结构体10的碳化合物11具有紧密重叠的结构。所谓紧密重叠的层叠状态，是在将柱状结构体11或碳纤维放大400万倍的??Μ图像中，在可确认石墨烯面11的区域，石墨烯面11所占的面积为50%以上，具有石墨烯面11中50%以上与其它的石墨烯面11重叠的部分。若石墨烯是紧密重叠的状态，则具有结构稳定的优点。
[0034]图3的示意图表示碳化合物11的原子结构和碳材料中所包含的金属等的例子。石墨烯骨架21的一部分碳原子被氮原子置换。另外，石墨烯骨架21的骨架的一部分碳原子和氧原子也可以键合。碳材料有时还含有金属粒子22、金属离子23或磷化合物24等。碳化合物11中还可以含有无置换的形态的化合物。
[0035]氮原子将碳化合物11的石墨烯骨架21的碳原子的一部分置换。氮原子的置换形态分类为季氮、批啶氮、批咯.吡啶酮氮、与氧键合的氮。
[0036]氮原子对碳原子的置换量优选氮原子相对于碳原子为0.latom%以上SOatom1^以下。若氮置换量比该下限值少，则催化剂活性小，不优选。另外，若氮置换量比该上限值大，则石墨烯结构散乱，由此电阻增大，不优选。更优选3at0m%以上、20atOm%以下。
[0037]氧原子与碳化合物11的石墨烯骨架21的一部分碳原子键合。若石墨烯骨架21中含有氧原子，能够减少在氧还原催化剂制造后氧分子等所致的长期劣化的影响。氧原子和碳原子的键合形态包含醚型、酮型、醇型、酚型、羧酸型等。另外，氧原子有时包含于磷化合物内，有时也作为金属氧化物包含于碳材料内。
[0038]氧原子的导入量优选氧原子相对于碳原子为Satom1^以上10atom1^以下。若氧原子的导入量比该下限值少，则相对于氧而言，催化剂活性的变动增大。另外，若氧原子的导入量比该上限值大，则电阻增大，同时对水的亲和性增大，容易引起称为溢流现象的空气扩散的阻碍。
[0039]本实施方式的碳材料也可以包含金属粒子22或其离子23。该情况下，金属优选选自铁、钴及锰等的一种以上。金属粒子的大小例如为Inm以上1nm以下。若含有这些金属粒子或金属离子，制作氧还原催化剂时石墨化易进行，因此氧还原催化剂的耐久性进一步提高。另外，通过金属和石墨烯的电子间的相互作用，催化剂的活性提高。金属原子的量优选为碳原子的Iatom^以下。若为Iatom^以上，则金属离子进入电解质膜而阻碍电荷移动的可能性增大。
[0040]在本实施方式的碳材料中也可以含钼粒子。在使用钼粒子的情况下，实施方式的碳材料成为钼的载体。钼粒子的大小可以使用例如为Inm以上1nm以下的通常作为氧还原催化剂使用的粒径的大小。由于氮原子被置换，因此使钼粒子减少，同时作为钼粒子的附着位点的石墨烯变多，因此能够不易脱离。只要添加相对于碳材料0.lwt%以上的钼，即使极少量就可以提高活性。另外，通过事先在碳材料中导入抑制碳腐蚀的氧，能够进一步防止钼从载体脱离，能够抑制钼的使用量。
[0041]作为实施方式的碳材料所含的磷化合物24,可举出单磷酸(monophosphate)、寡磷酸(oligophosphate)及多磷酸(polyphosphate)中的一种以上。磷化合物包含于碳纤维的外部或内部间。优选利用磷化合物的存在捕获自由基，由此可以防止碳材料的劣化。根据XPS，由在源自寡磷酸的132.0?133.0eV、源自由2分子正磷酸缩合成的寡磷酸即焦磷酸盐的132.6?133.3eV和源自多磷酸盐的134.0?134.5eV处的2p轨道的电子释放能量的峰即可知道磷化合物的存在。
