[發明專利]一種多孔骨架材料及其制備方法、應用、金屬-空氣電池

有效

• 申請號: 202010197632.7
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN111509237B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 何領好;劉嘉夢;張治紅;王明花;陳榮源
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 胡云飛

本發明涉及一種多孔骨架材料及其制備方法、應用、金屬?空氣電池，屬于燃料電池技術領域。本發明的多孔骨架材料的制備方法，包括以下步驟：將蜜勒胺和氰尿酸在溶劑中進行反應，即得；所述反應的溫度為80～200℃。本發明的多孔骨架材料的制備方法制得的多孔骨架材料富含氮元素并具有納米片狀結構，比表面積可達143.2m²·g^?1，與石墨碳氮化物(g?C₃N₄)和N摻雜的還原氧化石墨烯(N?rGO)的性質相近，但具有規則的框架結構和更多的缺陷活性點，可用于析氧反應(OER)和氧還原反應(ORR)的雙功能電催化劑。

技術領域

本發明涉及一種多孔骨架材料及其制備方法、應用、金屬-空氣電池，屬于燃料電池技術領域。

背景技術

由于化石燃料的過度開發和日益嚴重的環境污染，人們不斷在努力探索可替代的能源存儲和轉換技術，例如全水分解和燃料電池。其中，燃料電池在將燃料的化學能轉換為電能時顯示出高功率密度和電效率，因而受到廣泛關注。金屬-空氣電池是用金屬燃料替代氫能源而形成的一種“半燃料”電池，介于原電池與燃料電池之間，不但具備燃料電池的優勢，也克服了燃料電池在一些方面的不足。

金屬-空氣電池主要由活潑固體金屬電極(如鋁、鋅、鐵、鎂等)、能夠支持氧氣反應的空氣擴散電極以及具承受相應電壓和有相應導電性的電解液組成?？諝鈹U散電極包括活性層、擴散層和集流網。擴散層是由炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)組成的透氣疏水膜，活性層由炭黑、聚四氟乙烯乳液(PTFE)乳液和電催化劑構成。電催化劑具有還原氧氣的性能，對于可再充電式金屬-空氣電池，電催化劑還需具有氧化氧離子的性能。電催化劑對電極反應的催化作用對金屬-空氣電池的性能的發揮起到至關重要的作用。因此，開發用于實際應用的高效電催化劑極為重要。貴金屬(Pt，Ru和Pd)和過渡金屬催化劑(氧化物，硫或氮化物)已經完全開發出來，可用于析氫(HER)、析氧反應(OER)和氧還原反應(ORR)的電催化。貴金屬表現出出色的電催化性能，但其固有特征(如存量少、價格高和穩定性差)嚴重地阻礙了其廣泛和大規模的應用。過渡金屬(金屬納米顆粒、金屬氧化物和有機金屬化合物)在充當電催化劑時也表現出一些缺點，包括導電性差和催化性能有限，這也嚴重限制了它們的在清潔能源領域的應用。除了這些，繁瑣的合成程序還限制了它們的潛在應用。

近來，無金屬碳催化劑由于其優異的電化學活性、低的材料成本和可行的制備方法引起了越來越多的關注。目前，各種各樣的碳納米材料，包括還原氮摻雜的還原氧化石墨烯片(N-rGO)、石墨，氮摻雜碳納米管和石墨氮化碳(g-C₃N₄)已開發為無金屬催化劑，并表現出優異的電催化性能。其中N摻雜的碳納米片由于突出的電導率、高的比表面積和豐富的活性位點，被認為是對ORR、OER和HER最有希望的無金屬電催化劑之一。即使這樣，為使電催化劑性能更穩定，如何使摻雜組分均勻分布仍然具有挑戰性。

鑒于氫鍵相互作用的方向性、特異性和可逆性，已經通過氫鍵驅動的不同分子之間的自組裝超分子聚集體合成了具有復雜層次的新納米結構，并將其用作各種電催化劑。通過自組裝的方法可以摻雜元素在納米結構中均勻分布，并通過簡單的煅燒工藝來合成多孔氮化碳骨架。如Zhao等人的報道，氰尿酸和三聚氰胺通過氫鍵自組裝而成的三聚氰胺氰尿酸酯絡合物被用作ORR催化劑，但顯示出相對較差的催化效率，極限電流密度為3.5mA·cm^-2。即使在900℃下煅燒后，源自三聚氰胺氰尿酸酯超分子組裝體的一維氮摻雜空心碳管表現出ORR性能，其極限電流密度仍小于5mA·cm^-2。

發明內容

本發明的目的是提供一種多孔骨架材料的制備方法，采用該方法制得多孔骨架材料作為電催化劑具有較高的極限電流密度。

本發明還提供了一種采用上述多孔骨架材料的制備方法制得的多孔骨架材料。

本發明還提供了一種多孔骨架材料作為電催化劑的應用。

本發明該提供了一種金屬-空氣電池。