DE102021123491A1

DE102021123491A1 - Poröser kohlenstoff, katalysator-träger, und verfahren zur herstellung des porösen kohlenstoffs

Info

Publication number: DE102021123491A1
Application number: DE102021123491.3A
Authority: DE
Inventors: Yunan Wang; Rui Imoto; Tomohiro OHNISHI; Toshiyuki Yokoi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2022-04-21
Also published as: JP2022065352A; US20220119260A1; CN114373949A; JP7484650B2

Abstract

Ein poröser Kohlenstoff wird durch ein Verfahren hergestellt, in welchem eine Kohlenstoff-Quelle und ein Porenbildungsmittel zu sphärischem Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient, zugegeben werden, dann die Kohlenstoffquelle polymerisiert und karbonisiert wird, und schließlich das sphärische bzw. kugelförmige Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient, entfernt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen porösen Kohlenstoff, einen Katalysator-Träger, und ein Verfahren zur Herstellung des porösen Kohlenstoffs.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bekannt ist eine Brennstoffzelle, in welcher ein Anodengas, wie Wasserstoff, mit einem Kathodengas, wie Sauerstoff, zur chemischen Reaktion gebracht wird, um dadurch Elektrizität zu erzeugen.
In einer derartigen Brennstoffzelle werden jeweils ein Anodengas, wie Wasserstoff (Brenngas), und ein Kathodengas, wie Sauerstoff (Oxidansgas), zwei elektrisch verbundenen Elektroden zugeführt, und der Brennstoff wird elektrochemisch oxidiert, um dadurch chemische Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln.
Eine derartige Brennstoffzelle besteht aus einer Mehrzahl an gestapelten Einheitszellen, wobei jede als eine Basisstruktur eine Membran-Elektrodeneinheit umfasst, welche aus einer zwischen einem Paar Elektroden sandwichartig angeordneten Elektrolytmembran besteht. Insbesondere soll eine Feststoff-Polyelektrolyt-Brennstoffzelle, welche eine Feststoff-Polyelektrolytmembran umfasst, als eine tragbare Stromquelle bzw. Energiequelle für Mobilgeräte oder als eine Energiequelle für Fahrzeuge (z.B. elektrische Fahrzeuge) verwendet werden, da die Brennstoffzelle zum Beispiel insofern vorteilhaft ist, dass sie leicht verkleinert werden kann und sie bei einer niedrigen Temperatur in Betrieb ist.
Es ist bekannt, dass die einzelne Zelle bzw. Einheitszelle einer derartigen Feststoff-Polyelektrolyt-Brennstoffzelle zum Beispiel aus einem geschichteten Produkt besteht, in welchem ein anodenseitiger Separator, eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht, eine anodenseitige Katalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine kathodenseitige Katalysatorschicht, eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht, und einen kathodenseitigen Separator in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
In der Feststoff-Polyelektrolyt-Brennstoffzelle besteht die Katalysatorschicht im Allgemeinen aus einer Mischung eines Ionomers und eines Elektrodenkatalysators einschließlich eines Katalysator-Trägers und feinen Partikel eines Katalysator-Metalls (z.B. Platin), welches auf der Oberfläche des Katalysator-Trägers geträgert ist bzw. getragen wird. Der Katalysator-Träger ist aus einem porösen Kohlenstoffmaterial hergestellt. Es ist bekannt, dass der Porendurchmesser, die spezifische Oberfläche, etc. des porösen Kohlenstoffmaterials die Eigenschaften der Brennstoffzelle beeinflussen.
Es wurde ein Versuch gemacht, mesoporösen Kohlenstoff, welcher zum Beispiel einen regulierten bzw. festgelegten bzw. gesteuerten Porendurchmesser und eine spezifische Oberfläche aufweist, als das poröse Kohlenstoffmaterial zur Bildung eines derartigen Katalysator-Trägers zu verwenden.
Die japanische Patentanmeldung Nr. 2010-265125 ( JP 2010-265125 A ) schlägt ein Verfahren vor, in welchem eine Kohlenstoffquelle zu einem sphärischen bzw. kugelförmigen, mesoporösen Siliziumdioxid-Templat zugegeben wird, dann wird die Kohlenstoffquelle verkohlt bzw. karbonisiert, und anschließend wird das sphärische, mesoporöse Siliziumdioxid entfernt, um dadurch ein sphärisches, poröses Kohlenstoffprodukt herzustellen, auf welches die Struktur des sphärischen, mesoporösen Siliziumdioxids übertragen wird.
Da die Struktur des mesoporösen Siliziumdioxids auf den durch das Verfahren von JP 2010-265125 A hergestellten porösen Kohlenstoff übertragen wird, kann der poröse Kohlenstoff mit verschiedenen Gestalten, welche von der Struktur des Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, abhängen, bereitgestellt sein. Es ist jedoch schwierig, die Struktur des porösen Kohlenstoffs während der Übertragung der Struktur auf das Siliziumdioxid zu regulieren bzw. steuern, wobei der resultierende poröse Kohlenstoff eine Gestalt aufweist, welche der ursprünglichen Gestalt des Templats entspricht.
Die japanische Patentanmeldung (Übersetzung der PCT-Anmeldung) Nr. 2004-525846 ( JP 2004-525846 A ) offenbart eine Technik zur Herstellung von sphärischem, mesoporösem Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient, wobei ein organisches Molekül, wie TMB (1,3,5-Trimethylbenzol) als ein Porenbildungsagens bzw. Porenbildungsmittel verwendet wird, um die Porengröße des Siliziumdioxids zu regulieren bzw. steuern.
Obwohl die Technik von JP 2004-525846 A die Struktur des mesoporösen Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, regulieren bzw. steuern kann, kann die Technik die Struktur des porösen Kohlenstoffs, während das Templat darauf übertragen wird, nicht regulieren bzw. steuern. Ebenso steht der Technik beim Regulieren bzw. Steuern der Poren die Schwierigkeit der Struktur des sphärischen, mesoporösen Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, entgegen; zum Beispiel werden, abhängig von der zugegebenen Menge an TMB, weniger wahrscheinlich Mesoporen bereitgestellt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt porösen Kohlenstoff bereit, welcher eine gewünschte Struktur und gewünschte physikalische Eigenschaften aufweist, und welcher durch Regulieren bzw. Steuern der Struktur des Kohlenstoffs, während der Übertragung der Struktur des sphärischen Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, auf den Kohlenstoff, hergestellt wird. Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ebenso einen Katalysator-Träger, und ein Verfahren zur Herstellung von porösen Kohlenstoff bereit.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass poröser Kohlenstoff, welcher eine gewünschte Struktur und regulierte physikalische Eigenschaften aufweist, durch ein Verfahren hergestellt werden kann, in welchem eine Kohlenstoffquelle und ein Porenbildungsmittel zu sphärischem Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient, zugegeben werden, dann wird die Kohlenstoffquelle polymerisiert und verkohlt, und schließlich wird das sphärische Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient, entfernt. Die vorliegende Erfindung wurde auf Basis dieser Erkenntnis fertiggestellt. Dementsprechend sind die Aspekte der vorliegenden Erfindung wie folgt.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf einen porösen Kohlenstoff gerichtet, welcher aufweist:

eine spezifische BET-Oberfläche von 1100 m²/g bis 2000 m²/g; und
ein Gesamtporenvolumen V_PT von 1,0 m³/g bis 10,0 m³/g, wobei:
- ein Porenvolumen V_P3~6nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen, 20 % bis 50 % des Gesamtporenvolumens V_PT; ist; und
- ein Porenvolumen V_P6∼20nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, 15 % bis 45 % des Gesamtporenvolumens V_PT ist.

