[發(fā)明專利]二氧化錳復(fù)合多孔石墨烯陰極催化劑及其制備方法與應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010495222.0
• 申請日: 2020-06-03
• 公開（公告）號: CN111725528A
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 章俊良;范月恒;沈水云;閆曉暉;吳愛明;羅柳軒;趙路甜
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M12/08;B01J21/18;B01J23/34;B01J35/00;B01J35/10;B01J37/00;B01J37/08;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發(fā)明公開了一種二氧化錳復(fù)合多孔石墨烯陰極催化劑及其制備方法與應(yīng)用，涉及鋰空氣電池技術(shù)領(lǐng)域，包括基體、與基體復(fù)合的復(fù)合材料；所述基體包括多孔還原氧化石墨烯，所述復(fù)合材料包括二氧化錳；所述二氧化錳與多孔還原氧化石墨烯的質(zhì)量比為10:1～1:10。所述催化劑按如下步驟制備：A、多孔還原氧化石墨烯的制備；B、二氧化錳前驅(qū)體在還原氧化石墨烯的溶液均勻混合，加熱進(jìn)行氧化還原；C、過濾干燥制備得到催化劑。本發(fā)明制備的二氧化錳復(fù)合多孔石墨烯材料具有獨特的孔結(jié)構(gòu)，高效的雙功能ORR和OER活性，協(xié)同結(jié)合，具有很高的放電比容量，良好的循環(huán)能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰空氣電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種二氧化錳復(fù)合多孔石墨烯陰極催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

化石燃料目前是人類社會最主要的能源來源，而隨著人類社會的日益繁榮，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的化石燃料已無法滿足人類對能源的需求。先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換和存儲設(shè)備如鋰離子電池、燃料電池和鋰空氣電池的開發(fā)迫在眉睫。而鋰空氣電池比容量高，環(huán)保等特點，是一種較為優(yōu)異的選擇。石墨烯具有獨特的單層碳原子二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性能優(yōu)良，理論比表面積較高，可用于改善材料的電化學(xué)性能，提高鋰空氣電池比容量。金屬氧化物，如氧化鈷、氧化錳、氧化鐵、氧化銅和氧化釩等，具有較高的理論比容量，這使得它們在鋰空氣電池中的廣泛應(yīng)用成為可能。二氧化錳具有ORR和OER雙向催化性、成本低、環(huán)境友好和自然豐度高等優(yōu)點，已成為領(lǐng)域的研究熱點。然而，由于其易團(tuán)聚、比表面積低和固有的低導(dǎo)電性，二氧化物電極未能顯示預(yù)期的性能。

最近關(guān)于金屬氧化物/石墨烯復(fù)合電極的研究先后被報道，公開號為CN105719852A的中國發(fā)明專利提供了一種三維納米多孔石墨烯/二氧化錳復(fù)合電極材料的制備方法，包括：取Cu和Mn原子比在1:1到1：3之間的合金箔片，進(jìn)行去合金化處理，制得制得隨去合金化時間及去合金化腐蝕液濃度變化的具有層次性的納米多孔結(jié)構(gòu)的納米多孔金屬箔片；納米多孔金屬箔片在乙炔、氬氣和氫氣氣氛下，700-1000℃溫度下煅燒，并在氬氣的氣氛下將樣品降至室溫；浸入腐蝕液將納米多孔金屬除去，隨后清洗得到自支撐三維納米多孔石墨烯薄膜；利用多步電流法法在三維納米多孔石墨烯表面均勻沉積二氧化錳，制備三維納米多孔石墨烯/二氧化錳復(fù)合電極材料。但其合成方法復(fù)雜，形成的晶型不穩(wěn)定，孔隙大小不同，產(chǎn)品性能達(dá)不到最佳。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種二氧化錳復(fù)合多孔石墨烯陰極催化劑及其制備方法與應(yīng)用，還提供了該陰極催化劑在鋰空氣電池中的應(yīng)用。本發(fā)明的催化劑具有極高的雙催化活性，優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性并且在鋰空氣電池應(yīng)用中具有較高的比容量，且電池的循環(huán)性能優(yōu)良。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種二氧化錳復(fù)合多孔石墨烯陰極催化劑，所述催化劑包括基體、與基體復(fù)合的復(fù)合材料；所述基體包括多孔還原氧化石墨烯，所述復(fù)合材料包括二氧化錳；所述二氧化錳與多孔還原氧化石墨烯的質(zhì)量比為10:1～1:10。

優(yōu)選地，所述金屬氧化物包括二氧化錳，所述二氧化錳包括α-MnO₂、β-MnO₂、γ-MnO₂、δ-MnO₂、λ-MnO₂中的一種或多種；所述二氧化錳優(yōu)選為α-MnO₂或δ-MnO₂。

一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的二氧化錳復(fù)合多孔石墨烯陰極催化劑的制備方法，包括如下步驟：

A、多孔還原氧化石墨烯的制備：將氧化石墨烯粉末與溶劑混合，得到分散液a；向分散液a中加入模板b得到分散液c；進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，然后過濾，洗滌，干燥，得到固體粉末d，將固體粉末d進(jìn)行熱處理后即得所述多孔還原氧化石墨烯e；

B、將按照化學(xué)計量系數(shù)完全生成二氧化錳的二氧化錳前驅(qū)體與多孔還原氧化石墨烯e分散液均勻混合，在異丙醇溶液中進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，得到二氧化錳復(fù)合的多孔還原氧化石墨烯f；