中孔碳复合物及其制备方法以及使用该复合物的燃料电池的制作方法

专利名称：中孔碳复合物及其制备方法以及使用该复合物的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种中孔碳(mesoporous carbon)复合物，及其制备方法，以及使用该碳复合物的燃料电池，更具体地，本发明涉及一种涂有导电聚合物以减少碳颗粒之间的电阻从而减小电极电阻的中孔碳复合物，及其制备方法，以及使用该中孔碳复合物作为催化剂载体的燃料电池。
现有技术包含在用于燃料电池的电极中的催化剂在促进电化学反应方面起着重要作用，因而，应该提高这些催化剂的活性。由于催化剂的活性随着催化剂反应表面积的增加而增加，所以催化剂颗粒应该减小直径以增加反应表面积，并且应该均匀分布。为了满足这些要求，催化剂载体也应该具有大表面积，因而已经对这些要求开展了大量研究。同时，除了可以通过高孔隙率而获得大表面积之外，燃料电池催化剂载体必须具有导电性，以充当电子流动的通道。这种载体的常规实例为无定形的微孔碳粉末，如活性炭或炭黑。
然而，众所周知这种无定形的微孔碳颗粒的微孔不好连接。因此，在常规的直接甲醇燃料电池(DMFC)中，采用无定形的微孔碳粉末作为载体制备的担载催化剂显示出远低于用作催化剂的金属颗粒的反应活性。然而，当使用金属颗粒作为催化剂时，需要的催化剂量更大，因而，提高了DMFC的生产成本。因此，急切地需要发展能够提高催化剂活性的担载催化剂。

发明内容
本发明提供一种薄膜电阻减小的中孔碳复合物，及其制备方法。
本发明还提供一种包含该中孔碳复合物的担载催化剂，及一种通过采用该担载催化剂而提高效率的燃料电池。
根据本发明的一个方面，提供一种中孔碳复合物，其包括具有中孔的中孔碳；仅涂布在该中孔碳的外表面上的导电聚合物；及由锂盐和有机溶剂构成的有机电解液。
根据本发明的另一个方面，提供一种制备中孔碳复合物的方法，该方法包括混合碳前体、酸和溶剂，得到碳前体混合物；用该碳前体混合物浸渍有序的中孔二氧化硅(OMS)；热处理并碳化所浸渍的OMS，形成OMS-碳复合物；将该OMS-碳复合物与用于形成导电聚合物的单体和溶剂混合，以在OMS-碳复合物表面提供用于形成导电聚合物的单体；聚合该单体；从聚合产物中除去OMS；及将所得产物与由锂盐和有机溶剂构成的有机电解液混合(dope)。
根据本发明的另一个方面，提供一种担载催化剂，其包括上述中孔碳复合物；及担载在该中孔碳复合物上的金属催化剂颗粒。
根据本发明的另一个方面，提供一种燃料电池，其包括阴极；阳极；及介于阴极和阳极之间的电解质膜，其中所述阴极和阳极中有至少一个包含上述担载催化剂。


通过参考附图详细地描述其示例性实施方案，本发明的上述及其它特征和优点将变得显而易见，附图中图1示意性地示出了根据本发明实施方案制备中孔碳复合物的方法；图2为根据本发明实施方案制备中孔碳复合物的方法流程图；图3为实施例1中制备的中孔碳复合物和对比例1中制备的中孔碳的X-射线衍射分析结果的曲线图；图4示出了实施例1中制备的中孔碳复合物的气相色谱/质谱(GC/MS)分析结果；图5示出了实施例1中制备的中孔碳复合物和对比例1中制备的中孔碳的薄膜电阻的测量结果；图6为用于分析实施例1中制备的中孔碳复合物和对比例1中制备的中孔碳的BET表面积的氮吸附-解吸等温线；及图7为实施例1中制备的中孔碳复合物和对比例1中制备的中孔碳的孔径分布图。
具体实施例方式
根据本发明实施方案的中孔碳复合物是通过用导电聚合物仅涂布中孔碳颗粒的外表面而制备的，以降低中孔碳的薄膜电阻，从而降低中孔碳颗粒之间的接触电阻。所述中孔碳复合物混有由锂盐和有机溶剂构成的有机电解液。
在本发明中，中孔碳可以为其中孔隙规则排列的有序的中孔碳。
