[發明專利]一種納米復合氧電極材料、及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201710472291.8
• 申請日: 2017-06-21
• 公開（公告）號: CN107359357B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 劉兆清;成暉;王孝通;李楠;王東耀
• 申請（專利權）人: 廣州大學
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M4/88;H01M12/08;B82Y30/00
• 代理公司: 西安嘉思特知識產權代理事務所(普通合伙) 61230
• 代理人: 劉長春

本發明屬于儲能材料應用技術領域，給出一種納米復合氧電極材料。這種納米復合氧電極材料包括碳納米管，所述碳納米管具有空心的內腔，所述內腔由碳層圍成，在所述碳納米管的內腔中分布金屬顆粒，所述碳層中摻雜有雜原子。本發明的納米復合氧電極材料為一種核殼納米管狀復合材料，其展現出優異的氧催化能力，應用于金屬?空氣電池中顯示出較高的功率密度、能量密度及穩定性。

技術領域

本發明屬于儲能材料應用技術領域，所述實施例給出一種納米復合氧電極材料，以及這種納米復合氧電極材料的制備合成與性能研究。

背景技術

傳統能源如煤炭、石油等化石能源嚴重匱乏，以及其對環境的污染日益嚴重，綠色能源和可持續生態環境的理念對尋找新一代能源技術提出了新的要求。因此，清潔、高效、低成本的可再生能源和可持續能源轉換技術無疑成為了替代傳統化石燃料的追求。可充放電金屬-空氣電池作為代表性的清潔能源轉換裝置，具有零污染、高能量轉化率等優點，已成為新能源領域的重要發展方向。充放電金屬-空氣電池廣泛應用在小型移動電子設備領域，并且在電動汽車、智能電網等大規模領域也已突顯其可實用性。

可充放電金屬-空氣電池作為一種清潔、高效的能量轉換裝置，其可以直接將空氣通過電化學過程轉化為電能。作為一種新型的能量轉換與存儲技術，可充放電金屬-空氣電池可以把空氣中的氧氣作為反應物與催化劑通過電化學反應直接轉化成電能。空氣作為可充放電金屬-空氣電池的燃料，其取用隨處可得以及反應條件溫和等優勢，不但解決了傳統電池需要構建燃料室而引起電池整體體積增大的問題，同時也擴大了金屬-空氣電池的使用范圍。此外，可充放電金屬-空氣電池副產物為水，幾乎不排放含氮、含硫氧化物，綠色無污染。正是因為可充放電燃料電池具有高效、高可靠性、環保等優點，在使用中無自放電，且不受放電深度限制，其可廣泛應用于汽車、航天和現場蓄能系統，是21世界能源轉換技術的發展方向。

可充放電金屬-空氣電池雖然在結構和眾多關鍵技術方面取得進展，但其實際的能量轉換效率和成本控制還遠未達到人們的實際期望。在可充放電金屬-空氣電池中，放電過程包括氧氣還原反應(oxygen reduction reaction,ORR)和金屬氧化反應，充電過程包括析氧反應(oxygen evolution reaction,OER)和金屬離子還原反應。然而，ORR及OER應中存在著較大的過電勢，降低了實際的能量轉換效率，因此，尋找和開發高效的氧電極催化劑成為發展金屬-空氣電池的關鍵。當前大部分商用氧電極催化劑體系還是基于鉑系催化劑。然而，鉑系催化劑的稀缺性導致其市場價格偏高，制約了金屬-空氣電池的成本價格；此外，鉑系催化劑的易鈍化性及毒化現象使得其在運作過程中催化活性降低，大大減少催化劑的壽命；再者，單一的貴金屬只針對某一反應過程(ORR或OER)具有突出的催化活性，貴金屬的單向催化性能使得其相對應的反向催化過程效率低下，不利于金屬-空氣電池進行可持續的循環充放電過程。鉑系催化劑的上述諸多缺點制約了金屬-空氣電池的發展。因此，降低貴金屬的使用量，或進一步開發新型、廉價、高效的催化劑具有重大科學意義和應用價值。

發明內容

針對現階段上述電極催化劑價格昂貴、易毒化和穩定性差等技術缺陷，本發明利用過渡金屬在高溫條件一步合成雜原子摻雜碳納米管的策略，設計組裝了基于過渡金屬粒子誘導生長的雜原子摻雜碳納米管復合材料。在該材料體系中，碳納米管具有高導電性和高比表面積等物理優勢，利用雜原子摻雜對碳納米管進行修飾從而擴大了催化材料的催化活性位點，進而提高了復合材料的整體催化活性。

隨著對電極研究的深入，電極催化劑得到了極大的擴展，上述常用的鉑系催化劑逐漸被碳系空氣電極催化劑所取代，并取得了較好的氧電極性能，同時降低了電極制備的成本。在眾多碳材料中，碳納米管(CNTs)作為納米碳基材料的一員，具有多種獨特的優點：高電子導電性、高比表面積、高機械強度、較好的結構柔韌性。縱使CNTs具有優異的物理性能，但CNTs本身具有的活性位點偏低，導致其催化性能非常弱，使得材料的催化活性并沒達到實際期望。因此，為了增大混合材料的活性位點，需要對碳納米管進行改性。