[發明專利]一種空氣電池用電催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811058706.8
• 申請日: 2018-09-11
• 公開（公告）號: CN109193000B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 郭麗敏;張文亮;張家萌;畢科
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M12/08;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 賈顏維

本發明涉及電池催化劑材料技術領域，尤其是涉及一種空氣電池用電催化劑及其制備方法和應用。所述催化劑，包括二氧化鈦納米孔陣列和設置在所述納米孔陣列上的硫化鈷層，對所述硫化鈷層進行氮和/或磷摻雜處理。所述制備方法，包括：在二氧化鈦納米孔陣列中原位生長硫化鈷層，并對所述硫化鈷層進行氮和/或磷摻雜處理，得到所述電催化劑。本發明所述的電催化劑，催化活性高、成本低廉，電導率大；三維有序的納米孔結構能夠有效防止電催化劑在充放電時的聚集和損耗，顯著提升電催化劑的循環穩定性能。采用所述催化劑組裝的鋅?空氣電池，具有較小的充放電電壓間隙和優異的循環穩定性，超過了傳統的Pt/C+IrO₂電催化劑，工業化應用前景廣闊。

技術領域

本發明涉及空氣電池催化劑材料技術領域，尤其是涉及一種空氣電池用電催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

為解決日益增長的能源需求以及由此引發的環境污染問題，開展清潔能源轉化與存儲的相關研究已迫在眉睫。鋅-空氣電池作為一種新型化學儲能電源，具有比能量高(理論比能量達1350Wh/kg)、原料來源豐富、工作電壓穩定和安全環保等優勢，因而受到研究者的廣泛關注。鋅-空氣電池是以能夠吸附空氣中氧氣活性物質作為陰極，金屬鋅作為陽極的一種電池。其中，在空氣陰極上通過氧氣的氧化還原反應(包括氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER))形成正負電流和電壓。循環充放電過程中，ORR與OER反應遲滯和電催化劑的不穩定會嚴重影響空氣陰極的實際應用。因此開發催化活性高、化學穩定性好、價格低廉的催化劑是鋅-空氣電池領域的研究重點。

目前，某些貴金屬(如Pt、Rh、Ir)與貴金屬氧化物(如IrO₂、RuO₂)等是能夠分別用作ORR與OER反應的高效催化劑，可用于鋅-空氣電池領域。然而，貴金屬昂貴的價格限制了其進一步的商業化應用。貴金屬與多孔碳基底形成的復合催化劑(如Pt/C、IrO₂/C)，在一定程度上降低了材料的成本，但由于電化學反應過程中貴金屬的溶解和碳基底的氧化，仍使得其穩定性較差。另外，對于這些納米結構的電催化劑，特別是零維的納米顆粒或一維的納米線結構，在高電流密度下或長期循環測試中容易發生團聚，從而也會導致性能劣化。

有鑒于此，特提出本發明。

發明內容

本發明的第一目的在于提供一種空氣電池用電催化劑，以解決現有技術中存在的催化劑催化活性低、化學穩定性差，且成本高的技術問題。

本發明的第二目的在于提供一種空氣電池用電催化劑的制備方法，所述制備方法工藝簡單，成本低，適合大規模生產，工業化應用前景廣闊。

本發明的第三目的在于提供一種空氣電池用電催化劑在鋅-空氣電池中的應用，所述電催化劑用于鋅-空氣電池，具有較小的充放電電壓間隙和優異的循環穩定性。

為了實現本發明的上述目的，特采用以下技術方案：

一種電催化劑，包括二氧化鈦納米孔陣列和設置在所述納米孔陣列上的硫化鈷層，對所述硫化鈷層進行氮和/或磷摻雜處理。

本發明所述的電催化劑對氧氣的吸附能和脫附能適中，催化活性高、成本低廉，并且電導率大，具有穩定的化學性能。并且，三維有序的納米孔結構能夠有效防止電催化劑在充放電時的聚集和損耗，從而顯著提升電催化劑的循環穩定性能。

采用所述催化劑組裝的鋅-空氣電池，具有較小的充放電電壓間隙(0.8V)和優異的循環穩定性，在130h后電壓窗口增加不超過5％，超過了傳統的Pt/C+IrO₂電催化劑，工業化應用前景廣闊。

優選的，所述催化劑中，所述硫化鈷層的負載量為36-73μg/cm²。

優選的，所述催化劑中，氮和/或磷的摻雜量為5-10％。摻雜過程中，上游粉末保持足量，通過調整CVD時間，調控氮、磷的摻雜量在上述范圍內。