该导电聚合物可以为至少一种选自聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩和聚(p-亚苯基)的聚合物，或者上述聚合物的单体和乙烯单体(vinylic monomer)的共聚物。该乙烯单体是指在聚合物手册(The Polymer Handbook)中描述的乙烯基单体。
导电聚合物的量按100重量份的中孔碳计可以为0.5～8重量份。当导电聚合物的量小于0.5重量份时，不足以作为中孔碳颗粒之间的电子传导路线。当导电聚合物的量大于8重量份时，导电聚合物本身作为电阻，因而能够增加中孔碳颗粒之间的电阻。
常规的无定形微孔碳粉末仅包括微孔，而根据本发明实施方案的中孔碳包括合适比例的中孔和微孔。根据国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义，微孔为直径为约2nm或更低的孔隙，中孔为直径为2～50nm的孔隙。
根据本发明实施方案的中孔碳复合物的中孔平均直径为2～10nm。该中孔碳复合物具有200～2000m2/g的比表面积和30～100mΩ/cm2的薄膜电阻，该薄膜电阻是在75.4±3.0kgf/cm2的压力下使用4-点探针方法进行测量的。根据本发明实施方案的中孔碳的薄膜电阻远低于常规中孔碳的薄膜电阻。
当中孔的平均直径小于2nm时，供给的燃料不会顺利地扩散并且限制了催化剂的活性。当中孔的平均直径大于10nm时，在制备催化剂时，催化剂颗粒的尺寸易于增大，因而，催化剂的效率下降。
当中孔碳复合物的比表面积小于200m2/g时，很难提高要担载的金属颗粒的分散性。当中孔碳的比表面积大于2000m2/g时，由于太多微孔限制了燃料的扩散，因此催化剂的效率下降。
因为在本实施方案的中孔碳复合物中的孔隙规则地排列，如图3所示，对于1.541的CuK-α X-射线波长来说，布拉格角(brag)2θ的主峰出现在1.0±0.4°，即在0.6～1.4°之间。在10°或更小的角度下还能够观察到一个或多个峰。
将本实施方案的中孔碳复合物与由锂盐和有机溶剂构成的有机电解液混合。由于有机电解液的混合，提高了中孔碳的薄膜电阻。
该锂盐可以为任何常用于锂电池中的锂盐。具体地，锂盐可以为选自下列中的至少一种高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、三氟甲烷磺酸锂(LiCF3SO3)和双三氟甲基磺酸亚酰胺锂(lithiumbistrifluoromethanesulfonylamide)(LiN(CF3SO2)2)。有机电解液中锂盐的浓度可以为0.4～1.5M。
有机溶剂可以包括选自碳酸酯化合物、二甲氧基乙烷(DME)、二乙氧基乙烷和环丁砜(SUL)中的至少一种。
碳酸酯化合物的实例包括碳酸亚乙酯、碳酸亚甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、γ-丁内酯、碳酸亚丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸亚乙烯酯等。
锂盐的含量按100重量份的中孔碳计可以为0.1～10重量份。当锂盐的含量小于0.1重量份时，导电聚合物混合不充分。当锂盐的含量大于10重量份时，很难在有机溶剂中溶解锂盐。
有机溶剂的含量按100重量份的中孔碳计可以为0.01～10重量份。
图1示意性地图示了根据本发明实施方案形成中孔碳复合物的方法，其中使用聚吡咯作为导电聚合物。
参照图1，将碳引入有序的中孔二氧化硅(OMS)模板中，形成OMS-碳复合物。由于规则排列的孔隙，OMS具有2度或更低的X-射线衍射峰。
随后，吡咯吸附到OMS-碳复合物中。
接着，吡咯聚合，在OMS-碳复合物的表面上形成聚吡咯，并从产物中除去OMS，获得有序的中孔碳(OMC)和涂有聚吡咯的中孔碳复合物。
