率會降低?？紤]到這些問題，金屬催化劑的平均粒度可以為約1nm至約5nm。
當(dāng)包含在負(fù)載的催化劑中的金屬催化劑的量太少時，金屬催化劑應(yīng)用于燃料電池時的作用會很小。當(dāng)包含在負(fù)載的催化劑中的金屬催化劑顆粒的量太大時，制造成本會增加且催化劑粒度會增大。考慮到上述這些問題，包含在負(fù)載的催化劑中的金屬催化劑的量基于100重量份負(fù)載的催化劑為約40-約90重量％。
可以使用制備負(fù)載的催化劑的各種已知方法形成本發(fā)明實施方案的負(fù)載的催化劑。例如，本發(fā)明實施方案的負(fù)載的催化劑可以通過用金屬催化劑前體溶液浸漬載體并還原浸漬的金屬催化劑前體而形成。在各種參考文獻中詳細(xì)描述了制備負(fù)載的催化劑的方法，因此在此不再詳細(xì)描述。
現(xiàn)詳細(xì)描述本發(fā)明實施方案的燃料電池。
本發(fā)明實施方案的燃料電池包括陰極、陽極和置于兩者之間的電解質(zhì)膜。此時，陰極和陽極中的至少一個包含上述本發(fā)明實施方案的負(fù)載的催化劑。
本發(fā)明實施方案的燃料電池可以實現(xiàn)為，例如PAFC、PEMFC或DMFC。這些燃料電池的結(jié)構(gòu)和制造它們的方法沒有限制且詳細(xì)描述在各種參考文獻中。因此，在此不再詳細(xì)描述該燃料電池的結(jié)構(gòu)和制造方法。
本發(fā)明實施方案的間孔碳具有非常低的平面電阻率，平面電阻率的獲得不犧牲其它物理性能，從而能有效傳輸電能。因此，當(dāng)本發(fā)明實施方案的間孔碳用作燃料電池電極的導(dǎo)電材料時，燃料電池的電極具有高效率，且可以制備具有高效率的燃料電池。此外，本發(fā)明實施方案的間孔碳可以用作各種電化學(xué)裝置中的導(dǎo)電材料。
參考以下實施例進一步詳細(xì)描述本發(fā)明。這些實施例僅用于說明的目的而不意圖限制本發(fā)明的范圍。在以下實施例和比較例中，使用下列方法測量以下物理性能。
平面電阻率在實施例和比較例中，使用4點探針法測量平面電阻率。在圖2所示的平面電阻率測量裝置中放置50mg本發(fā)明實施方案的間孔碳，然后分別向其施加75.4kgf/cm2和150.7kgf/cm2的壓力并測量各自的平面電阻率。平面電阻率測量裝置包括一對測量電壓的電極和一對測量電流的電極，放置在裝有待測量材料的小室的底部。因此，該平面電阻率測量裝置總共有四個電極。
<實施例1>
將0.9g菲和2.7g對甲苯磺酸(TSA)完全溶解在7.5g丙酮中，制備均勻的前體混合物。以41.0(i)∶29.5(ii)∶23.0(iii)∶6.5(iv)的比例將該前體混合物分成四份。用溶液(i)浸漬1g SBA-15。浸漬的SBA-15在室溫下在通風(fēng)櫥中干燥30分鐘，然后在160℃下干燥10分鐘。
干燥的所得物用溶液(ii)浸漬，以上述相同的方式進行干燥。分別使用溶液(iii)和(iv)進行相同的處理。
表1水處理劑配方代號與組成
表2實驗用原水代號及概況
表3在自來水中的實驗實例
<p>
參見表1，使用菲作為碳源制備的間孔碳比使用蔗糖作為碳源制備的間孔碳表現(xiàn)出約80％以上的更低的平面電阻率。在表1中，TSA表示對甲苯磺酸。
此外，當(dāng)碳化溫度較高時(實施例3和4)或菲的量較大時(實施例1和4)，平面電阻率明顯較低。
如實施例5中確定的，使用無機酸例如硫酸得到相對低的平面電阻率。
測量實施例1的間孔碳的BET表面積，結(jié)果示于圖3。從結(jié)果中確定間孔碳的比表面積為924m2/g，間孔碳的孔隙直徑為5nm。間孔碳的SEM圖像示于圖4。
<實施例6>
將0.5g實施例1中制備的間孔碳放入塑料袋中，將0.9616g H2PtCl6溶于1.5ml丙酮中。將溶液加入含有間孔碳的塑料袋中。在空氣中干燥混合溶液四小時，移至溶解罐中，再在干燥裝置中在60℃干燥過夜。然后，將溶解罐置于流動氮氣的電爐中。通入氮氣10分鐘。當(dāng)溫度從室溫升高至200℃時通入氫氣并在200℃下保持2小時，使浸入間孔碳中的Pt鹽還原。用氮氣置換電爐中流動的氣體。以5℃/min的速率升高溫度至250℃，保持5小時，再緩慢冷卻至室溫。然后，所得物用溶于1.5ml丙酮的0.9616g H2PtCl6浸漬，重復(fù)還原步驟。結(jié)果，獲得Pt浸漬濃度為60重量％的負(fù)載的催化劑。
<比較例2>
以實施例6相同的方式通過用Pt浸漬比較例1得到的所得物而制備負(fù)載的催化劑。
<實施例7>
將實施例6制備的負(fù)載的催化劑分散在通過在異丙醇中分散Nafion115(Dufont Inc.制造)而制備的溶液中，形成漿料。將漿料通過噴涂法涂覆在碳電極上，涂覆催化劑的濃度基于Pt量為3mg/cm2。然后，使電極通過輥壓機，以增加催化劑層和炭紙之間的粘合力，從而形成陰極。使用普通可用的PtRu黑色催化劑制備陽極電極。然后使用陰極和陽極制備干電池(unitcell)。