[0042]碳材料中所包含的各原子的量可以使用X射线光电子能谱(XPS:X_rayphotoelectron spectroscopy)进行测定。作为XPS装置，例如使用PHI公司制Quantum-2000，X射线源使用单晶分光AlK α射线，输出功率40W，分析区域为直径200 μ m,通过能量:ffide Scan-187.85eV(l.60eV/ 步)、Narrow Scan-58.70eV(0.125eV/ 步)，同时使用Ar+，e-作为静电中和枪，以几何学:θ =45° (θ:试样表面与检测器之间的角度)进行。为了防止充电，根据需要采用导电性带等对测定试样进行通电。
[0043]以下，对本实施方式的碳材料的制造方法进行说明。
[0044]对于实施方式的碳材料来说，具有石墨烯面重叠的结构的碳纤维含有金属粒子，优选具有使金属粒子溶解的工序、工序后使碳原子的一部分被氮原子置换的工序。
[0045]而且，使碳原子的一部分被氮原子置换的工序优选在含有高锰酸钾的酸性溶液中对碳纤维进行氧化处理，氧化处理后，用肼或氨进行处理、加热。在上述氧化处理时金属粒子发生溶解。
[0046]由于具有石墨烯面11紧密重叠的结构的碳纤维含有金属粒子，所以优选使用金属粒子作为催化剂，供给甲烧、氢和IS气等，通过CVD(Chemical Vapor Deposit1n:化学气相沉积)法制造碳纤维的方法。作为金属粒子，优选铁或钴、镍，其中，更优选铁。作为金属粒子的直径，优选30nm?500nm。可以根据金属粒子的直径控制碳纤维的直径。若金属粒子过小，则制造出了碳纳米管，若金属粒子过大，难以进行粒径的控制，不优选。
[0047]作为以氮原子置换碳原子一部分的工序，优选用高锰酸钾等将碳纤维的碳原子氧化，接着用肼或氨进行处理。用高锰酸钾等对碳原子的氧化优选在酸溶液中加入高锰酸钾来进行。适合的酸的浓度、处理时间及处理温度根据各条件而改变。作为适合的条件的一个例子为硫酸I摩尔、硝酸0.02摩尔、高锰酸钾0.05摩尔的混合物，从0°C开始慢慢提升温度进行碳纤维的氧化处理即可。此时，金属粒子也溶解。优选在用高锰酸钾处理后进行用肼或氨的处理。用肼或氨的处理可举出:在气相中或者在氧化物上涂布或喷雾肼或氨，在70°C以上150°C以下(80°C左右)加热大约I小时的处理或在氧化物的水分散液中添加肼或氨并进行加热等。另外，也可以将这些处理组合。另外，优选对肼或氨在400°C?1100°C的高温进行处理。优选处理温度为700°C以上900°C以下。更优选在含有氨的气体中进行高温处理。在原料中含有非常多的氧原子的情况下，若含有氢，则可以适量控制氧量，因而优选。在本工序后，碳纤维通过氧化处理切断碳原子间的键合，在被切断的碳纤维的端部产生凹部。
[0048]另外，在上述400°C?1100°C的高温处理时，也可以含有含氮聚合物、含氮金属化合物或磷化合物。只要对这些化合物和肼处理物的混合物进行高温处理即可。这些化合物中所含的金属在碳材料中作为金属离子存在。作为含氮聚合物可举出例如:密胺树脂、胍胺树脂、苯并胍胺树脂、脲树脂、聚丙烯腈、聚苯胺、聚苯二胺等。作为含氮金属化合物，优选铁或钴的化合物，可举出例如:酞菁铁、酞菁钴、叶啉铁、叶啉钴等。也可以在被烧结物中混合金属化合物。作为金属化合物，例如有硫酸铁、硫酸钴、氯化铁、氯化钴等。作为磷化合物，可举出:三苯基膦、磷腈衍生物、磷酸、多磷酸等。
[0049]在将钼纳米粒子导入碳材料时，通过使氯钼酸的水溶液中分散碳材料，用硼氢化钠等还原剂还原钼离子，生成钼纳米粒子来进行。
[0050]优选将实施方式的碳材料用于电化学电池。图4是表不本实施方式的电化学电池30的截面结构的概念图。31为正极，33为负极，32为电解质，被正极31和负极33夹持。31和33与外部电路34连接。优选通过使正极31或负极33含有实施方式的作为高活性催化剂的碳材料，提高电化学电池的性能。
[0051 ] 优