现在将参照图2详细描述根据本发明实施方案制备中孔碳复合物的方法。
混合碳前体、酸和溶剂，获得碳前体混合物。
碳前体的实例有包括蔗糖的碳水化合物(carbohydrate)，糠醇，二乙烯基苯，苯酚-甲醛，间苯二酚-甲醛，芳香族化合物如菲和蒽。用于制备前体混合物的酸可以为有机酸或无机酸。该酸的实例包括硫酸、硝酸、磷酸和p-甲苯磺酸。
用于制备前体混合物的溶剂可以为任何能够均匀分散碳前体的溶剂。更具体地，该溶剂可以为水、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、乙酸叔丁酯(tetrabutylacetate)、乙酸正丁酯、间甲苯酚(m-crezole)、甲苯、乙二醇、γ-丁内酯或六氟异丙醇(HFIP)等。这些材料可以单独使用或者组合使用。
碳前体的含量按100重量份的整个前体混合物计可以为5～15重量份。当碳前体的含量按100重量份的整个前体混合物计小于5重量份时，很难形成中孔碳。当碳前体的含量按100重量份的整个前体混合物计大于15重量份时，很难将碳前体溶解在溶剂中，颗粒易于聚集，使得中孔碳的表面积降低。
酸的含量按100重量份的整个前体混合物计可以为10～35重量份。当酸的含量按100重量份的整个前体混合物计小于10重量份时，不会促进中孔碳的产生。当酸的含量按100重量份的整个前体混合物计大于35重量份时，即使在中孔二氧化硅的外部也促进碳材料的形成，因而，有序度降低。
溶剂的含量按100重量份的整个前体混合物计可以为55～80重量份。当溶剂的含量按100重量份的整个前体混合物计小于55重量份时，前体在溶剂中溶解地不充分。当溶剂的含量按100重量份的整个前体混合物计大于80重量份时，颗粒很可能聚集。
碳前体与酸的重量比可以为1∶2.5～1∶3.5，优选为1∶2.7～1∶3.3。当碳前体与酸的重量比在该范围内时，碳前体与酸和谐地反应，使得可以容易地制备中孔碳。
用上面制备的前体混合物浸渍有序的中孔二氧化硅(OMS)。接着，热处理并碳化所浸渍的OMS，形成OMS-碳复合物。
该中孔二氧化硅可以是其结构使得一维孔隙通过微孔相互连接的分子筛材料，但是不局限于此。更具体地，该中孔二氧化硅可以为具有立体结构的MCM-48，具有不同于MCM-48的立体结构的SBA-1，具有六边形结构的SBA-15，KIT-1，或者MSU-1等，其具有三维的连接结构。在这种情况下，KIT-1和MSU-1各自的构造使得孔隙三维不规则地连接。另外，中孔二氧化硅可以为任何类型其结构使得一维孔隙通过微孔相互连接的分子筛材料。
浸渍有前体混合物的中孔二氧化硅的含量按100重量份的前体混合物计可以为5～15重量份。当中孔二氧化硅的含量小于5重量份时，前体混合物的含量相对太高。结果，在浸渍后，颗粒很可能聚集，使得中孔碳的表面积降低。当中孔二氧化硅的含量大于15重量份时，前体混合物的含量相对太低，使得在二氧化硅孔隙中没有充分地形成碳结构。
浸渍温度没有具体限制，但是可以为室温。
如上所述，需要时，可以干燥浸渍的前体混合物。干燥温度没有具体限制，但是可以为室温。另外，为了快速干燥，干燥处理可以在减压下进行。
热处理过程可以在50～250℃下进行。当热处理温度低于50℃时，会不适当地形成中孔碳的结构，当热处理温度高于250℃，要形成的中孔碳的均匀性会降低。作为选择，热处理过程可以分为第一热处理过程和第二热处理过程。例如，第一热处理过程可以在约50～150℃下进行，第二热处理过程可以在约150～250℃下进行。通过热处理过程，形成中孔碳结构，并且完全除去液体溶剂等。