Der poröse Kohlenstoff kann einen mittleren Porendurchmesser von 3 nm bis 50 nm aufweisen.
Der poröse Kohlenstoff kann einen mittleren Primärpartikel-Durchmesser von 30 nm bis 200 nm aufweisen.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf einen Katalysator-Träger gerichtet, welcher den vorstehend genannten porösen Kohlenstoff enthält.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Kohlenstoffs gerichtet, wobei das Verfahren umfasst:

(a) Herstellen einer Ausgangsmaterial- bzw. Rohmaterial-Dispersion, welche ein kettenartiges Siliziumdioxid bzw. Ketten- Siliziumdioxid, bestehend aus Ketten-verknüpften Siliziumdioxid-Partikeln, eine Kohlenstoffquelle, und ein Porenbildungsmittel enthält;
(b) Polymerisieren der Kohlenstoffquelle in Anwesenheit des Porenbildungsmittels, um ein Kohlenstoffquelle-Polymer zu bilden, um das Kohlenstoffquelle-Polymer und das Porenbildungsmittel bzw. Porenbildungsagens auf einer Oberfläche des Ketten-Siliziumdioxids bereitzustellen, um ein Komposit herzustellen;
(c) Brennen bzw. Befeuern des Komposits, um das Kohlenstoffquelle-Polymer zu verkohlen und das Porenbildungsmittel zu entfernen, um ein Komposit-Carbid herzustellen; und
(d) Entfernen des Ketten-Siliziumdioxids vom Komposit-Carbid, um porösen Kohlenstoff herzustellen.

Die Siliziumdioxid-Partikel können einen mittleren Partikeldurchmesser von 3 nm bis 50 nm aufweisen.
Das Ketten-Siliziumdioxid kann eine mittlere Länge von 15 nm bis 120 nm aufweisen.
Die Kohlenstoffquelle kann Furfurylalkohol sein.
Das Porenbildungsmittel kann 1,3,5-Trimethylbenzol sein.
Wenn der poröse Kohlenstoff des Aspekts der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, werden eine Kohlenstoffquelle und ein Porenbildungsagens zum sphärischen Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient, zugegeben. Deshalb weist der poröse Kohlenstoff Mesoporen auf, auf welche die Gestalt des sphärischen Siliziumdioxids übertragen wird, und die Mesoporen weisen eine große Größe auf, welche dem Porenbildungsmittel zugeschrieben wird. Folglich weist der poröse Kohlenstoff eine korallenähnliche hochgeordnete Struktur bzw. korallenähnliche Struktur höherer Ordnung auf.
Deshalb kann, wenn zum Beispiel der Partikeldurchmesser des sphärischen Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, und die Menge des Porenbildungsmittels in Übereinstimmung mit der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs reguliert werden, der resultierende poröse Kohlenstoff eine regulierte spezifische Oberfläche, ein reguliertes Porenvolumen, und eine regulierte Porengrößenverteilung zeigen. Dadurch kann der poröse Kohlenstoff in verschiedenen Anwendungen geeignet bzw. passend verwendet werden.
Insbesondere weist der poröse Kohlenstoff des Aspekts der vorliegenden Erfindung eine Struktur höherer Ordnung einschließlich größenverteilten Mesoporen auf, und deshalb zeigt der poröse Kohlenstoff eine große spezifische Oberfläche und ein großes Porenvolumen.
Der poröse Kohlenstoff, welcher eine große spezifische Oberfläche, ein großes Gesamtporenvolumen, und eine spezifische Menge an Mesoporen aufweist, ist als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle sehr nützlich, und erzielt die Bildung einer Katalysatorschicht, welche eine hohe Katalysator-Reaktivität und eine hohe MaterialTransportfähigkeit zeigt. Deshalb kann die Verwendung des porösen Kohlenstoffs des Aspekts der vorliegenden Erfindung als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle eine Verbesserung der Eigenschaften der Brennstoffzelle erreichen.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile, und technische und industrielle Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug zur beigefügten Zeichnung beschrieben, in welcher gleiche Symbole gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:

1 zeigt eine Porengrößenverteilung der Poren, welche einen Porendurchmesser von 2 nm oder mehr und 30 nm oder weniger in porösen Kohlenstoffen, welche in den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, aufweisen;
2 zeigt eine Porengrößenverteilung von Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 9 nm oder weniger in den porösen Kohlenstoffen, welche in den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, aufweisen;
3 zeigt eine Porengrößenverteilung von Poren, welche einen Porendurchmesser von 7 nm oder mehr und 21 nm oder weniger in den porösen Kohlenstoffen, welche in den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, aufweisen;
4 ist ein mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtetes Bild des in Beispiel 1 hergestellten porösen Kohlenstoffs;
5 ist ein mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtetes Bild des in Beispiel 1 hergestellten porösen Kohlenstoffs;
6 ist ein mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtetes Bild des in Beispiel 2 hergestellten porösen Kohlenstoffs;
7 ist ein mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtetes Bild des in Beispiel 3 hergestellten porösen Kohlenstoffs;
8 ist ein mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtetes Bild des in Vergleichsbeispiel 1 hergestellten porösen Kohlenstoffs; und
9 ist ein mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtetes Bild des in Vergleichsbeispiel 2 hergestellten porösen Kohlenstoffs.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend im Detail beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachfolgenden Ausführungsformen beschränkt, und kann in verschiedenen Abänderungen realisiert werden.
Poröser Kohlenstoff
Der poröse Kohlenstoff einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine große spezifische Oberfläche, ein großes Porenvolumen, und eine spezifische Menge an Mesoporen auf.
Wenn der poröse Kohlenstoff der vorliegenden Ausführungsform hergestellt wird, werden eine Kohlenstoffquelle und ein Porenbildungsmittel zum sphärischen Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient, zugegeben. Deshalb weist der poröse Kohlenstoff Mesoporen auf, auf welche die Gestalt des sphärischen Siliziumdioxids übertragen wird, und die Mesoporen weise eine große Größe auf, welche dem Porenbildungsmittel zugeschrieben wird.
Der poröse Kohlenstoff weist eine korallenähnliche Struktur höherer Ordnung einschließlich größenverteilten Mesoporen auf.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Mesoporen“ allgemein auf Poren, welche einen Porendurchmesser von 2 nm bis 50 nm aufweisen. Unter den Mesopren des porösen Kohlenstoffs tragen die Mesoporen, welche einen Porendurchmesser von 2 nm bis 6 nm aufweisen, zu einer Vergrößerung der spezifischen Oberfläche des porösen Kohlenstoffs bei. Deshalb tragen, wenn der poröse Kohlenstoff zum Beispiel als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, die Mesoporen, welche einen Porendurchmesser von 2 nm bis 6 nm aufweisen, zu einer Erhöhung des Prozentsatzes der feinen Partikel eines auf der Oberfläche des Trägers geträgerten Katalysator-Metalls (z.B. Platin), und einer Verbesserung der Träger-Gleichmäßigkeit bei. Deshalb spielen derartige Mesoporen im porösen Kohlenstoff eine Rolle bei der Verleihung hoher elektrischer Leitfähigkeit an eine Katalysatorschicht der Brennstoffzelle, und beim Vorantreiben bzw. Promotieren einer Katalysator-Reaktion.
Wenn der poröse Kohlenstoff als zum Beispiel eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle verwendet wird, tragen die Mesoporen, welche einen Porendurchmesser von 2 nm bis 6 nm aufweisen, zu einer Verbesserung des Gasdiffusionsvermögens bei und spielen eine Rolle bei der Verbesserung der Leistung bzw. Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle.
Währenddessen tragen, wenn der poröse Kohlenstoff zum Beispiel als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, Mesoporen, welche einen Porendurchmesser von 6 nm bis 20 nm im porösen Kohlenstoff aufweisen, zu einer Verbesserung der Materialmobilität außerhalb des Trägers bei. Dadurch spielen derartige Mesoporen im porösen Kohlenstoff eine Rolle bei der Erhöhung der Leistung bzw. des Outputs der Brennstoffzelle.
Deshalb ist der poröse Kohlenstoff, welcher die vorstehend genannten zwei Typen von Mesoporen, eine große spezifische Oberfläche, und ein großes Gesamtporenvolumen aufweist, sehr nützlich als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle.
Spezifische BET-Oberfläche
Der poröse Kohlenstoff der vorliegenden Ausführungsform weist eine spezifische BET-Oberfläche von 1100 m²/g bis 2000 m²/g auf.
Wenn die spezifische BET-Oberfläche 1100 m²/g bis 2000 m²/g ist, kann der poröse Kohlenstoff in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Insbesondere wird, wenn der poröse Kohlenstoff als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, eine vorteilhafte Katalysator-Leistung erreicht.
Wenn die spezifische BET-Oberfläche weniger als 1100 m²/g ist, führt die Verwendung des porösen Kohlenstoffs als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle zu einer Verringerung der Katalysatoraktivität. Währenddessen wird, wenn die spezifische BET-Oberfläche mehr als 2000 m²/g ist, einer Schwierigkeit bei der Erhöhung des Prozentsatzes an Mikroporen im porösen Kohlenstoff begegnet.
Die spezifische BET-Oberfläche kann zum Beispiel durch Regulieren des Partikeldurchmessers des sphärischen Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, und der Menge eines Porenbildungsmittels im nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs eingestellt werden.
Die spezifische BET-Oberfläche kann 1150 m²/g oder mehr, 1200 m²/g oder mehr, 1300 m²/g oder mehr, 1400 m²/g oder mehr, 1500 m²/g oder mehr, 1600 m²/g oder mehr, 1700 m²/g oder mehr, 1800 m²/g oder mehr, oder 1900 m²/g oder mehr sein. Die spezifische BET-Oberfläche kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs geeignet bestimmt werden.
Die spezifische BET-Oberfläche kann 1900 m²/g oder weniger, 1800 m²/g oder weniger, 1700 m²/g oder weniger, 1600 m²/g oder weniger, 1500 m²/g oder weniger, 1400 m²/g oder weniger, 1300 m²/g oder weniger, 1200 m²/g oder weniger, oder 1150 m²/g oder weniger sein. Die spezifische BET-Oberfläche kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs geeignet bestimmt werden.
Gesamtporenvolumen V_PT
Der poröse Kohlenstoff der vorliegenden Ausführungsform weist ein Gesamtporenvolumen V_PT von 1,0 m³/g bis 10,0 m³/g, bestimmt durch das BJH-(Barrett, Joyner, Hallender)-Verfahren, auf. Wie in der vorliegenden Beschreibung verwendet, entspricht „Poren“, welches im Gesamtporenvolumen V_PT enthalten ist, Poren, welche einen Porendurchmesser von 2 nm oder mehr und 200 nm oder weniger aufweisen.
Wenn das Gesamtporenvolumen V_PT 1,0 m³/g bis 10,0 m³/g ist, kann der poröse Kohlenstoff in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Insbesondere wird, wenn der poröse Kohlenstoff als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, eine vorteilhafte Katalysator-Leistung erreicht.
Wenn das Gesamtporenvolumen V_PT weniger als 1,0 m³/g ist, führt die Verwendung des porösen Kohlenstoffs als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle zu einer Verringerung der Katalysatoraktivität. Währenddessen wird, wenn das Gesamtporenvolumen V_PT mehr als 10,0 m³/g ist, der Schwierigkeit der Erhöhung des Prozentsatzes an Mesoporen im porösen Kohlenstoff begegnet.
Das Gesamtporenvolumen V_PT kann zum Beispiel durch Regulieren bzw. Steuern des Partikeldurchmessers des sphärischen Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, und der Menge eines Porenbildungsmittels im nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs eingestellt werden.
Das Gesamtporenvolumen V_PT kann 1,3 m³/g oder mehr, 2,0 m³/g oder mehr, 3,0 m³/g oder mehr, 4,0 m³/g oder mehr, 5,0 m³/g oder mehr, 6,0 m³/g oder mehr, 7,0 m³/g oder mehr, 8,0 m³/g oder mehr, oder 9,0 m³/g oder mehr sein. Das Gesamtporenvolumen V_PT kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs geeignet bestimmt werden.
Das Gesamtporenvolumen V_PT kann 9,0 m³/g oder weniger, 8,0 m³/g oder weniger, 7,0 m³/g oder weniger, 6,0 m³/g oder weniger, 5,0 m³/g oder weniger, 4,0 m³/g oder weniger, 3,0 m³/g oder weniger, 2,0 m³/g oder weniger, oder 1,3 m³/g oder weniger sein. Das Gesamtporenvolumen V_PT kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs geeignet bestimmt werden.
Porenvolumen V_P3~6nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen
Im porösen Kohlenstoff der vorliegenden Ausführungsform ist das Porenvolumen V_P3∼6nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen, bestimmt durch das BJH-(Barrett, Joyner, Hallender)-Verfahren, 20 % bis 50 % des Gesamtporenvolumens V_PT.
Wenn das Porenvolumen V_P3∼6nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen, 20 % bis 50 % des Gesamtporenvolumens V_PT ist, kann der poröse Kohlenstoff in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Insbesondere wird, wenn der poröse Kohlenstoff als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, eine vorteilhafte Katalysator-Leistung erreicht.
Wenn das Porenvolumen V_P3∼6nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen, weniger als 20 % des Gesamtporenvolumens V_PT ist, führt die Verwendung des porösen Kohlenstoffs als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle zu einer Verringerung der Katalysatoraktivität. Währenddessen wird, wenn das Porenvolumen V_P3∼6nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen, mehr als 50 % des Gesamtporenvolumens V_PT ist, der Schwierigkeit der Erhöhung des Prozentsatzes der großen bzw. großdimensionierten Mesoporen im porösen Kohlenstoff begegnet. Deshalb trägt, wenn der poröse Kohlenstoff als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, der poröse Kohlenstoff weniger wahrscheinlich zu einer Verbesserung der Materialmobilität außerhalb des Trägers bei.
Das Porenvolumen V_P3∼6nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen, kann zum Beispiel durch Regulieren des Partikeldurchmessers des sphärischen Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, im nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs eingestellt werden.
