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碳合金催化剂以前一般是在碳黑等现有碳材料中添加氮后,为使构造稳定、提高耐久性而进行热处理来获得。但进行高温处理的话,催化剂的活性又会降低。为此,东京工业大学开发出了在制成含氮的聚酰亚胺微粒后,进行多级热处理来获得碳合金催化剂的新方法(图5)。
具体方法是,先重合两种材料进行200℃的热处理,获得含氮的聚酰亚胺微粒;然后在氨气环境等条件下以600℃、800℃、1000℃的温度分阶段对其进行热处理。这样,无需减少作为催化剂活性点的氮用量,就能制成碳合金催化剂。这种方法的优点是,可兼顾耐久性和催化剂活性,而且能自行合成用于碳合金催化剂的聚酰亚胺微粒,因此对于今后提高特性也有好处。实际上,东京工业大学通过优化重合条件,把聚酰亚胺微粒的直径由300nm左右缩小到了150~200nm。
东京工业大学利用以新方法获得的碳合金催化剂,在厂商的协助下制成膜电极组件(MEA)实施了单个电池单元的实验。结果证实,能获得接近当前目标发电特性的值。不过,由于现在是在纯氧环境下做的实验,要想在氧浓度只有20%左右的空气中获得相同的特性,需要提高催化剂活性点的密度。东京工业大学正讨论改良方法,打算使其形状接近粒度仅几十nm的碳黑。
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