用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑和使用所述催化劑的直接型燃料電池的陰極和直接型燃料電池制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑，即使當(dāng)發(fā)生燃料化合物的穿越時(shí)，所述催化劑選擇性地促進(jìn)氧還原反應(yīng)。所述用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑在包含用于所述直接型燃料電池的燃料化合物的電解液中表現(xiàn)出氧還原催化活性，并且實(shí)質(zhì)上不顯示對(duì)所述電解液中的燃料化合物的氧化進(jìn)行催化的活性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑和使用所述碳催化劑的用于直接型燃料電池的陰極和直接型燃料電池，并且更具體地涉及即使當(dāng)發(fā)生燃料化合物的穿越(crossover)時(shí),仍能夠選擇性促進(jìn)氧還原反應(yīng)的碳催化劑。
技術(shù)介紹
直接型燃料電池(DFC)已知是眾多燃料電池類型中的一種。例如，利用甲醇作為燃料化合物的直接型甲醇燃料電池(DMFC)具有高能量密度，并且預(yù)期作為下一代小型能源。DMFC中的化學(xué)反應(yīng)如下陽極反應(yīng)CH30H+H20 — 6H+6e_+C02 ;陰極反應(yīng)I. 502+6H+6e_ — 3H20 ;和總反應(yīng)CH30H+1. 502 — 2H20+C02。 但是，所謂的甲醇穿越(MCO)的現(xiàn)象成為難題，其中供至陽極的甲醇在陽極反應(yīng)中反應(yīng)不完全，并且未反應(yīng)的甲醇穿過質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)膜而移動(dòng)至陰極。通常，鉬催化劑被用作用于DMFC的陰極催化劑。鉬催化劑不但促進(jìn)氧還原反應(yīng)，而且促進(jìn)甲醇氧化反應(yīng)。因此，發(fā)生穿越的甲醇也造成陰極中的甲醇氧化反應(yīng)，這明顯降低了 DMFC的產(chǎn)能性能。鑒于以上，通常已將鉬和僅促進(jìn)氧還原反應(yīng)的其他貴金屬，例如鈀(Pd)和釕(Ru)組合用作陰極催化劑(參見，例如專利文獻(xiàn)I和2)。 JP 2OO8-I3538OA JP 2004-253385A
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
技術(shù)問題但是，在例如使用貴金屬催化劑的現(xiàn)有技術(shù)中，存在以下問題歸因于電解反應(yīng)而在電極表面上產(chǎn)生的氧化物包覆膜和金屬溶出導(dǎo)致所得到的電流值逐步下降。還存在例如歸因于貴金屬的使用的成本上升和有關(guān)貴金屬沉積量的限制的問題。還存在用合金催化劑而不使用任何貴金屬催化劑的實(shí)例。但是，難以充分避免金屬溶出的問題，并難以得到充分的氧還原活性。完成本專利技術(shù)以解決所述問題，本專利技術(shù)的目的是提供用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑，即使當(dāng)燃料化合物，例如甲醇發(fā)生穿越時(shí)，其能選擇性地促進(jìn)氧還原反應(yīng)，還提供使用所述碳催化劑的用于直接型燃料電池的陰極和直接型燃料電池。解決技術(shù)問題的技術(shù)手段為了達(dá)到該目的，根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑是用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑，其用于直接型燃料電池的陰極，所述碳催化劑在包含用于所述直接型燃料電池的燃料化合物的電解液中表現(xiàn)出氧還原催化活性，并且實(shí)質(zhì)上不顯示對(duì)所述電解液中的所述燃料化合物的氧化進(jìn)行催化的活性。根據(jù)本專利技術(shù)，提供了用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑，即使當(dāng)發(fā)生燃料化合物的穿越時(shí)，所述催化劑選擇性地促進(jìn)氧還原反應(yīng)。此外，在將所述碳催化劑用于三電極系統(tǒng)的工作電極的線性掃描伏安法中，使用以O(shè). 25mol/L的濃度包含所述燃料化合物的氧飽和的電解液，在25°C以lmV/sec的掃描速度進(jìn)行掃描時(shí)的O. 7V (vs. NHE)的電勢(shì)下的還原電流為-O. 6mA/cm2或更低。此外，在將所述碳催化劑用于三電極系統(tǒng)的工作電極且在25 °C下進(jìn)行的循環(huán)伏安法中，在使用包含所述燃料化合物的氮飽和的電解液的情況下，在O. 6V(vs. NHE)-I. OV(vs.NHE)的電勢(shì)的范圍內(nèi)，所述碳催化劑可不表現(xiàn)出會(huì)對(duì)所述碳催化劑的氧還原催化活性產(chǎn)生影響的對(duì)于所述燃料化合物的氧化進(jìn)行催化的活性。此外，在將所述碳催化劑用于三電極系統(tǒng)的工作電極的線性掃描伏安法中，使用包含所述燃料化合物的氧飽和的電解液，在25°C以lmV/sec的掃描速度進(jìn)行掃描時(shí)的O. 7V(vs. NHE)的電勢(shì)下的還原電流可以基本上不依賴所述電解液中所包含的所述燃料化合物的濃度。此外，所述燃料化合物可包括醇類。