<比較例3>
以和實施例7相同的方式使用比較例2制備的負(fù)載的催化劑制作干電池。
在供應(yīng)2M甲醇和過量空氣的同時在50℃下測量干電池的性能，結(jié)果示于表2。實施例7制備的燃料電池顯示比比較例3制備的燃料電池高出約31％的效率。
表2
盡管參考本發(fā)明示范性實施方案已經(jīng)具體顯示和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，在不偏離由權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍下，可以進行各種形式和細(xì)節(jié)上的改變。
權(quán)利要求
1.具有間孔的間孔碳，其中該間孔碳的平面電阻率為250mΩ/cm2或更小，間孔的平均直徑為2-20nm。
2.權(quán)利要求1的間孔碳，其中該間孔碳的比表面積為300-2000m2/g。
3.權(quán)利要求1的間孔碳，其中間孔碳的初級粒子的大小為100-500nm。
4.權(quán)利要求1的間孔碳，其中在對間孔碳的X-射線衍射分析獲得的圖中，主峰出現(xiàn)在2θ介于0.5°和1.5°之間的范圍內(nèi)且在5°以下出現(xiàn)至少一個峰。
5.制備間孔碳的方法，該方法包括(a)制備100重量份的前體混合物，該前體混合物含有5-15重量份菲、10-35重量份酸和55-80重量份溶劑；(b)用前體混合物浸漬間孔硅石；(c)熱處理操作(b)的所得物；(d)碳化操作(c)的所得物；以及(e)使用僅能選擇性溶解間孔硅石的溶液除去間孔硅石。
6.權(quán)利要求5的方法，其中酸是有機酸或無機酸中的一種。
7.權(quán)利要求5的方法，其中酸是硫酸，硝酸，磷酸，含硫、氮、磷的有機酸或鹽酸。
8.權(quán)利要求5的方法，其中溶劑是水、丙酮、甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇、丁醇、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜(DMSO)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、四氫呋喃(THF)、乙酸叔丁酯、乙酸正丁酯、間甲酚、甲苯、乙二醇(EG)、γ-丁內(nèi)酯或六氟異丙醇(HFIP)。
9.權(quán)利要求5的方法，其中菲和酸的重量比為1∶2.5至1∶3.5。
10.權(quán)利要求5的方法，其中間孔硅石的量基于100重量份前體混合物為5-15重量份。
11.權(quán)利要求5的方法，其還包括在操作(b)和操作(c)之間進行干燥。
12.權(quán)利要求5的方法，其中所述熱處理是在50-250℃的溫度進行的。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述熱處理包括第一熱處理和隨后進行的第二熱處理，其中第一熱處理在50-150℃的溫度下進行，而第二熱處理在150-250℃的溫度下進行。
14.權(quán)利要求5的方法，其在操作(d)之前還包括，(c1)用操作(a)中制備的前體混合物浸漬操作(c)的所得物及對浸漬所得物進行操作(b)和(c)，其中操作(c1)進行1-9次。
15.權(quán)利要求5的方法，其中所述碳化是在700-1500℃的溫度進行的。
16.權(quán)利要求5的方法，其中使用HF或NaOH溶液除去間孔硅石。
17.負(fù)載的催化劑，其包括權(quán)利要求1-4中任一項的間孔碳；以及被分散并負(fù)載在間孔碳上的金屬催化劑顆粒。
18.權(quán)利要求17的負(fù)載的催化劑，其中浸漬在負(fù)載的催化劑中的金屬催化劑顆粒的量基于負(fù)載的催化劑的總重量為40-90重量％。
19.燃料電池，其包括陰極；陽極；和置于陰極和陽極之間的電解質(zhì)膜，其中陰極和陽極中的至少一個包含權(quán)利要求17的負(fù)載的催化劑。
全文摘要
本發(fā)明提供了間孔碳及其制備方法。該間孔碳是使用菲作為碳源及間孔硅石作為模板制備的。所述間孔碳具有非常低的平面電阻率，可以獲得該平面電阻率而不犧牲其它物理性能，從而該間孔碳具有高的電導(dǎo)率并可以有效輸送電能。因此，使用該間孔碳作為導(dǎo)電材料制備的燃料電池電極或燃料電池具有高效率。此外，該間孔碳可以用于各種電化學(xué)裝置中作為導(dǎo)電材料。
文檔編號C01B31/02GK1865132SQ20061007721
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者樸燦鎬, 朱相熏, 張赫, 金知晚, 李炯益 申請人:三星Sdi株式會社