Das Porenvolumen V_P3∼6nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen, kann 25 % oder mehr, 30 % oder mehr, 35 % oder mehr, 40 % oder mehr, oder 45 % oder mehr sein. Das Porenvolumen V_P3∼6nm kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs geeignet bestimmt werden.
Das Porenvolumen V_P3∼6nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen, kann 45 % oder weniger, 40 % oder weniger, 35 % oder weniger, 30 % oder weniger, oder 20 % oder weniger sein. Das Porenvolumen V_P3∼6nm kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs geeignet bestimmt werden.
Porenvolumen V_P6∼20nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen
Im porösen Kohlenstoff der vorliegenden Ausführungsform ist das Porenvolumen V_P6~20nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, bestimmt durch das BJH-(Barrett, Joyner, Hallender)-Verfahren, 15 % bis 45 % des Gesamtporenvolumens V_PT.
Wenn das Porenvolumen V_P6~20nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, 15 % bis 45 % des Gesamtporenvolumens V_PT ist, kann der poröse Kohlenstoff in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Insbesondere kann, wenn der poröse Kohlenstoff als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, der poröse Kohlenstoff zu einer Verbesserung der Materialmobilität außerhalb des Trägers beitragen.
Wenn das Porenvolumen V_P6~20nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, weniger als 15 % des Gesamtporenvolumens V_PT ist, kann die Verwendung des porösen Kohlenstoffs als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle zur Schwierigkeit bei der Verbesserung der Materialmobilität außerhalb des Trägers führen. Währenddessen wird, wenn das Porenvolumen V_P6∼20nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, mehr als 45 % des Gesamtporenvolumens V_PT ist, der Schwierigkeit bei der Erhöhung des Prozentsatzes an kleinen bzw. kleindimensionierten Mesoporen im porösen Kohlenstoff begegnet.
Das Porenvolumen V_P6∼20nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, kann zum Beispiel durch Regulieren der Menge eines im nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs verwendeten Porenbildungsmittels eingestellt werden.
Das Porenvolumen V_P6∼20nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, kann 18 % oder mehr, 20 % oder mehr, 25 % oder mehr, 30 % oder mehr, oder 35 % oder mehr sein. Das Porenvolumen V_P6∼20nm kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs passend bestimmt werden.
Das Porenvolumen V_P6∼20nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, kann 40 % oder weniger, 35 % oder weniger, 30 % oder weniger, 25 % oder weniger, 20 % oder weniger, oder 15 % oder weniger sein. Das Porenvolumen V_P6~20nm kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs passend bestimmt werden.
Mittlerer Porendurchmesser
Der poröse Kohlenstoff der vorliegenden Ausführungsform weist einen mittleren Porendurchmesser von 3 nm bis 50 nm auf, bestimmt durch das BJH-(Barrett, Joyner, Hallender)-Verfahren.
Wenn der mittlere Porendurchmesser 3 nm bis 50 nm ist, kann der poröse Kohlenstoff in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Insbesondere wird, wenn der poröse Kohlenstoff als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, eine vorteilhafte Katalysator-Leistung erreicht.
Wenn der mittlere Porendurchmesser weniger als 3 nm ist, führt die Verwendung des porösen Kohlenstoffs als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle zu einer Verringerung der Katalysatoraktivität. Währenddessen wird, wenn der mittlere Porendurchmesser mehr als 50 nm ist, der Schwierigkeit bei der Erhöhung des Prozentsatzes an Mesoporen im porösen Kohlenstoff begegnet.
Der mittlere Porendurchmesser kann zum Beispiel durch Regulieren des Partikeldurchmessers des sphärischen Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, und der Menge des Porenbildungsmittels im nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs eingestellt werden.
Der mittlere Porendurchmesser kann 4 nm oder mehr, 5 nm oder mehr, 6 nm oder mehr, 8 nm oder mehr, 10 nm oder mehr, 20 nm oder mehr, 30 nm oder mehr, oder 40 nm oder mehr sein. Der mittlere Porendurchmesser kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs geeignet bestimmt werden.
Der mittlere Porendurchmesser kann 40 nm oder weniger, 30 nm oder weniger, 20 nm oder weniger, 10 nm oder weniger, 8 nm oder weniger, 6 nm oder weniger, 5 nm oder weniger, oder 4 nm oder weniger sein. Der mittlere Porendurchmesser kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs geeignet bestimmt werden.
Mittlerer Primärpartikel-Durchmesser
Der poröse Kohlenstoff der vorliegenden Ausführungsform weist einen mittleren Primärpartikel-Durchmesser von 30 nm bis 200 nm auf. Der Begriff „mittlerer Primärpartikel-Durchmesser“ wie hier verwendet, bezeichnet ein Zahlenmittel, welches wie folgt berechnet wird: mindestens 200 Primärpartikel des porösen Kohlenstoffs werden mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtet, der Äquivalenzkreis-Durchmesser eines idealen bzw. perfekten Kreises, welcher eine Fläche aufweist, welche der eines jeden beobachteten Primärpartikels entspricht, wird bestimmt, und die daraus bestimmten Äquivalenzkreis-Durchmesser werden gemittelt, d.h., durch die Gesamtzahl der Primärpartikel geteilt.
Wenn der mittlere Primärpartikel-Durchmesser 30 nm bis 200 nm ist, kann der poröse Kohlenstoff in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Insbesondere wird, wenn der poröse Kohlenstoff als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, eine vorteilhafte Katalysator-Leistung erreicht.
Wenn der mittlere Primärpartikel-Durchmesser weniger als 30 nm ist, wird der poröse Kohlenstoff schwierig zu handhaben. Währenddessen zeigt, wenn der mittlere Primärpartikel-Durchmesser mehr als 200 nm ist, der poröse Kohlenstoff eine verringerte spezifische Oberfläche. In einem derartigen Fall, wenn der poröse Kohlenstoff zum Beispiel als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, sind die aktiven Zentren des Katalysators verringert.
Der mittlere Primärpartikel-Durchmesser kann zum Beispiel durch Regulieren der Menge eines Porenbildungsmittels im nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs eingestellt werden. Eine Erhöhung der Menge eines verwendeten Porenbildungsmittels neigt dazu, zu einer Verringerung des mittleren Pirmärpartikel-Durchmessers des resultierenden porösen Kohlenstoffs zu führen.
Der mittlere Primärpartikel-Durchmesser kann 35 nm oder mehr, 40 nm oder mehr, 50 nm oder mehr, 60 nm oder mehr, 70 nm oder mehr, 80 nm oder mehr, 90 nm oder mehr, oder 100 nm oder mehr sein. Der mittlere Primärpartikel-Durchmesser kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs geeignet bestimmt werden.
Der mittlere Primärpartikel-Durchmesser kann 190 nm oder weniger, 180 nm oder weniger, 170 nm oder weniger, 160 nm oder weniger, 150 nm oder weniger, 140 nm oder weniger, 130 nm oder weniger, oder 120 nm oder weniger sein. Der mittlere Primärpartikel-Durchmesser kann gemäß der beabsichtigten Verwendung des porösen Kohlenstoffs geeignet bestimmt werden.
Anwendung des porösen Kohlenstoffs
Es ist keine besondere Beschränkung hinsichtlich der Anwendung des porösen Kohlenstoffs der vorliegenden Ausführungsform auferlegt. Da die spezifische Oberfläche, das Porenvolumen, und die Porengrößenverteilung des porösen Kohlenstoffs reguliert werden können, kann der poröse Kohlenstoff in verschiedenen Anwendungen geeignet verwendet werden.
Insbesondere ist der poröse Kohlenstoff der vorliegenden Ausführungsform, welcher eine hohe spezifische Oberfläche, ein großes Gesamtporenvolumen, und eine spezifische Menge an Mesoporen aufweist, sehr nützlich als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle. Wenn der poröse Kohlenstoff der vorliegenden Ausführungsform als ein Katalysator-Träger für eine Brennstoffzelle verwendet wird, zeigt die resultierende Katalysatorschicht hohe Katalysator-Reaktivität und hohe Materialtransportfähigkeit. Deshalb können die Eigenschaften der Brennstoffzelle verbessert werden.
Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs
Das nachstehende Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs der vorliegenden Ausführungsform ist ein Beispiel, um den vorstehend genannten porösen Kohlenstoff der vorliegenden Ausführungsform herzustellen. Das Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Schritte (a) bis (d), wie nachstehend beschrieben. Im Herstellungsverfahren werden eine Kohlenstoffquelle und ein Porenbildungsmittel zum sphärischen Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient, zugegeben, anschließend wird die Kohlenstoffquelle polymerisiert und karbonisiert bzw. verkohlt, und schließlich wird das sphärische Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient, entfernt.
Das Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Verwendung eines Ketten-Siliziumdioxids als ein Templat, und kann den porösen Kohlenstoff herstellen, auf welchen die Gestalt des Ketten-Siliziumdioxids übertragen wird.
Insbesondere umfasst das Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs der vorliegenden Ausführungsform die Zugabe eines Porenbildungsmittels, zusammen mit einer Kohlenstoffquelle, zum sphärischen Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient. Deshalb kann das Verfahren einen porösen Kohlenstoff herstellen, welcher Mesoporen, auf welche die Gestalt des sphärischen Siliziumdioxids übertragen wird, große bzw. großdimensionierte Mesoporen, welche dem Porenbildungsmittel zugeschrieben werden, und eine korallenähnliche Struktur höherer Ordnung, aufweist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die spezifische Oberfläche, das Porenvolumen, und die Porengrößenverteilung des resultierenden porösen Kohlenstoffs durch Regulieren der Partikelgröße des sphärischen Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, und der Menge des Porenbildungsmittels reguliert bzw. gesteuert werden. Folglich kann der poröse Kohlenstoff physikalische Eigenschaften zeigen, welche für verschiedene Anwendungen geeignet sind.