為了達(dá)到該目的，根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑是用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑，其用于直接型燃料電池的陰極并具有氧還原催化活性，其中在將所述碳催化劑用于三電極系統(tǒng)的工作電極的線性掃描伏安法中，使用以O(shè). 25mol/L的濃度包含用于直接型燃料電池的所述燃料化合物的氧飽和的電解液，在25°C以lmV/sec的掃描速度進(jìn)行掃描時(shí)的O. 7V(vs.NHE)的電勢(shì)下的還原電流可以為-O. 6mA/cm2或更低。根據(jù)本專利技術(shù)，提供了用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑，即使當(dāng)發(fā)生燃料化合物的穿越時(shí)，所述催化劑選擇性地促進(jìn)氧還原反應(yīng)。為了達(dá)到該目的，根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑是用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑，其用于直接型燃料電池的陰極并具有氧還原催化活性，其中在將所述碳催化劑用于三電極系統(tǒng)的工作電極且在25°C下進(jìn)行的循環(huán)伏安法中，在使用包含所述燃料化合物的氮飽和的電解液的情況下，在O. 6V(vs.NHE)-I. OV(vs. NHE)的電勢(shì)的范圍內(nèi)，所述碳催化劑不表現(xiàn)出會(huì)對(duì)所述碳催化劑的氧還原催化活性產(chǎn)生影響的對(duì)所述燃料化合物的氧化進(jìn)行催化的活性。根據(jù)本專利技術(shù)，提供了用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑，即使當(dāng)發(fā)生燃料化合物的穿越時(shí)，所述催化劑選擇性地促進(jìn)氧還原反應(yīng)。此外，所述碳催化劑可以是通過碳化包含含氮有機(jī)物質(zhì)和金屬的原料而得到的碳催化劑。在該情況下，所述原料還包含導(dǎo)電性碳材料。此外，所述碳催化劑可以是通過對(duì)經(jīng)碳化所述原料而得到的經(jīng)碳化的材料施加金屬去除處理，并隨后對(duì)所述經(jīng)碳化的材料施加熱處理而得到的碳催化劑。此外，所述碳催化劑可以是通過對(duì)碳化所述原料而得到的經(jīng)碳化的材料施加金屬浸潰處理，并隨后對(duì)所述經(jīng)碳化的材料施加熱處理而得到的碳催化劑。為了達(dá)到該目的，根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的用于直接型燃料電池的陰極包含所述碳催化劑。根據(jù)本專利技術(shù)，提供了用于直接型燃料電池的陰極，即使當(dāng)發(fā)生燃料化合物的穿越時(shí)，所述催化劑選擇性地促進(jìn)氧還原反應(yīng)。為了達(dá)到該目的，根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的直接型燃料電池包括包含任一種所述碳催化劑的陰極。根據(jù)本專利技術(shù)，提供了直接型燃料電池，即使當(dāng)發(fā)生燃料化合物的穿越時(shí)，在所述電池的陰極中選擇性地進(jìn)行氧還原反應(yīng)。本專利技術(shù)的有益效果根據(jù)本專利技術(shù)提供了用于直接型燃料電池的陰極的碳催化劑，即使當(dāng)發(fā)生燃料化合物的穿越時(shí)，所述催化劑選擇性地促進(jìn)氧還原反應(yīng)，并提供了使用所述碳催化劑的用于直接型燃料電池的陰極和直接型燃料電池。附圖說明是顯示在使用根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的碳催化劑和使用甲醇作為燃料化合物的循環(huán)伏安法中得到的伏安圖的實(shí)例的示意圖。是顯示在使用鉬催化劑和使用甲醇作為燃料化合物的循環(huán)伏安法中得到的伏安圖的實(shí)例的示意圖。 是顯示在使用根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的碳催化劑和鉬催化劑，并使用甲醇作為燃料化合物的線性掃描伏安法中得到的伏安圖的實(shí)例的示意圖。是以放大狀態(tài)顯示圖2A的部分的示意圖。是顯示通過檢測(cè)使用根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的碳催化劑和鉬催化劑，并使用甲醇作為燃料化合物的線性掃描伏安法中的還原電流所得結(jié)果的實(shí)例的示意圖。是顯示在使用根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的碳催化劑，并使用乙醇作為燃料化合物的循環(huán)伏安法中得到的伏安圖的實(shí)例的示意圖。是顯示使用鉬催化劑，并使用乙醇作為燃料化合物的循環(huán)伏安法中得到的伏安圖的實(shí)例的示意圖。是顯示在使用根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的碳催化劑和鉬催化劑，并使用乙醇作為燃料化合物的循環(huán)伏安法中得到的伏安圖的另一實(shí)例的示意圖。是顯示在使用根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的碳催化劑和鉬催化劑，并使用乙醇作為燃料化合物的線性掃描伏安法中得到的伏安圖本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：岸本武亮，小林里江子，尾崎純一，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：日清紡控股株式會(huì)社，國(guó)立大學(xué)法人群馬大學(xué)，
類型：
國(guó)別省市：