尽管仅进行一次上述过程之后的热处理产物可以直接碳化，但是上述过程可以重复进行2～10次。也就是说，可以重复地进行其中采用上面制备的前体混合物浸渍热处理产物、然后进行热处理过程的工艺，并且此后可以碳化该前体混合物。当上面制备的前体混合物直接碳化而没有重复浸渍和热处理过程时，碳结构可能不完整地形成在中孔二氧化硅孔隙中。另一方面，浸渍和热处理重复10次以上也是不必要的，因为采用几次重复后就可以获得所能获得的反应效果。如上所述，碳化热处理产物，获得有序的中孔碳结构。浸渍到充当模板的中孔二氧化硅中的碳前体通过碳化过程石墨化。例如，可以通过在600～1400℃下加热热处理产物实现碳化。当碳化温度低于600℃时，碳化发生不充分，因而，有序度不足。当碳化温度高于1400℃时，碳会热分解或者充当模板的中孔二氧化硅的结构会变形。
碳化可以在非氧化性气氛中进行。非氧化性气氛可以选自真空气氛、氮气氛和惰性气体气氛。
接着，所得的OMS-碳复合物与用于形成导电聚合物的单体和溶剂的混合物混合，提供具有用于形成导电聚合物的单体的OMS-碳复合物表面。在本文中，提供单体的方法没有具体限制，但是在本发明一个实施方案中，该单体吸附在OMS-碳复合物的表面上。
单体的实例包括吡咯、噻吩、苯胺、亚苯基(penylene)等。单体的含量按100重量份的OMS-碳复合物计可以为0.1～10重量份。当单体的含量小于0.1重量份时，中孔碳的薄膜电阻不明显地降低。当单体的含量大于10重量份时，在OMS-碳复合物的外表面上形成大量导电聚合物，导致导电性降低。
使用水作为溶剂。如果必要，可以采用非常易与水互溶的醇如甲醇、乙醇、丙醇、THF等。
溶剂的含量按100重量份的用于形成导电聚合物的单体计可以为200～1000重量份。当溶剂的含量小于200重量份时，粘度增加。当溶剂的含量大于1000重量份时，很难除去过量的溶剂。
接下来，聚合产物。在聚合过程中，使用聚合引发剂，并且也可以使用促进聚合的聚合催化剂。
聚合引发剂的实例包括H2O2和FeCl3。聚合引发剂的含量按100重量份的单体计可以为0.1～100重量份。
聚合催化剂的实例包括FeCl3和硫酸铵((NH4)2SO4)。聚合催化剂的含量按100重量份的单体计可以为0.1～100重量份。
聚合温度根据单体的类型而改变，但是可以为0～60℃。当聚合温度低于0℃时，不能发生聚合。当聚合反应温度高于60℃时，很难控制聚合速率。
接着，使用能够选择性地溶解中孔二氧化硅的溶剂，从导电聚合物涂布的OMS-碳复合物中除去中孔二氧化硅。
能够选择性地溶解中孔二氧化硅的溶剂可以包括，例如，HF水溶液或NaOH水溶液。HF水溶液的浓度为5～47wt％，NaOH水溶液的浓度为5～30wt％。
已知中孔二氧化硅通过碱熔或碳酸盐溶解变成水溶性硅酸盐，并且与易于腐蚀的HF反应形成SiF4。通过除去中孔二氧化硅，能够分离仅在其外表面涂有导电聚合物的有序的中孔碳。
接着，将产物与由锂盐和有机溶剂构成的有机电解液混合，获得根据本发明实施方案的中孔碳复合物。有机电解液的混合可以在室温(25℃)下进行。混合时间可以根据有机电解液的浓度变化，但是通常为24～72小时。
现在将详细描述含有中孔碳复合物充当载体的担载催化剂。
根据本发明实施方案的担载催化剂包括本发明的中孔碳复合物，及分散并担载在该中孔碳复合物上的金属催化剂颗粒。该金属催化剂颗粒分散并担载在中孔碳的表面或孔隙上。
能够用于根据本发明实施方案的担载催化剂中的金属催化剂没有具体限制，但可以为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Mo、Se、Sn、Pt、Ru、Pd、W、Ir、Os、Rh、Nb、Ta、Pb、Bi或其混合物。
适当的金属催化剂可以随根据本发明实施方案的担载催化剂所要经受的反应而改变。另外，金属催化剂可以为单一金属或者两种或多种金属的合金。
