[發明專利]一種鋅空氣電池用氧還原催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201310287407.2
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN103337642A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 范新莊;程遠航;劉建國;嚴川偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及化學電源以及電化學催化領域，具體是指一種鋅空氣電池用氧還原催化劑及其制備方法。

背景技術

鋅空氣電池作為一種金屬燃料電池，由于其具有較高比能量（其理論比能量高達1350WhKg^-1）、低成本、環境友好、機械更換（通過更換放電完全的鋅陽極實現鋅空氣電池的快速充電）等優點，近年來引起國內外科研工作者的注意。鋅空氣電池由鋅金屬陽極、堿性電解液、以及空氣陰極三部分組成。在電池放電過程中，鋅陽極發生鋅的溶解，空氣陰極則發生氧還原反應（ORR）。ORR過程比較復雜，一般認為氧還原反應主要有四電子過程和二電子過程，前者氧氣直接被還原成OH^-：

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-???????E⁰=0.401V；

后者則是生成了中間產物HO₂^-：

O₂+H₂O+2e^-→HO₂^-+OH^-?????E⁰=0.065V；

HO₂^-+H₂O+2e^-→3OH^-???????E⁰=0.867V；

其中二電子過程由于中間產物HO₂^-的生成則會降低鋅空氣電池的能量轉化效率，故四電子過程是期望發生的。貴金屬Pt在堿性電解液中對四電子氧還原過程具有良好的電催化特性，但由于其價格昂貴以及在堿性環境中活性易退化等缺點限制了它的應用。目前氧還原催化劑研究的方向傾向于部分含Pt或者非Pt，其中部分含Pt催化劑雖然性能也不錯，但依然會受到Pt資源總量的限制；而非Pt催化劑以其相對低廉的成本及良好的催化活性，漸漸引起越來越多的研究。

非Pt類催化劑有很多，其中納米Ag顆粒作為一種典型的ORR催化劑，在堿性溶液中的ORR催化活性非常的高，并隨著堿濃度的升高有增加趨勢，此外它具有高導電性，可以降低電池在工作中的歐姆極化，提高電池的放電行為。化學學報2013年5月發表的文獻“氧還原反應中的銀基催化劑”詳細的介紹了各種銀基催化劑的發展動態、優缺點和可能的發展方向。其中，納米Ag顆粒容易發生團聚，在工作過程中穩定性較差，如何提高其分散性成為一個熱點問題。活性炭作為納米Ag的載體可以在一定程度上提高納米Ag的分散性，但由于活性炭本身導電性較差以及在堿性溶液中容易發生腐蝕，降低了催化劑的使用壽命。而碳納米管具有良好的穩定性和導電性，可以考慮作為納米Ag催化劑的載體。

發明內容

本發明的目的是提供一種鋅空氣電池用氧還原催化劑及其制備方法，鋅空氣電池用電催化劑在堿性環境中穩定性較好，并且使ORR經歷四電子過程的高活性，其備工藝簡單易控，可操作性強。

本發明的技術方案是：

一種鋅空氣電池用氧還原催化劑，該催化劑為一種負載型催化劑，由納米Ag顆粒和碳納米管（CNT）載體構成，納米Ag顆粒負載到碳納米管表面，納米Ag顆粒和碳納米管（CNT）的質量比在1:1—1:50，納米Ag顆粒的粒徑在10—20nm，碳納米管（CNT）的比表面積在100—500m²g^-1。

所述的鋅空氣電池用氧還原催化劑，優選的，納米Ag顆粒和碳納米管（CNT）的質量比在1:4—1:20。

所述的鋅空氣電池用氧還原催化劑的制備方法，具體步驟如下：

（1）將一定量的碳納米管分散到混酸溶液中，室溫下磁力攪拌3—9h后真空抽濾，用去離子水和無水乙醇反復洗滌，待濾液呈中性將濾餅在真空干燥箱中50—100℃干燥6—18h；

（2）取上述處理過的碳納米管50—200mg，分散到25—100ml去離子水中，超聲15—45min，得到碳納米管溶液；