[發明專利]一種鈷酸鎳/碳納米管復合催化劑及其制備和應用

在審

• 申請號: 201510766570.6
• 申請日: 2015-11-11
• 公開（公告）號: CN105289617A
• 公開（公告）日: 2016-02-03
• 發明（設計）人: 喬錦麗;徐能能;菅賽賽;馬承愚;陳淑麗;唐勝
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: B01J23/755
• 分類號: B01J23/755;H01M4/90
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 黃志達

技術領域

本發明屬于催化劑及其制備和應用領域，特別涉及一種鈷酸鎳/碳納米管復合催化劑及其制備和應用。

背景技術

近年來，隨著化石能源的消耗、能源需求的不斷增加以及環境友好意識不斷成熟，世界各國競相對清潔可持續的能量轉換裝置進行開發研究，其中利用電化學反應的能量存儲與轉化設備受到人們極大關注[NanoLett.2012,12,1946-1952]。二次金屬-空氣電池具有制備簡單、安全性能優異以及環境友好等優點。在經濟效益和環境保護方面，鋅空氣電池已經被公認為是21世紀最為有效和可靠的新能源技術之一[Nanoscale2013,5,4657-4661]。特別是鋅-空氣電池的理論能量密度大大高于傳統的鋰離子電池，可以應用于電動汽車等大功率設備[ChemSocRev2014,43,5143-5402]。然而，由于迄今仍缺乏合適的空氣擴散電極電催化劑，使空氣電池的放電電流密度偏小，效率底下和壽命較短，從而大大限制了鋅空氣電池的應用領域和產業化步伐。目前，鉑碳等貴金屬催化劑仍然被看作是ORR活性最高的電催化劑。然而，鉑等貴金屬催化劑制備成本頗高，同時地球儲量稀缺，無法大量生產普遍使用。此外，該類催化劑雖然對ORR表現出很好的活性，而在OER上卻表現不佳[NanoLett.2011,11,5362-5366]。因而在可逆空氣電極催化劑的大規模應用上受到極大限制。因此開發價格低廉、耐腐蝕且同時具有氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)的雙功能催化劑顯得尤為迫切。根據文獻報道，四氧化三鈷納米線直接生長在不銹鋼網眼集電板具有優異的可再充電性能和和穩定性，然而在實際中鋅-空氣電池利用自然的空氣發電量不高[AdvancedEnergyMaterials,2014,6,1301389–1301395]。鎳及鎳的氧化物的電化學性能被廣泛研究，但是主要局限于析氧反應(OER)[NatureCommunications，2013，249，1805-1812,]。NiCo₂O₄/石墨烯也有被研究用于ORR和OER，然而直接應用于實際鋅空電池卻未見報道[J.Mater.Chem.2013,1,4754–4762]。碳納米管(CNT)具有優異的導電性以及超大比表面積大，同時具有高的電化學穩定性，通過與催化劑進行復合修飾，可以極大提升催化劑的性能。本發明中我們制備了鈷酸鎳/碳納米管復合納米材料作為高活性且穩定的雙功能電催化劑原料，不僅便宜易得、制備方法簡單，且對環境友好，易于工業化生產，是可以運用在鋅-空、鋁-空以及鎂-空等金屬空氣電池領域良好的空氣電極催化劑。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種鈷酸鎳/碳納米管復合催化劑及其制備和應用，本發明的鈷酸鎳/碳納米管復合催化劑既表現出優異的電化學性能，同時具有優良的充放電性能及穩定性；本發明不僅綠色環保、原料易得、成本低，且反應條件溫和、反應時間短，具有工藝簡單僅一步即可、實用，可操控性強等優點，易于規模化生產。是可運用在鋅-空、鋁-空以及鎂-空等金屬空氣電池領域良好的空氣電極催化劑。

本發明的一種鈷酸鎳/碳納米管復合催化劑，其特征在于：所述鈷酸鎳/碳納米管復合催化劑包括碳納米管、鈷酸鎳NiCo₂O₄尖晶石。

所述鈷酸鎳NiCo₂O₄尖晶石為納米球直徑在20-150nm。

所述鈷酸鎳/碳納米管復合催化劑為納米管、鈷酸鎳NiCo₂O₄尖晶石的復合物。

本發明的一種鈷酸鎳/碳納米管復合催化劑的制備方法，包括：

分別稱取醋酸鎳、硝酸鈷以及碳納米管，溶于氨水中，超聲分散，然后在140-160℃水熱反應3-6h，冷卻至室溫，清洗、干燥、煅燒、研磨，即得鈷酸鎳/碳納米管復合催化劑；其中醋酸鎳、硝酸鈷、碳納米管、氨水的質量體積比為0.5-2g:0.5-2g:0.2-0.5g:10-25ml，優選1g:1g:0.25g:25ml。

所述氨水的濃度為1-1.5mol/L。

所述超聲分散時間為0.5-2h；

清洗為去離子水清洗3-5次；干燥為50-70℃干燥6-10h；煅燒為200-500℃下馬弗爐中煅燒1-5小時；研磨為降溫至60℃以下研磨。

優選地，所述的馬弗爐中的煅燒溫度為200-400℃，時間為1h-4h。

更優選地，所述的馬弗爐中的煅燒溫度為400℃，時間為3小時。