更具体地，当根据本发明实施方案的担载催化剂用于燃料电池，如PAFC或PEMFC的阴极或阳极的催化层中时，可以使用Pt作为金属催化剂。在另一个实施方案中，担载催化剂可以用于DMFC的阳极的催化剂层，在此情况下，可以使用Pt和Ru的合金作为金属催化剂。在这种情况下，Pt和Ru的原子比通常可以为约0.5∶1～2∶1。在另一个实施方案中，担载催化剂可以用于DMFC的阴极的催化剂层，在此情况下，可以使用Pt作为金属催化剂。
当金属催化剂颗粒的平均粒径太小时，不会促进催化剂反应。另一方面，当金属催化剂颗粒的平均粒径太大时，整个催化剂颗粒的反应表面积降低，因而担载催化剂的效率会降低。考虑到这些问题，金属催化剂颗粒的平均粒径可以为约1～5nm。
当担载催化剂中含有的金属催化剂颗粒含量太小时，应用于燃料电池的金属催化剂的作用会很小。当担载催化剂中含有的金属催化剂颗粒的含量太大时，会增加制造成本，并且会增加催化剂粒径。考虑到上述这些问题，担载催化剂中含有的金属催化剂的含量按100重量份的担载催化剂计可以为40～约80重量份。
根据本发明实施方案的担载催化剂可以采用各种已知的制备担载催化剂的方法来制备。例如，根据本发明实施方案的担载催化剂可以通过采用催化剂前体溶液浸渍载体并还原所浸渍的金属催化剂前体制得。在各种文献中详细描述了制备担载催化剂的方法，因而在此不作详细描述。
现在将详细描述根据本发明实施方案的燃料电池。
根据本发明实施方案的燃料电池包括阴极、阳极和介于其间的电解质膜。在这种情况下，阴极和阳极中的至少一个包括上述的担载催化剂。
根据本发明实施方案的燃料电池可以实现为例如，PAFC、PEMFC或DMFC。这些燃料电池的结构及其制备方法没有具体限制并且在各种文献中进行了详细描述。因此，在本文中将不详细描述本发明的燃料电池的结构和制造方法。
将参照下面实施例更详细地描述本发明。这些实施例仅是为了说明性目的，而不是对本发明的范围的限制。
实施例1制备中孔碳复合物将0.8g菲和2.4g对甲苯磺酸完全溶解在6mL丙酮中，制备均匀的前体混合物。该前体混合物按照4∶3∶2的重量比分成三份，从而分别制得溶液A、B和C。用溶液A浸渍1g作为OMS的SBA-15。所浸渍的SBA-15在通风橱(hood)中室温干燥30分钟，然后在160℃下干燥2小时。用溶液B浸渍干燥的产物，然后如上所述进行干燥。按照与上述相同的方法处理产物，所不同的是，采用溶液C。将干燥的产物冷却至室温，在1小时内缓慢升温至200℃，维持6小时。接着，在4小时内将产物缓慢升温至900℃，维持2小时，形成OMS-碳复合物。
将该OMS-碳复合物浸渍到50mL的1M吡咯水溶液中1小时，使得吡咯吸附到OMS-碳复合物上。通过过滤得到吡咯吸附的OMS-碳复合物，并将其放入30wt％H2O2水溶液中1小时，形成聚吡咯。产物与含有HF、水和乙醇的混合溶液搅拌在一起，除去SBA-15，从而获得涂有聚吡咯的中孔碳复合物。在进行混合过程之前，测量这种状态下的中孔碳复合物的薄膜电阻，并示于图5中。
为了提供具有导电性的聚吡咯，将中孔碳复合物放入混合溶液中，并在室温下混合48小时，该混合溶液含有在体积比为1∶1的碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯中的5wt％高氯酸锂(LiClO4)。过滤、洗涤并在60℃的真空炉中干燥所述聚吡咯涂布的中孔碳，得到混合的中孔碳复合物。在混合后，测量该混合的中孔碳复合物的薄膜电阻，并示于图5中。
对比例1将0.8g菲和2.4g对甲苯磺酸完全溶解在6mL丙酮中，制备均匀的前体混合物。该前体混合物按照4∶3∶2的重量比分成三份，从而分别制得溶液A、B和C。用溶液A浸渍1g作为OMS的SBA-15。所浸渍的SBA-15在通风橱中室温干燥30分钟，然后在160℃下干燥2小时。
