[發(fā)明專利]一種硼摻雜多孔石墨烯陰極催化劑的制備方法與應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010574453.0
• 申請(qǐng)日: 2020-06-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111640954A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 章俊良;范月恒;沈水云;閆曉暉;羅柳軒;吳愛(ài)明;趙路甜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): H01M4/88;H01M4/96;H01M12/06;C01B32/184
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發(fā)明公開(kāi)了一種硼摻雜多孔石墨烯陰極催化劑的制備方法與應(yīng)用，涉及鋰空氣電池技術(shù)領(lǐng)域，包括如下步驟：A、多孔還原氧化石墨烯的制備；B、將雜原子硼前驅(qū)體與多孔還原氧化石墨烯均勻混合，在密閉容器中反應(yīng)得到硼摻雜多孔石墨烯的前驅(qū)體；C、將硼摻雜多孔石墨烯的前驅(qū)體于惰性氣體中進(jìn)行熱處理，冷卻后即得硼摻雜多孔石墨烯陰極催化劑。本發(fā)明制備的硼摻雜的多孔石墨烯材料孔隙率高，比表面積大，導(dǎo)電率高，有利于電解質(zhì)溶液的充分?jǐn)U散和氧氣的運(yùn)輸，具有較好的比容量，電化學(xué)可逆性和穩(wěn)定性，可用作鋰空氣電池陰極。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰空氣電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硼摻雜多孔石墨烯陰極催化劑的制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

化石燃料目前是人類社會(huì)最主要的能源來(lái)源，而隨著人類社會(huì)的日益繁榮，化石燃料的短缺以及使用化石燃料所造成的環(huán)境污染等問(wèn)題也日益嚴(yán)重。并且化石能源一般通過(guò)燃燒發(fā)熱將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)利用，其能量轉(zhuǎn)化率會(huì)受卡諾循環(huán)所制約，轉(zhuǎn)化率一般不高。而鋰空氣電池比容量高，環(huán)保等特點(diǎn)，無(wú)疑是作為新型能源來(lái)源的一種較為優(yōu)異的選擇。伴隨著對(duì)電動(dòng)汽車行駛里程問(wèn)題的日益擔(dān)憂，這種問(wèn)題根源于鋰離子電池，因此開(kāi)發(fā)先進(jìn)的可充電鋰氧(Li-O2)電池特別是非水電池組是非常火熱的研究方向。

由亞伯拉罕(Abraham)等人證明。其理論比容量極高，基于Li2O2產(chǎn)物約為3500Wh·kg^-1，與汽油相當(dāng)，是目前最先進(jìn)的鋰離子電池的十倍以上。但其仍然存在許多科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)，包括往返效率低，充放電速率能力有限，循環(huán)壽命不足以及電解質(zhì)的穩(wěn)定性差。該研究方向不僅需要從機(jī)械原理上進(jìn)行理解改進(jìn)，還需要對(duì)非水Li-O2電池的關(guān)鍵材料和組件進(jìn)行先進(jìn)的改進(jìn)。石墨烯材料具有比表面積大、可塑性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好以及易于造孔等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是作為貴金屬顆粒的載體，還是通過(guò)高溫?fù)诫s修飾得到非鉑催化劑都具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。而硼摻雜的碳材料，有利于顯著提升氧還原催化活性。近些年來(lái)，科學(xué)界已進(jìn)行了一些雜原子單摻雜，雙摻雜石墨烯的電催化材料的研究，方法主要有化學(xué)氣相沉積、模板法、一步高溫直接煅燒法，但是有很多類似還原過(guò)程中石墨烯片層容易堆積、比表面積較小等問(wèn)題。

公開(kāi)號(hào)為CN110540196A的中國(guó)發(fā)明專利提供了一種硼氮共摻雜多孔石墨烯及其制備方法與應(yīng)用。該方法包括：將石墨烯置于反應(yīng)容器中，通入水蒸氣與氬氣，升溫進(jìn)行加熱處理，得到多孔石墨烯；在NH₃和Ar混合氣氛中，將多孔石墨烯升溫進(jìn)行氮摻雜處理，得到氮摻雜多孔石墨烯；將氮摻雜多孔石墨烯與硼酸置于反應(yīng)容器中，在保護(hù)氣氛中升溫進(jìn)行硼摻雜處理，得到所述硼氮共摻雜多孔石墨烯催化劑。但是通過(guò)上述方法水蒸氣氣泡大小不一，分布隨機(jī)，得到的孔徑大小不夠均一。

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硼摻雜多孔石墨烯陰極催化劑及其制備方法與應(yīng)用。通過(guò)硬模板法，并采取一步摻雜的方式，避免了還原過(guò)程中石墨烯片層之間的堆垛，增大了產(chǎn)物比表面積，且具有較好的催化作用。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種硼摻雜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；加入水合肼和氨水調(diào)節(jié)PH值后進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，然后加入HCl，過(guò)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、將雜原子硼前驅(qū)體與多孔還原氧化石墨烯均勻混合，在密閉容器中反應(yīng)得到硼摻雜多孔石墨烯的前驅(qū)體f；

C、將硼摻雜多孔石墨烯的前驅(qū)體f于惰性氣體中進(jìn)行熱處理，冷卻后即得硼摻雜多孔石墨烯陰極催化劑。

優(yōu)選地，所述多孔還原氧化石墨烯包括1～10層氧化石墨烯。

優(yōu)選地，步驟A中所述溶劑包括超純水、去離子水、無(wú)水乙醇、異丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜中的一種或多種。