Insbesondere weist der poröse Kohlenstoff, welcher durch das Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs der vorliegenden Ausführungsform hergestellt wurde, eine korallenähnliche Struktur höherer Ordnung einschließlich größenverteilten Mesoporen auf. Deshalb weist der poröse Kohlenstoff eine hohe spezifische Oberfläche und ein großes Porenvolumen auf.
Schritt (a)
Schritt (a) umfasst das Herstellen einer Ausgangsmaterial- bzw. Rohstoff-Dispersion, welche ein Ketten-Siliziumdioxid, bestehend aus Ketten-verknüpften Siliziumdioxid-Partikeln, eine Kohlenstoffquelle, und ein Porenbildungsmittel enthält. Die Rohstoff-Dispersion kann optional eine zusätzliche Komponente, wie ein Lösungsmittel oder ein Additiv, umfassen.
Ketten-Siliziumdioxid
Das Ketten-Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient, weist eine Struktur, bestehend aus verbundenen bzw. verknüpften Siliziumdioxid-Partikeln, auf. Es ist keine bestimmte Beschränkung hinsichtlich des Herstellungsverfahrens des Ketten-Siliziumdioxids auferlegt. Zum Beispiel kann das Ketten-Siliziumdioxid durch Kalzinieren eines selbstorganisierten Kettenkörpers hergestellt sein, welcher durch das in J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 16344 beschriebene Verfahren hergestellt wurde.
Insbesondere wird ein Block-Copolymer zu einer Dispersion, welche dispergierte Siliziumdioxid-Partikel enthält, zugegeben, um das Block-Copolymer um die Siliziumdioxid-Partikel herum bereitzustellen, und der pH-Wert der Dispersion wird eingestellt, um die Selbstorganisation, welche dem Block-Copolymer zugeschrieben wird, zu promotieren bzw. fördern, wodurch die Siliziumdioxid-Partikel in einer Kettenform verbunden werden bzw. sind.
Das Ketten-Siliziumdioxid, welches als ein Templat dient und in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, kann durch Kalzinieren eines Komposits aus dem Block-Copolymer und den Siliziumdioxid-Partikeln, welche durch Selbstorganisation des Block-Copolymers Ketten-verknüpft sind, hergestellt werden.
Die Siliziumdioxid-Partikel, welche als ein Ausgangsmaterial bzw. Rohmaterial des Ketten-Siliziumdioxids dienen, können einen mittleren Partikeldurchmesser von 3 nm bis 50 nm aufweisen. Das Ketten-Siliziumdioxid kann eine mittlere Länge von 15 nm bis 120 nm aufweisen.
Die Oberfläche des Ketten-Siliziumdioxids, welches als ein Templat dient, wird mit dem Kohlenstoffquelle-Polymer bereitgestellt, und die Gestalt des Ketten-Siliziumdioxids wird auf den letztendlich hergestellten porösen Kohlenstoff übertragen. Deshalb werden der Partikeldurchmesser und die Kettenlänge des Ketten-Siliziumdioxids in der Form von Mesoporen (2 nm bis 50 nm) auf den resultierenden porösen Kohlenstoff übertragen.
Deshalb können im Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs der vorliegenden Ausführungsform der mittlere Partikeldurchmesser der Siliziumdioxid-Partikel, welche als ein Ausgangsmaterial des Ketten-Siliziumdioxids verwendet werden, oder die mittlere Länge des Ketten-Siliziumdioxids, abhängig von den für den porösen Kohlenstoff benötigten physikalischen Eigenschaften geeignet bestimmt werden.
Der mittlere Partikeldurchmesser der Siliziumdioxid-Partikel zur Bildung des Ketten-Siliziumdioxids kann 5 nm oder mehr, 7 nm oder mehr, 10 nm oder mehr, 15 nm oder mehr, 20 nm oder mehr, 25 nm oder mehr, oder 30 nm oder mehr sein, und kann 45 nm oder weniger, 40 nm oder weniger, 35 nm oder weniger, 30 nm oder weniger, 25 nm oder weniger, oder 20 nm oder weniger sein .
Die mittlere Länge des Ketten-Siliziumdioxids kann 20 nm oder mehr, 25 nm oder mehr, 30 nm oder mehr, 35 nm oder mehr, 40 nm oder mehr, oder 50 nm oder mehr sein, und kann 115 nm oder weniger, 110 nm oder weniger, 105 nm oder weniger, 100 nm oder weniger, 95 nm oder weniger, 90 nm oder weniger, 85 nm oder weniger, 80 nm oder weniger, 75 nm oder weniger, oder 70 nm oder weniger sein.
Der Begriff „mittlerer Partikeldurchmesser“, wie hier verwendet, bezieht sich auf ein Zahlenmittel, welches wie folgt berechnet wird: mindestens 200 Siliziumdioxid-Partikel werden mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtet, der Äquivalent-Kreisdurchmesser eines idealen bzw. perfekten Kreise, welcher eine Fläche aufweist, welche der eines jeden beobachteten Partikels entspricht, wird bestimmt, und die daraus bestimmten Äquivalent-Kreisdurchmesser werden gemittelt, d.h. werden durch die Gesamtzahl der Partikel geteilt.
Der Begriff „mittlere Länge“, wie hier verwendet, bezieht sich auf ein Zahlenmittel, welches von den Längen der Längsachsen von mindestens 200 Partikeln des Ketten-Siliziumdioxids, wie mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) beobachtet, berechnet wird.
Kohlenstoffquelle
Es ist keine bestimmte Beschränkung hinsichtlich der im Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Kohlenstoffquelle auferlegt, solange die Kohlenstoffquelle ein Polymer, welches die Oberfläche des vorstehend genannten Ketten-Siliziumdioxids bedeckt, durch Polymerisation bildet, und anschließend in porösen Kohlenstoff durch Brennen bzw. Befeuern karbonisiert bzw. verkohlt wird.
Die Kohlenstoffquelle ist zum Beispiel vorzugsweise jeglicher Alkohol, da das Ketten-Siliziumdioxid im Alkohol dispergiert wird, und der Alkohol selbst auf der Oberfläche des Ketten-Siliziumdioxids durch Polymerisation angeordnet wird, um dadurch das Ketten-Siliziumdioxid zu bedecken.
Insbesondere ist die Kohlenstoffquelle vorzugsweise Furfurylalkohol, da ein Furan-Harz, welches als ein Kohlenstoffmaterial-Harz geeignet ist, durch Polymerisation hergestellt wird.
Porenbildungsmittel
Das im Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs der vorliegenden Ausführungsform verwendete Porenbildungsmittel bedeckt die Oberfläche des Ketten-Siliziumdioxids zusammen mit dem vorstehend genannten Kohlenstoffquelle-Polymer, und wird anschließend durch Brennen bzw. Befeuern entfernt. Die Verwendung des Porenbildungsmittels kann Mesoporen bilden, welche eine Porengrößenverteilung einschließlich einer hohen Größe im resultierenden porösen Kohlenstoff aufweisen, und dadurch kann der poröse Kohlenstoff eine korallenähnliche Struktur höher Ordnung aufweisen.
Ohne an die Theorie gebunden zu sein, kann der Grund, warum das Porenbildungsmittel Poren, welche einen breiten Bereich der Porengrößenverteilung aufweisen, bilden kann, wahrscheinlich dem zugeschrieben werden, dass die Austauschbarkeit bzw. Kompatibilität zwischen dem Porenbildungsmittel und der Kohlenstoffquelle höher ist als jene zwischen dem Porenbildungsmittel und dem Ketten-Siliziumdioxid.
Es ist keine besondere Beschränkung hinsichtlich des im Herstellungsverfahren des porösen Kohlenstoffs der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Porenbildungsmittels auferlegt, solange das Porenbildungsmittel hohe Kompatibilität bzw. Austauschbarkeit mit der Kohlenstoffquelle, welches gleichzeitig eingebaut wird, aufweist. Insbesondere ist das Porenbildungsmittel vorzugsweise 1,3,5-Trimethylbenzol, da es leicht zu handhaben und leicht verfügbar ist.
Die Konzentration des Porenbildungsmittels in der hergestellten Rohstoff-Dispersion kann, abhängig von den für den porösen Kohlenstoff benötigten physikalischen Eigenschaften, geeignet eingestellt werden. Wenn die Konzentration des Porenbildungsmittels erhöht wird, kann der Prozentsatz an Mesoporen, welche einen großen Durchmesser aufweisen, in dem resultierenden porösen Kohlenstoff erhöht werden.
Schritt (b)
Schritt (b) umfasst Polymerisieren der Kohlenstoffquelle in der Anwesenheit des Porenbildungsmittels, um ein Kohlenstoffquelle-Polymer und das Porenbildungsmittel auf der Oberfläche des Ketten-Siliziumdioxids bereitzustellen, um dadurch ein Komposit herzustellen.
Es sind keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich den Bedingungen zur Polymerisation auferlegt, und die Bedingungen können abhängig vom Typ der verwendeten Kohlenstoffquelle und der Menge der zugegebenen Kohlenstoffquelle geeignet bestimmt werden.
Schritt (c)
Schritt (c) umfasst das Brennen bzw. Befeuern des in Schritt (b) hergestellten Komposits, um das Kohlenstoffquelle-Polymer zu karbonisieren bzw. verkohlen und das Porenbildungsmittel zu entfernen, um dadurch ein Komposit-Carbid herzustellen.
Es sind keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich des Verfahrens und den Bedingungen für das Brennen bzw. die Befeuerung auferlegt, solange das Kohlenstoffquelle-Polymer im Komposit verkohlt werden kann, und das Porenbildungsagens bzw. - mittel entfernt werden kann.
Schritt (d)
Schritt (d) umfasst das Entfernen des Ketten-Siliziumdioxids vom in Schritt (c) hergestellten Komposit-Carbid, um dadurch porösen Kohlenstoff herzustellen. Insbesondere wird das Ketten-Siliziumdioxid, welches als ein Template dient, vom Komposit-Carbid entfernt, um dadurch porösen Kohlenstoff herzustellen, auf welchen die Gestalt des Ketten-Siliziumdioxids übertragen wird.
Es sind keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich des Verfahrens zum Entfernen des Ketten-Siliziumdioxids auferlegt. Zum Beispiel wird das Ketten-Siliziumdioxid durch ein Verfahren entfernt, welches Eluieren des Ketten-Siliziumdioxids vom Komposit-Carbid mit beispielsweise einem Lösungsmittel, welches fähig ist, Siliziumdioxid zu lösen, umfasst.
Nachdem das Siliziumdioxid entfernt wurde, kann der poröse Kohlenstoff optional einem zusätzlichen Nach-Prozess, wie weiterem Waschen oder Trocknen, unterzogen werden.
Die vorliegende Ausführungsform wird als nächstes detaillierter zum Beispiel mit Bezug auf experimentellen Ergebnissen beschrieben.
Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiel 1
Schritt (a)
Es wurde ein Ketten-Siliziumdioxid, welches eine in Tabelle 1 gezeigte mittlere Länge aufweist und aus Siliziumdioxid-Partikel mit einer in Tabelle 1 gezeigten Partikelgröße besteht, bereitgestellt, und das Ketten-Siliziumdioxid wurde als ein Templat verwendet.