用溶液B浸渍干燥的产物，然后如上所述进行干燥。按照与上述相同的方法处理产物，所不同的是，采用溶液C。
将干燥的产物冷却至室温，在1小时内缓慢升温至200℃，维持6小时。接着，在4小时内将产物缓慢升温至900℃，维持2小时，形成OMS-碳复合物。
产物与含有HF、水和乙醇的混合溶液搅拌，除去SBA-15，从而得到未涂布的中孔碳。
图3图示了对实施例1中制备的中孔碳复合物和对比例1中制备的中孔碳的X-射线衍射分析结果。
参照图3，实施例1中制备的中孔碳复合物的孔隙规则地排列，并且观察到第二和第三峰，表明中孔碳复合物是很有序的。另外，实施例1中制备的中孔碳复合物与对比例1中制备的中孔碳具有相似的结构均匀性，表明即使其涂有聚吡咯时，所述中孔碳复合物在结构上也没有改变。
图4图示了对实施例1中制备的中孔碳复合物的GC-MS分析结果。
参照图4，从在约4分钟时观察到的峰可以看出，实施例1中制备的中孔碳复合物含有吡咯。
图5图示了对实施例1中制备的中孔碳复合物和对比例1中制备的中孔碳的薄膜电阻的测量结果。薄膜电阻测量如下。
采用4-点探针法测量薄膜电阻。将50mg实施例1的中孔碳复合物放入薄膜电阻测量系统中(CMT系列，Changmintech)，并在向其施加75.4kgf/cm2的压力时测量薄膜电阻。薄膜电阻测量系统包括4个电极，也就是位于含有要被测量的材料的容器的底部的一对用于测量电压的电极和一对用于测量电流的电极。
参照图5，实施例1的中孔碳复合物的薄膜电阻远低于对比例1的中孔碳。
图6为实施例1中制备的中孔碳复合物和对比例1中制备的中孔碳的氮吸附-解吸曲线图。
从图6所示的氮吸附-解吸曲线计算实施例1中制备的中孔碳复合物和对比例1中制备的中孔碳的孔径分布，结果示于图7中。
参照图6，实施例1的中孔碳复合物与对比例1中制备的中孔碳具有相似的氮吸附-解吸曲线。这是因为导电聚合物仅涂布在中孔碳颗粒外表面上。
在表1中示出了实施例1的中孔碳复合物和对比例1的中孔碳的表面积、孔隙体积和孔隙直径。
表1

从表1中可以看出，实施例1和对比例1中制备的样品具有较大的表面积和相似的与中孔对应的孔隙体积。因而，具有这些物理性质的中孔碳样品可以用作燃料电池的催化剂载体或者用作电极材料本身。
实施例2制备担载催化剂和燃料电池将0.5g实施例1中制备的中孔碳放入乙烯塑料袋(vinyl bag)中，并将0.9616g H2PtCl6溶解在1.5ml丙酮中。向含有中孔碳的乙烯塑料袋中加入所述溶液。
将混合溶液在空气中干燥4小时，转移到坩锅中，然后在60℃的干燥装置中干燥过夜。接着，将坩锅放入通氮的电炉中。通氮10分钟。在温度从室温升至200℃时，通氢，然后在200℃维持2小时，从而还原浸渍在中孔碳中的Pt盐。电炉中的气流用氮气置换。温度以5℃/分钟升至250℃，维持5小时，然后缓慢冷却至室温。接着，用溶解在1.5ml丙酮中的0.9616gH2PtCl6浸渍所述产物。结果，获得其中浸渍的Pt浓度为60％重量的担载催化剂。
将该担载催化剂分散在溶液中形成浆料，该浆料是通过将Nafion 115(由Dufont公司制备)分散在异丙醇中制备的。通过喷涂工艺将该浆料涂布在碳电极上，涂布的催化剂的浓度按Pt的量计为3mg/cm2。接着，使电极穿过辊压机，以增加催化剂层和碳纸之间的粘合力，从而形成阴极。
采用通常可以得到的PtRu黑催化剂制备阳极。接着，利用所述阴极和阳极制备单元电池。
对比例2制备担载催化剂和燃料电池按照与实施例2相同的方法，利用根据对比例1制备的担载催化剂制备单元电池。
在50℃下，在提供2M甲醇和过量的空气的同时，测量单元电池的性能。
实施例2中制备的燃料电池具有比对比例2中制备的燃料电池更高的效率。
