[發明專利]一種表面具有褶皺精細納米組裝結構的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: 201810707429.2
• 申請日: 2018-07-02
• 公開（公告）號: CN109037703A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 白正宇;李珊珊;張慶;賴小偉;常方方
• 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;H01M12/08
• 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

本發明公開了一種表面具有褶皺精細納米組裝結構的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。本發明的技術方案要點為：在前驅體MOF上引入褶皺精細結構導向劑，使其表面形成褶皺精細納米組裝結構的同時引入硫元素，再分別引入鎳源摻雜劑和鎂源摻雜劑，在常溫下合成表面具有褶皺精細納米組裝結構的雙功能電催化劑。本發明制備的納米電催化劑具有表面褶皺精細組裝結構且具有中空結構特征，增加了比表面積，因此增大了催化劑與電解液的接觸面積，提高了其電催化性能。本發明中所制得的雙功能電催化劑具有較好的ORR和OER催化活性，在鋅空電池上具有較好的應用前景。

技術領域

本發明屬于鋅空電池催化劑技術領域，具體涉及一種表面具有褶皺精細納米組裝結構的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

作為一種新型能源轉換裝置，鋅空電池具有環境友好、能源轉換效率高等優點，在很多領域有實驗性的應用，越來越受到人們的廣泛關注。此外鋅空電池體積小、電荷容量大、質量小、能在寬廣的溫度范圍內正常工作、無腐蝕且工作安全可靠。相對于封閉體系的鋰離子電池來說，由于鋅空電池是半開放體系，用環境中的空氣提供氧氣，減少了空氣電極體積的同時增加了能量密度。因此，鋅空電池具有非常好的應用前景。

在鋅空電池中，制約其發展的關鍵因素是電極催化劑材料，催化劑是鋅空電池的核心組成部分，也是決定電池成本和性能的關鍵材料。常見的催化劑有貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑，但是貴金屬儲量少，價格昂貴；而單獨的非貴金屬很難發揮固有的催化活性。因此，開發一種價格低、性能高的催化劑是鋅空電池催化劑合成技術領域中有待解決的重要問題之一。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供了一種表面具有褶皺精細納米組裝結構的雙功能電催化劑的制備方法，該方法制得的雙功能電催化劑能夠用于催化鋅空電池的ORR和OER反應，有效提高了鋅空電池的電化學性能。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種表面具有褶皺精細納米組裝結構的雙功能電催化劑的制備方法，其特征在于具體過程為：在前驅體MOF上引入褶皺精細結構導向劑，使其表面形成褶皺精細納米組裝結構的同時引入硫元素，再分別引入鎳源摻雜劑和鎂源摻雜劑，在常溫下合成表面具有褶皺精細納米組裝結構的雙功能電催化劑，其中前驅體MOF為ZIF-67，褶皺精細結構導向劑為2-巰基苯并噻唑或2-巰基苯并咪唑，鎳源摻雜劑為硝酸鎳，鎂源摻雜劑為硝酸鎂。

進一步優選，所述表面具有褶皺精細納米組裝結構的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249mg硝酸鈷和328mg 2-甲基咪唑加入到50mL甲醇中并攪拌混合均勻，常溫下靜置24h，用乙醇離心洗滌數次后真空干燥得到前驅體MOF；

步驟S2：將步驟S1得到的前驅體MOF和褶皺精細結構導向劑加入到乙醇中并通過水浴加熱至回流反應6~8h，用乙醇離心洗滌多次后真空干燥得到表面具有褶皺精細納米組裝結構的紫色樣品；

步驟S3：將步驟S2得到的表面具有褶皺精細納米組裝結構的紫色樣品和鎳源摻雜劑加入到乙醇中并于常溫下攪拌6~8h，用乙醇離心洗滌多次后真空干燥得到具有中空結構的淺綠色樣品；

步驟S4：將步驟S3得到的具有中空結構的淺綠色樣品和鎂源摻雜劑加入到乙醇中并于常溫下攪拌6~8h，用乙醇離心洗滌多次后真空干燥，再將干燥后的樣品在空氣氣氛中以5~10℃/min的升溫速率升溫至200~300℃煅燒1~2h，最終得到中空且表面具有褶皺精細納米組裝結構的十二面體形雙功能電催化劑，該雙功能電催化劑的平均粒徑為500nm，殼層厚度為15~20nm。

進一步優選，步驟S2中所述前驅體MOF與褶皺精細結構導向劑的質量比為2.5:1；步驟S3中所述表面具有褶皺精細納米組裝結構的紫色樣品與鎳源摻雜劑的質量比為2.5:1；步驟S4中所述鎂源摻雜劑與鎳源摻雜劑的質量比為3:1。