[發明專利]一種制備單原子團簇Fe-N共摻雜單壁碳納米管電催化薄膜電極的方法

有效

• 申請號: 202010564557.3
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN111769298B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 侯鵬翔;孟育;劉暢;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M4/88;H01M12/08;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及燃料電池陰極氧還原反應催化領域，具體為一種制備單原子團簇Fe?N共摻雜單壁碳納米管電催化薄膜電極的方法。首先對高性能單壁碳納米管薄膜進行氟化、氨化處理；在氨化過程中，不穩定的摻雜氟原子揮發、留下空位，促進了氮原子摻雜及與催化生長單壁碳納米管的Fe顆粒中的Fe原子螯合，形成高濃度、單原子團簇Fe?N螯合活性位點。將所制備的Fe?N共摻雜、自支撐單壁碳納米管薄膜作為催化層，泡沫鎳集流體作為正極，鋅金屬板作為負極，碳布作為氣體擴散層，制成鋅空電池，其表現出優異的性能。本發明未經任何液相反應，過程簡單，保持了碳納米管薄膜的柔性、自支撐等優點，所構建的電催化薄膜電極具有優異的催化活性和穩定性。

技術領域

本發明涉及燃料電池、鋅空電池等能源存儲與轉換裝置領域，具體為一種制備單原子團簇Fe-N共摻雜單壁碳納米管電催化薄膜電極的方法，由其組裝的鋅空電池具有優異的充放電性能和穩定性。

背景技術

隨著化石能源的枯竭及環境污染問題日益嚴重，新能源器件（如：金屬空氣電池Zn-Air、燃料電池等）的發展受到越來越廣泛的關注。目前，鋰離子電池是應用最廣泛的二次電池，但由于其理論能量密度（400 Wh kg^-1）和實際能量密度（200～250 Wh kg^-1）較低，限制了其在電動汽車等高能量密度器件中的應用。與之相比，金屬空氣電池具有更高的能量密度，是替代鋰離子電池的理想候選。其中，鋅空電池具有理論能量密度（1370 Wh kg^-1）高，安全、廉價、環境友好等特點，作為新一代清潔能源器件，具有良好的發展前景（文獻1，Yang, Dongjiang , et al. Recent Progress in Oxygen Electrocatalysts forZinc-Air Batteries. Small Methods (2017):1700209）。然而，受限于動力學緩慢的陰極反應，鋅空電池需要高效、穩定的陰極催化層催化陰極氧還原和氧析出反應。貴金屬鉑基催化劑作為目前最常用的陰極催化劑面臨著活性位點易團聚、穩定性較差、成本高等問題。近年來，納米碳材料負載Fe-N單原子團簇陰極催化劑展現了良好的性能和應用前景。但復雜的制備過程限制了其應用與推廣。并且，目前的碳基催化劑多以粉末為主，在氧析出過程中，隨著氣體的析出部分粉末會脫落，進而影響到電池的性能穩定性。