本发明的中孔碳复合物仅在其外表面上涂有导电聚合物以减少中孔碳复合物的薄膜电阻，因而能够有效地传输电能。这种中孔碳复合物可以用作燃料电池的电极的导电材料。当中孔碳复合物用作电极催化剂的载体时，含有该载体的担载催化剂能够用于制备效率提高的燃料电池。
尽管已经参照其示例性实施方案具体地说明和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将会理解其中可以进行各种形式和细节的变化，而不脱离由所附的权利要求书限定的本发明的构思和范围。
权利要求
1.一种中孔碳复合物，其包括具有中孔的中孔碳；仅涂布在该中孔碳的外表面上的导电聚合物；及由锂盐和有机溶剂构成的有机电解液。
2.根据权利要求1的中孔碳复合物，其中所述导电聚合物为至少一种选自聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩和聚(p-亚苯基)的聚合物，或者上述聚合物的单体和乙烯单体的共聚物。
3.根据权利要求1的中孔碳复合物，其中所述导电聚合物的量按100重量份的中孔碳计为0.5～8重量份。
4.根据权利要求1的中孔碳复合物，其中所述中孔碳的中孔的平均直径为2～10nm，且该中孔碳复合物具有200～2000m2/g的比表面积和在75.4kgf/cm2的压力下的30～100mΩ/cm2的薄膜电阻。
5.根据权利要求1的中孔碳复合物，其中所述锂盐的量按100重量份的中孔碳计为0.1～10重量份，所述有机溶剂的量按100重量份的中孔碳计为0.01～10重量份。
6.根据权利要求1的中孔碳复合物，其中对于波长为1.541的CuK-αX-射线，主峰出现在布拉格角2θ为1.0±0.4°处，并且在10°以内出现一个或多个峰。
7.一种制备中孔碳复合物的方法，该方法包括混合碳前体、酸和溶剂，得到碳前体混合物；用该碳前体混合物浸渍有序的中孔二氧化硅(OMS)；热处理并碳化所浸渍的OMS，形成OMS-碳复合物；将该OMS-碳复合物与用于形成导电聚合物的单体和溶剂混合，以在OMS-碳复合物表面提供用于形成导电聚合物的单体；聚合该单体；从聚合产物中除去OMS；及将所得产物与由锂盐和有机溶剂构成的有机电解液混合。
8.根据权利要求7的方法，其中所述用于形成导电聚合物的单体为至少一种选自吡咯、苯胺和噻吩的单体，并且该单体的量按100重量份的OMS-碳复合物计为0.1～10重量份。
9.根据权利要求7的方法，其中所述聚合是在0～60℃下进行的。
10.一种担载催化剂，其包括根据权利要求1～6中任一项的中孔碳复合物；及担载在该中孔碳复合物上的金属催化剂颗粒。
11.根据权利要求10的担载催化剂，其中所述金属催化剂颗粒的量按100重量份的担载催化剂计为40～80重量份。
12.一种燃料电池，其包括阴极；阳极；及介于阴极和阳极之间的电解质膜，其中所述阴极和阳极中至少有一个包含根据权利要求10的担载催化剂。
全文摘要
本发明提供一种中孔碳复合物，及其制备方法，含有该中孔碳复合物的担载催化剂，以及采用含有所述中孔碳复合物的电极的燃料电池，所述中孔碳复合物包括具有中孔的中孔碳；仅涂布在该中孔碳的外表面上的导电聚合物；及由锂盐和有机溶剂构成的有机电解液。所述中孔碳复合物涂有导电聚合物以降低中孔碳复合物的薄膜电阻，因而能够有效地传输电能。这种中孔碳复合物可以用作燃料电池的电极的导电材料或者用作电极催化剂的载体。具体地，当中孔碳复合物用作电极催化剂的载体时，含有该载体的担载催化剂可以用于制备效率提高的燃料电池。
文档编号B01J32/00GK1917258SQ20061008764
公开日2007年2月21日 申请日期2006年5月31日 优先权日2005年8月20日
发明者朴灿镐, 崔容硕, 张赫, 朱相熏 申请人:三星Sdi株式会社