Zum Ketten-Siliziumdioxid wurden Furfurylalkohol (FA), welches als eine Kohlenstoffquelle dient, und 1,3,5-Trimethylbenzol (TMB), welches als ein Porenbildungsmittel dient, zugegeben, um ein in Tabelle 1 gezeigtes Volumenverhältnis zu erreichen, um dadurch eine Rohmaterial-Dispersion herzustellen. Tabelle 1

		Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2
Mittlerer Partikeldurchmesser der Siliziumdioxid-Partikel	(nm)	6	6	6	6	-
Mittlere Länge des Ketten-Siliziumdioxids	(nm)	30 bis 60	30 bis 60	30 bis 60	30 bis 60	-
FA : TMB	(Volumenverhältnis)	100 : 200	100 : 100	100 : 50	100 : 0	-
Spezifische BET-Oberfläche	(m²/g)	1743	1416	1235	1170	941
Gesamtporenvolumen V_PT	(m³/g)	4,20	2,30	1,30	1,25	0,89
Porenvolumen V_P3~6nm	(m³/g)	0,89	0,75	0,58	0,63	0,29
Prozentsatz des Porenvolumens V_P3~6nm zum Gesamtporenvolumen V_PT	(%)	21,19	32,61	44,62	50,40	32,58
Porenvolumen V_P6~20nm	(m³/g)	1,69	0,59	0,21	0,18	0,11
Prozentsatz des Porenvolumens V_P6~20nm zum Gesamtporenvolumen V_PT	(%)	40,24	25,65	16,15	14,40	12,36
Mittlerer Porendurchmesser	(nm)	6,00	6,00	6,19	5,82	1,80
Mittlerer Primärpartikel-Durchmesser	(nm)	50 bis 100	50 bis 150	50 bis 1000	800 bis 1000	100 bis 150
Kohlenstoff-Struktur		Korallenähnlich	Korallenähnlich	Korallenähnlich	Massiv	Baumartig

