[發明專利]Ag/Ti4O7鋅?空氣電池陰極催化劑的制備方法

在審

• 申請號: 201710807443.5
• 申請日: 2017-09-08
• 公開（公告）號: CN107742730A
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 馬曉華;孫軍;雷毅敏;李健;王湛
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M12/08;B82Y40/00
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心61205
• 代理人: 王品華,朱紅星

技術領域

本發明屬于納米材料技術領域，具體涉及一種催化劑的制備方法，可用于鋅-空氣電池的制備。

技術背景

以空氣作為陰極活性物質，金屬作為陽極活性物質的電池統稱為金屬-空氣電池。其中鋅-空氣電池因其高比能量、低成本、無污染等特征，受到人們的廣泛關注，被認為是大有希望的能量儲存裝置。

對于鋅-空氣電池而言，氧還原反應催化劑是提升其性能的關鍵。目前燃料電池常用的氧還原催化劑為Pt/C，但鉑使用成本過高，無法投入大規模商業化應用。另外碳質載體在燃料電池運行環境下，存在氧化腐蝕、納米粒子團聚及脫落及碳氧化產物使納米粒子中毒催化失效等問題，并最終導致電池催化性能衰減。所以，需要尋求一種耐化學腐蝕、電化學穩定電位窗口寬的導電材料來有效提高鋅-空氣電池的循環壽命。由于Magnéli相亞氧化鈦具有高化學和電化學穩定性，在電化學催化方面無疑是一種合適的材料。在室溫下一組亞氧化鈦Ti_nO_2n-1具有高導電性和高電導率，其與高導電炭材料處于同一量級，且亞氧化鈦的電導率隨n值的變化而變化，n≧1，當n＝4時，鈦四氧七Ti₄O₇的導電性能最好。

近年來，亞氧化鈦在燃料電池領域取得了一些很好的研究成果，引起了研究人員的廣泛興趣。英國Atraverda Ltd.公司用Ti₄O₇混合少量Ti₅O₉以注冊商標并進行商業化出售，且申請了一系列在燃料電池領域應用的專利，如US Patent,0157110A1.2004-8-12；US Patent,6790554B2.2004-9-14；US Patent,0248752A1.2007-10-25。但是，在這些專利中僅采用無碳低成本的Ti_nO_2n-1的混合材料取代原來的炭黑作為催化劑載體，只利用了該系列材料的高電導率以及耐酸堿的特性，未利用其催化特性，阻礙了催化效果的進一步提升。日本產業化技術研究所采用浸漬法將Ti₄O₇粉末分散在含鉑前驅物的乙醇溶液中，并將混合液體在高溫H₂/N₂氣氛中進行完全蒸發，獲得鉑沉積的Ti₄O₇。參見T.Ioroi,Z.Sirom,N.Fujiwara,Sub-stoichiometric titanium oxide-supported platinum electrocatalyst for polymer electrolyte fuel cells[J].Electrochem Commun,7(2005)183-188。這種方法所說可提高鉑的利用率，使得催化活性更強。但卻存在如下不足：

一是工藝較為復雜且鉑的負載效果差、易脫落；

二是使用鉑作為催化劑，導致鋅-空氣電池成本太高，不適合大規模批量生產；

三是制備過程中加熱溫度高，使用H₂氣氛，造成安全隱患。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種Ag/Ti₄O₇鋅-空氣電池陰極催化劑的制備方法，以避免使用氣體，簡化工藝流程，降低鋅-空氣電池陰極催化劑的制備成本。

本發明的技術關鍵是：使用Ag替代傳統的Pt，采用化學還原法將Ag粒子修飾于Ti₄O₇催化劑載體上，其實現步驟如下：

(1)稱取分析純級別的硝酸銀33.97mg～84.94mg，并與100mL去離子水混合，對該混合物進行充分攪拌，獲得濃度為0.002mol/L～0.005mol/L的硝酸銀前驅溶液；

(2)在步驟(1)獲得的硝酸銀前驅溶液中加入50mg的Ti₄O₇粉末，繼續攪拌，使其成為均勻的懸濁液；

(3)稱取分析純級別的檸檬酸三鈉0.2g～0.5g，并與20mL～50mL的去離子水混合攪拌，獲得質量分數為1％的檸檬酸三鈉還原劑溶液；

(4)將步驟(2)獲得的均勻懸濁液放入水浴鍋內，攪拌加熱至80℃～100℃，再向該懸濁液中加入檸檬酸三鈉還原劑溶液，反應5min～10min后取出，繼續攪拌并冷卻至室溫后進行離心分離，獲得反應沉淀物；