[發明專利]一種具有過渡金屬化合物/中空碳球復合結構的催化劑、制備方法及應用

在審

• 申請號: 202011030908.9
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112151814A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 蔣童童;劉洳蘅;吳明在
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 合肥昊晟德專利代理事務所(普通合伙) 34153
• 代理人: 王林

本發明公開了一種具有過渡金屬化合物/中空碳球復合結構的催化劑、制備方法及應用；將乙酰丙酮鈷與鹽酸多巴胺溶于去離子水中，然后將混合液加入SiO₂和乙醇混合物中，加入氨水，在室溫下攪拌均勻后，獲得過渡金屬和碳骨架結構的前驅體，用去離子水洗滌多次烘干制得粉末；粉末位于下游，摻雜物位于上游，熱退火，加入NaOH刻蝕去除產物中SiO₂硬模板；溶液過濾、冷凍干燥，再將產物煅燒制得具有過渡金屬化合物/中空碳球復合結構的催化劑。本發明的制備方法簡單，應用于鋅空氣電池中，優化了其性能；應用簡單的水解法和熱解法即可制備出過渡金屬化合物/中空碳球復合結構，以增強其電催化性。

技術領域

本發明涉及一種柔性鋅空氣電池催化劑技術，尤其涉及的是一種具有過渡金屬化合物/中空碳球復合結構的催化劑、制備方法及應用。

背景技術

隨著智能電子設備的繁榮、環境問題的加劇和能源的稀缺，人們對太陽能電池、金屬空氣電池等柔性和可穿戴、環保型的能量轉換和存儲設備的研究日益廣泛，太陽能電池可以將可持續的陽光轉換成電力，用于臨時供電，但不可用的儲能問題給它們設置了障礙。可充電鋅空氣電池的理論能量密度高(～1086Whkg^-1)，水系電解液的應用所賦予的高安全性等特點，可以實現儲能和隨時供電，是一種穩定的電源，在儲能系統中迅速發展。原型可充ZABs是一個半開放系統，由鋅陽極、電解液和空氣呼吸陰極組成，涂有氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)電催化劑，對鋅空氣電池的充放電過程有重要的影響。然而，基于氧氣反應的多電子轉移過程往往受到反應動力學滯后的限制。

為了探索提高鋅空氣電池循環壽命和功率密度的有效策略，許多研究致力于開發有效的電催化材料。迄今為止，商用貴金屬電催化劑Pt/C和RuO2分別被認為是優秀的ORR和OER電催化劑。然而，Pt/C和RuO2的價格不斷上漲、稀缺性和單一功能性導致的不能同時促進ORR和OER反應，阻礙了它們的廣泛應用。因此，尋求地球資源豐富的ORR和OER雙功能催化劑作為Pt/C和RuO2的可用替代品，是一個嚴峻的挑戰。通過近幾年對過渡金屬(如Fe、Ni、Co等)化合物的廣泛探索，各種過渡金屬復合材料被認為是最主要的OER催化劑。據報道，二元過渡金屬化合物的催化性能比一元化合物更為顯著，這是由于兩種金屬元素之間的電子轉移減少了氧的生成途徑上的動能障礙。在這些材料中，FeNi雙金屬化合物納米粒子比相應的塊體暴露更多的活性位點。然而，他們的ORR行為不是很好。此外，FeNi雙金屬化合物的納米顆粒缺乏支撐物質，容易聚集。一般來說,異類原子(N、S等)摻雜碳質矩陣可以加速或者催化能力賦予碳質矩陣和金屬原子之間的協調互動,同時限制過渡金屬活躍位點在設計的碳質結構上,阻礙了金屬納米粒子的聚集和保證雙金屬的活性位點的暴露。然而，受sp2碳骨架的限制，雜原子摻雜和過渡金屬納米粒子(或者過渡金屬化合物)均勻負載仍然相當困難。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于：如何提高二元過渡金屬化合物的高電催化和光熱效果，提供了一種具有過渡金屬化合物/中空碳球復合結構的催化劑、制備方法及應用。

本發明是通過以下技術方案解決上述技術問題的，本發明的一種具有過渡金屬化合物/中空碳球復合結構的催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)首先二氧化硅分散在180mL乙醇中，將乙酰丙酮鈷、乙酰丙酮鐵、乙酰丙酮鎳、Fe(NO₃)₂、Ni(NO₃)₂中的一種金屬化合物與鹽酸多巴胺溶于180mL去離子水中，然后將混合液加入SiO₂和乙醇混合物中，加入18mL氨水，在室溫下攪拌均勻后，獲得過渡金屬和碳骨架結構的前驅體，用去離子水洗滌多次烘干制得粉末；

(2)所述步驟(1)中制得的粉末位于下游，摻雜物位于上游，粉末和摻雜物的重量比1:1，通過磁鐵控制加入前驅體，在850～950℃下在N₂氣氛下熱退火1.5～2.5h，加入1M的NaOH或KOH刻蝕去除產物中SiO₂硬模板；