Schritt (b)
Die hergestellte Rohmaterial-Dispersion wurde einer Polymerisation bei 60 °C für 16 Stunden unterzogen. Anschließend wurde das erhaltene Produkt auf 80 °C erwärmt und einer Polymerisation für 16 Stunden unterzogen, um dadurch ein Komposit zu erhalten, welches das Ketten-Siliziumdioxid enthält, welches eine mit einem Furan-Harz und 1,3,5-Trimethylbenzol (TMB) bereitgestellte Oberfläche aufweist.
Schritt (c)
Das Komposit, welches das Ketten-Siliziumdioxid enthält, welches eine mit dem Furan-Harz und TMB bereitgestellte Oberfläche aufweist, wurde bei 800 °C für eine Stunde kalziniert, um das Furan-Harz zu verkohlen bzw. karbonisieren und um TMB zu entfernen, um dadurch ein Komposit-Carbid zu erhalten.
Schritt (d)
Das Komposit-Carbid wurde mit Fluorwasserstoff behandelt, um das Ketten-Siliziumdioxid vom Komposit-Carbid zu entfernen, um dadurch den porösen Kohlenstoff herzustellen.
Auswertung des porösen Kohlenstoffs
Der in jeweils den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellte poröse Kohlenstoff wurde hinsichtlich den nachstehenden Eigenschaften ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Spezifische BET-Oberfläche
Die spezifische BET-Oberfläche wurde durch das BJH-(Barrett, Joyner, Hallender)-Verfahren gemessen. Insbesondere wurden 50 mg des porösen Kohlenstoffs in einen Gasadsorptionsmengen-Messapparat (BELSORPMAXII, erhältlich von MicrotracBEL Corp.), platziert bzw. gestellt, der Apparat wurde unter Erwärmen bei 350 °C für eine Stunde entgast, und anschließend wurde eine Stickstoff-Adsorption bei -196 °C durchgeführt.
Gesamtporenvolumen V_PT
Das Gesamtporenvolumen V_PT (Porendurchmesser: 2 nm oder mehr und 200 nm oder weniger) wurde durch das BJH-(Barrett, Joyner, Hallender)-Verfahren gleichzeitig mit der vorstehend genannten Messung der spezifischen BET-Oberfläche gemessen.
Volumen der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger (V_P3~6nm) aufweisen
Das Porenvolumen V_P3∼6nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen, wurde durch das BJH-(Barrett, Joyner, Hallender)-Verfahren gleichzeitig mit der vorstehend genannten Messung der spezifischen BET-Oberfläche analysiert.
Prozentsatz des Porenvolumens V_P3∼6nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger bezüglich des Gesamtporenvolumens V_PT aufweisen
Der Prozentsatz (%) des Porenvolumens V_P3∼6nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger bezüglich des Gesamtporenvolumens V_PT aufweisen, wurde berechnet.
Porenvolumen V_P6∼20nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen
Das Porenvolumen V_P6∼2nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, wurde durch das BJH-(Barrett, Joyner, Hallender)-Verfahren gleichzeitig mit der vorstehend genannten Messung der spezifischen BET-Oberfläche analysiert.
Prozentsatz des Porenvolumens V_P6~20nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, bezüglich des Gesamtporenvolumens V_PT
Der Prozentsatz (%) des Porenvolumens V_P6~20nm der Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, wurde bezüglich des Gesamtporenvolumens V_PT berechnet.
Mittlerer Porendurchmesser
Der mittlere Porendurchmesser von Poren, welche einen Porendurchmesser von 2 nm oder mehr und 200 nm oder weniger aufweisen, wurde aus einer Porengrößenverteilung, welche durch das BJH-(Barrett, Joyner, Hallender)-Verfahren erhalten wurde, gleichzeitig mit der vorstehend genannten Messung der spezifischen BET-Oberfläche bestimmt.
Porengrößenverteilung
Ein Porengrößenverteilungsdiagramm wurde basierend auf Daten, welche durch das BJH-(Barrett, Joyner, Hallender)-Verfahren erhalten wurden, gleichzeitig mit der vorstehend genannten Messung der spezifischen BET-Oberfläche fertiggestellt. 1 zeigt die Porengrößenverteilung von Poren, welche einen Porendurchmesser von 2 nm bis 30 nm aufweisen; 2 zeigt die Porengrößenverteilung von Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm bis 9 nm aufweisen; und 3 zeigt die Porengrößenverteilung von Poren, welche einen Porendurchmesser von 7 nm bis 21 nm aufweisen.
Mittlerer Primärpartikel-Durchmesser
Der poröse Kohlenstoff wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop („scanning electron microscope“, SEM; SU9000, erhältlich von Hitachi High-Tech Corporation) bei einer Vergrößerung von 20000 beobachtet, und 200 Primärpartikel des porösen Kohlenstoffs wurden in dem erhaltenen Bild ausgewählt. Der Äquivalent-Kreisdurchmesser eines perfekten Kreises, welcher eine Fläche aufweist, welche gleich einer Fläche eines jeden Primärpartikels ist, wurde bestimmt, und der Mittelwert des daraus bestimmten Äquivalent-Kreisdurchmessers wurde berechnet.
Beobachtung mit dem Elektronenmikroskop
Die hergestellten porösen Kohlenstoffe wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM; SU9000, erhältlich von Hitachi High-Tech Corporation) beobachtet. Die 4 und 5 zeigen Bilder des in Beispiel 1 hergestellten porösen Kohlenstoffs; 6 zeigt ein Bild des in Beispiel 2 hergestellten porösen Kohlenstoffs; 7 zeigt ein Bild des in Beispiel 3 hergestellten porösen Kohlenstoffs; und 8 zeigt ein Bild des in Vergleichsbeispiel 1 hergestellten porösen Kohlenstoffs.
Vergleichsbeispiel 2
Handelsübliches ESCARBON (Handelsname: ESCARBON (eingetragene Handelsmarke)-MCND, erhältlich von NIPPON STEEL Chemical & Material Co., Ltd.) wurde bereitgestellt und auf dieselbe Weise wie vorstehend beschrieben ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. 9 zeigt ein Bild des handelsüblichen Produkts, wie mit einem Elektronenmikroskop beobachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010265125 [0008]
JP 2010265125 A [0008, 0009]
JP 2004525846 A [0010, 0011]

