[發明專利]一種鈷鐵-氮雜炭材料催化劑及其制備方法和在電池中的應用

有效

• 申請號: 201810947223.7
• 申請日: 2018-08-20
• 公開（公告）號: CN109167075B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 梁振興;樸金花;余志鵬
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉

本發明屬于電池材料技術領域，公開了一種鈷鐵?氮雜炭材料催化劑及其制備方法和在電池中的應用，特別是鋅空電池中的應用。本發明制備方法采用微波還原法合成得到，包括以下步驟：把炭材料加入鈷鹽和鐵鹽的醇溶液中，得到金屬鹽介孔炭混合溶液；把堿和還原劑溶于水中，滴加到上述混合溶液中，超聲分散，微波還原，過濾，洗滌，得到鈷鐵?氮雜炭材料催化劑。本發明還提供上述方法制備得到的鈷鐵?氮雜炭材料催化劑，其具有高的比表面積，CoFe合金和氮雜炭材料具有強的協同作用，具有良好的電池充放電性能，使其可作為高性能的鋅空電池正極材料，因此可應用于電池中，特別是鋅空電池中。

技術領域

本發明屬于電池材料技術領域，特別涉及一種鈷鐵-氮雜炭材料催化劑及其制備方法和在電池中的應用，特別是鋅空電池中的應用。

背景技術

高密度便攜式能量存儲電子設備的快速發展急需可再生和可持續電源技術的支撐。目前，大量的研究工作致力于開發鋰離子電池和超級電容器。然而，其較低的能量密度和循環壽命一直是制約因素。最近，可充電的金屬空氣電池由于其高的理論能量密度(1086～11140Wh/kg)和長期穩定性展現出無限的潛力和經濟價值。其中，鋅空電池由于其低成本、含量豐富、環境友好型的因素被認為是最具前景的能源技術。但是目前，由于空氣電極端氧還原和氧溢出反應慢的動力學和差的耐久性，導致鋅空電池表現出差的循環穩定性、低的輸出功率密度以及較差的放電平臺。同時，貴金屬陰極催化劑的商業應用由于其高成本和資源稀缺嚴重壓縮了鋅空電池的經濟效益。因此，開發高性能催化劑替代貴金屬作為金屬空氣電池的雙功能催化劑是至關重要的。

雜原子摻雜的炭材料由于其高活性、低成本和制備方法簡單等優點在雙功能催化和鋅空電池領域吸引了研究者濃烈的興趣。此外，過渡金屬的引入能進一步對炭材料進行組成和結構上的調整。炭骨架中金屬原子和雜原子之間通過配位作用，形成Co/Fe-N-C結構的活性中心，可以有效調控材料的電子結構，進而優化中間物種的吸附，提高材料的催化性能。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種鈷鐵-氮雜炭材料催化劑的制備方法。

本發明另一目的在于提供上述方法制備的鈷鐵-氮雜炭材料催化劑。

本發明再一目的在于提供上述鈷鐵-氮雜炭材料催化劑在電池中的應用，特別是鋅空電池中的應用。

本發明的目的通過下述方案實現：

一種鈷鐵-氮雜炭材料催化劑的制備方法，采用微波還原法合成得到，包括以下步驟：把炭材料加入鈷鹽和鐵鹽的醇溶液中，得到金屬鹽介孔炭混合溶液；把堿和還原劑溶于水中，滴加到上述混合溶液中，超聲分散，微波還原，過濾，洗滌，得到鈷鐵-氮雜炭材料催化劑(Co-Fe/NOMC)。

上述方法中，各組分的用量為：

炭材料100質量份，鈷鹽137.5～825質量份，鐵鹽121.2～1090.8質量份，堿22.2～100質量份，還原劑8.8～40質量份。

上述方法中，所述鈷鹽和鐵鹽的摩爾比優選為1:2～2:1。

上述方法中，所述的鈷鹽可為水溶性鈷鹽，如Co(NO₃)₂、CoCl₂、CoSO₄等，優選為Co(NO₃)₂。

上述方法中，所述的鐵鹽可為水溶性鐵鹽，如Fe(NO₃)₃、FeCl₃、Fe₂(SO₄)₃等，優選為Fe(NO₃)₃。

上述方法中，所述的堿可為氫氧化鈉、氫氧化鉀等，優選為氫氧化鈉。