[發明專利]一種新型雙功能電催化劑的制備方法及其在鋅空電池中的應用

在審

• 申請號: 201810704733.1
• 申請日: 2018-06-30
• 公開（公告）號: CN108963274A
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 張慶;韓文潔;白正宇;常方方;賴小偉
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發明公開了一種新型雙功能電催化劑的制備方法及其在鋅空電池中的應用，屬于鋅空電池催化劑技術領域。具體過程為：將二甲基咪唑和硝酸銀溶于蒸餾水中待達到螯合平衡，加入硫源化合物，常溫下合成無定形Ag₂S納米棒，并將其引入到ZIF?67的合成體系中，最終制得具有核殼結構的Ag₂S@ZIF?67鋅空電池催化劑。本發明中無定形Ag₂S納米棒表面包覆著ZIF?67形成核殼結構的納米復合催化材料，這種特殊形貌結構不僅可以提高無定形Ag₂S的穩定性，防止其發生團聚，而且核殼兩組分之間的協同效應還實現了在非煅燒條件下具有較高的OER和ORR雙功能電催化活性，具有環保節能、性能突出的技術優勢。

技術領域

本發明屬于鋅空電池催化劑技術領域，具體涉及一種新型雙功能電催化劑的制備方法及其在鋅空電池中的應用。

背景技術

鋅空電池作為一種清潔能源，具有高比能量、低成本、無污染等優勢，在很多領域有實驗性的應用，成為近年來研究的熱點。在鋅空電池中，催化劑是核心組成部分，也是決定電池成本和性能的關鍵材料。近年來，關于鋅空電池催化劑的研究層出不窮，然而合成ORR和OER雙功能電催化劑仍然具有挑戰性。因此，開發一種雙功能電催化劑成為鋅空電池催化劑合成技術領域有待解決的重要問題之一。

最近，已經實現了許多過渡金屬基電催化劑，如過渡金屬硫化物，由于其高的本征活性、完美的穩定性和良好的導電性被應用于OER/ORR反應，引發了人們的關注。其中無定形過渡金屬硫化物比表面積較大，活性位點暴露較多，并能與電解液更好的接觸，具有良好的ORR性能，然而它不穩定，容易發生團聚，這些不足制約著無定形過渡金屬硫化物的應用。

金屬有機框架（MOFs）是由無機金屬和有機配體自組裝形成的晶體材料，因具有結構多樣、孔道尺寸可調、骨架可修飾、性能可調控等一系列優越的性質，引起科研人員的廣泛關注。其本身及其衍生物在電催化應用方面有極大的潛力，被用作雙功能電催化劑進行了深入的研究。然而MOFs及其衍生物大部分在高溫下合成，煅燒容易引起孔道坍塌，導致電性能衰減，所以煅燒制備MOFs衍生物還是一種高耗能工藝，這些問題有待進一步解決。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供了一種合成工藝簡單、反應條件溫和、反應效率高且能耗較低的新型雙功能電催化劑的制備方法及其在鋅空電池中的應用，有效提高了鋅空電池催化劑的OER和ORR雙功能電催化性能。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種新型雙功能電催化劑的制備方法，其特征在于具體步驟為：

步驟S1：將二甲基咪唑與硝酸銀溶于蒸餾水中，攪拌混合均勻后于25℃遮光靜置4~10h以達到螯合平衡形成螯合平衡液，向上述螯合平衡液中加入硫源化合物后于25℃遮光靜置6~8h得到黑褐色均勻穩定的溶液，經無水乙醇洗滌多次后得到無定形Ag₂S納米棒并超聲分散于醇溶液中得到備用液，其中硫源化合物為硫代乙酰胺（TAA）、硫脲、硫化鈉、硫粉、硫化銨或硫代硫酸鈉；

步驟S2：向步驟S1得到的備用液中加入硝酸鈷和二甲基咪唑，攪拌混合均勻后于室溫靜置24~36h，待反應結束后用體積比為1:1的無水乙醇和丙酮的混合液洗滌多次，然后真空干燥得到具有核殼結構的Ag₂S@ZIF-67鋅空電池催化劑。

進一步優選，步驟S1中所述二甲基咪唑與硝酸銀的質量比為1:4~4:1，二甲基咪唑與硫源化合物的質量比為1~4:1。

進一步優選，步驟S1中所述醇液為甲醇、乙醇或異丙醇。

進一步優選，步驟S2中所述硝酸鈷與二甲基咪唑的質量比為1:1~2。