Claims

Poröser Kohlenstoff, aufweisend: eine spezifische BET-Oberfläche von 1100 m²/g bis 2000 m²/g; und ein Gesamtporenvolumen V_PT von 1,0 m³/g bis 10,0 m³/g, wobei: ein Porenvolumen V_P3∼6nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von 3 nm oder mehr und 6 nm oder weniger aufweisen, 20 % bis 50 % des Gesamtporenvolumens V_PT ist; und ein Porenvolumen V_P6∼20nm von Poren, welche einen Porendurchmesser von mehr als 6 nm und 20 nm oder weniger aufweisen, 15 % bis 45 % des Gesamtporenvolumens V_PT ist.
Poröser Kohlenstoff nach Anspruch 1, wobei der poröse Kohlenstoff einen mittleren Porendurchmesser von 3 nm bis 50 nm aufweist.
Poröser Kohlenstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei der poröse Kohlenstoff einen mittleren Primärpartikel-Durchmesser von 30 nm bis 200 nm aufweist.
Katalysator-Träger, welcher den porösen Kohlenstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfasst.
Verfahren zur Herstellung von porösen Kohlenstoff, wobei das Verfahren umfasst: (a) Herstellen einer Rohmaterial-Dispersion, umfassend ein Ketten-Siliziumdioxid, welches aus Ketten-verknüpften Siliziumdioxid-Partikeln besteht, eine Kohlenstoffquelle, und ein Porenbildungsmittel; (b) Polymerisieren der Kohlenstoffquelle in Anwesenheit des Porenbildungsmittels, um ein Kohlenstoffquelle-Polymer zu bilden, um das Kohlenstoffquelle-Polymer und das Porenbildungsmittel auf einer Oberfläche des Ketten-Siliziumdioxids bereitzustellen, um ein Komposit herzustellen; (c) Brennen des Komposits, um das Kohlenstoffquelle-Polymer zu karbonisieren und um das Porenbildungsmittel zu entfernen, um ein Komposit-Carbid herzustellen; und (d) Entfernen des Ketten-Siliziumdioxids vom Komposit-Carbid, um porösen Kohlenstoff herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Siliziumdioxid-Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser von 3 nm bis 50 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Ketten-Siliziumdioxid eine mittlere Länge von 15 nm bis 120 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Kohlenstoffquelle Furfurylalkohol ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Porenbildungsmittel 1,3,5-Trimethylbenzol ist.