[發明專利]一種鋰空氣電池正極用納米氮化鐵-碳復合催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201410039623.X
• 申請日: 2014-01-27
• 公開（公告）號: CN103794806A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 張治安;陳巍;汪建軍;包維齋;甘永青;賴延清;李劼
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 魏娟

1.一種鋰空氣電池用納米氮化鐵-碳復合催化劑，由納米級氮化鐵一次顆粒和碳材料復合構成；所述的納米級氮化鐵一次顆粒相互堆積形成具有豐富介孔孔隙的二次顆粒；所述的碳材料通過包覆和部分包覆覆蓋在在納米級氮化鐵一次顆粒表面；所述的納米氮化鐵-碳復合催化劑顆粒粒徑為50～800nm；所述的氮化鐵一次顆粒的粒徑為5～20nm；所述的碳材料為氮摻雜碳。

2.根據權利要求1所述的鋰空氣電池用納米氮化鐵-碳復合催化劑，所述催化劑的孔容為0.1～0.5cm³/g；所述催化劑的比表面積為200～1000m²/g。

3.根據權利要求1或2所述鋰空氣電池用納米氮化鐵-碳復合催化劑，所述的納米級氮化鐵一次顆粒與碳材料的質量比為19:1～4:1。

4.根據權利要求1所述的鋰空氣電池用納米氮化鐵-碳復合催化劑，所述的復合催化劑是通過納米級介孔金屬有機框架配合物與含氮有機物充分混合、干燥后，將得到金屬有機框架配合物/含氮有機物復合物在在氨氣氣氛下，400-700℃溫度下熱處理，一步實現金屬有機框架配合物的碳化與氮化得到。

5.一種鋰空氣電池用納米氮化鐵-碳復合催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）將鐵鹽與有機配體按照鐵離子與有機配體的物質的量比為1:0.5～1:3加入到溶劑中，加入表面活性劑，經磁力攪拌后，超聲處理得到均勻分散的前驅溶液，采用油浴加熱至40～100℃，攪拌反應，過濾，用去離子水和乙醇交替洗滌，在80～150℃下真空干燥，即得到納米級介孔金屬有機框架配合物；

（2）將步驟（1）中制得的納米級介孔金屬有機框架配合物與含氮有機物按質量比1:1～1:9加入液體介質中，通過磁力攪拌以及超聲處理進行混合，在60～80℃下干燥，得到金屬有機框架配合物/含氮有機物復合物；

（3）將步驟（2）中制得的復合物在氨氣氣氛，400-700℃下熱處理，一步實現金屬有機框架配合物的碳化與氮化，得到納米氮化鐵-碳復合催化劑。

6.根據權利要求5所述一種鋰空氣電池用納米氮化鐵-碳復合催化劑的制備方法，其特征在于：步驟（1）中所述的鐵鹽為硫酸鐵、硝酸鐵、醋酸鐵、氯化鐵及其水合物中的一種或幾種；步驟（1）中所述的有機配體為三聯苯對二甲酸、對苯二甲酸，均苯三甲酸，2,5-二羥基對苯二甲酸中的一種或幾種；步驟（2）中所述的含氮有機物為尿素、三聚氰胺、二乙胺、苯胺、雙氰胺、甲酰胺中的一種或幾種。

7.根據權利要求5所述一種鋰空氣電池用納米氮化鐵-碳復合催化劑的制備方法，其特征在于：步驟（1）中所述的溶劑為N,N’-二甲基甲酰胺、N,N’-二乙基甲酰胺、去離子水、乙醇、甲醇、丙酮中的一種或幾種；步驟（2）中所述的所述液體介質為水、無水乙醇、甲醇、丙酮中的一種或幾種。

8.根據權利要求5所述一種鋰空氣電池用納米氮化鐵-碳復合催化劑的制備方法，其特征在于：步驟（1）中所述表面活性劑為三乙胺、過氧化氫、乙二醇，正辛酸、正丁胺、吡啶中一種或幾種。

9.根據權利要求5所述一種鋰空氣電池用納米氮化鐵-碳復合催化劑的制備方法，其特征在于：鐵離子在溶劑的濃度為0.01～0.5mol/L，表面活性劑在溶劑中的濃度為0.003-0.3mol/L。

10.根據權利要求5-9所述任一項一種鋰空氣電池用納米氮化鐵-碳復合催化劑的制備方法，其特征在于：（1）將鐵鹽與有機配體按照鐵離子與有機配體的物質的量比為1:0.5～1:3加入到溶劑中，加入適量表面活性劑，經磁力攪拌0.5～2h后，超聲處理0.5～2h，得到均勻分散的前驅溶液，采用油浴加熱至40～100℃，攪拌速度為0～1000r/min，反應12-48h，過濾，用去離子水和乙醇交替洗滌，在80～150℃下真空干燥12～24h，即得到納米級介孔金屬有機框架配合物；

（2）將步驟（1）中制得的納米級介孔金屬有機框架配合物與含氮有機物按質量比1:1～1:9加入液體介質中，通過磁力攪拌0.5～2h以及超聲處理0.5～2h進行混合，在60～80℃下干燥，得到金屬有機框架配合物/含氮有機物復合物；

（3）將步驟（2）中制得的復合物轉移到管式爐后，在氨氣氣氛下，以5～10℃/min的升溫速度，從室溫加熱至400-700℃，并在此溫度下恒溫5～24h，一步實現金屬有機框架配合物的碳化與氮化，得到納米氮化鐵-碳復合催化劑。