[發明專利]一種氮摻雜石墨烯空心球催化劑、制備方法及應用

有效

• 申請號: 202011285508.2
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112349921B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 陳佳瑤;蔣仲慶;田小寧;郝曉瓊;李祥梅;張艷玉;陸磊;羅一卿
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M4/86
• 代理公司: 杭州敦和專利代理事務所(普通合伙) 33296
• 代理人: 姜術丹

一種氮摻雜石墨烯空心球催化劑、其制備方法及應用，氮摻雜石墨烯空心球催化劑由用作載體的氮化碳修飾的氮摻雜石墨烯空心球(CN_x?NGHS)和過渡金屬及過渡金屬氧化物負載于氮化碳修飾的氮摻雜石墨烯空心球(CN_x?NGHS)表面構成；制備方法步驟包括：制得氮化碳修飾的氮摻雜石墨烯空心球(CN_x?NGHS)；將過渡金屬/氧化物納米顆粒生長于CN_x?NGHS表面制得CN_x?NGHS負載的過渡金屬/氧化物納米顆粒，本發明所述的氮摻雜石墨烯空心球負催化劑在催化可充式鋅空電池氧還原反應(ORR)和氧析出(OER)反應中的應用，能顯著增強O₂分子吸附效率，提高穩定性和電導性，在ORR和OER反應中具有較低的過電位，可以滿足商業化應用的要求。

技術領域

本發明屬于可充式鋅空電池空氣電極雙功能催化劑技術領域，具體涉及一種氮摻雜石墨烯空心球催化劑、制備方法及應用。

背景技術

現今，以化石燃料為主導的能源是推動小康社會經濟發展的主要動力。但隨著傳統化石燃料的過度消耗和枯竭，不僅加劇了全球性的溫室效應和環境污染，而且帶來了嚴峻的能源危機。這不僅阻礙了優良小康社會的建成，而且影響了國民的生活環境。因此高效、合理地利用綠色可持續的新能源已經成為當今國內外能源領域的研究熱點。

金屬-空氣電池有空氣電極和金屬電極兩個重要的反應單元。其中，空氣電極(陰極)是金屬-空氣電池的核心單元,空氣電極的氧氣利用率是影響電池放電效率、壽命和實際比能量的主要因素。另一個電極是金屬電極，金屬電極(陽極)的活性物質為金屬,在放電過程中金屬會不斷被消耗，所以金屬材料會影響電池的能量密度。即金屬材料的能量密度越大，電池的能量密度也會越大，陽極的放電反應主要取決于所使用的金屬的活潑性、電解質的類型和放電反應的進程。這兩個單元是可再生能源技術的核心反應單元，應用涉及到金屬-空氣電池、燃料電池、水制氫等多個領域。金屬-空氣電池根據金屬電極的不同可以分成鋅-空氣電池、鎂-空氣電池、鋰-空氣電池和鋁-空氣電池等。金屬-空氣電池中以空氣中的氧或純氧作陰極的活性物質，活潑金屬鋅、鋁、鎂、鋰或其合金作陽極的活性物質。由于鋅儲量豐富、價格低廉，原材料和產物無污染等優勢，因此鋅-空氣電池是金屬-空氣電池中較理想的能源電池，具有廣闊的商業化應用前景。

鋅-空氣燃料電池具有許多優勢，例如綠色安全、零污染、高能量轉化率、大功率、低成本及材料可再生等。與鋰離子電池相比，鋅-空氣電池具有理論能量密度高，制備成本低，設備結構簡單等優勢。因此，鋅-空氣電池逐漸得到研究人員的廣泛關注，并成為開發綠色能源的研究熱點，但如何改善鋅空氣電池空氣電極緩慢的動力學特性仍是目前研究的挑戰之一。空氣電極的電化學反應過程機理復雜，涉及到多相、多界面間的傳質，其固有的遲滯反應動力學，包括放電過程中的氧還原反應(ORR)和充電過程中的氧析出反應(OER)，這些是導致鋅空氣電池高極化和低可逆性的主要原因。目前使用的以貴金屬為原料制成的催化劑存在多方面問題，例如，Pt及其合金雖然具有極佳的氧還原性能，但是其OER活性較低；Ir和RuO₂的析氧性能高，然而其氧還原性能不佳。除此以外，儲量稀少、價格昂貴、穩定性不好等因素也使得貴金屬催化劑在電化學中的應用受到了極大的限制。因此，開發高效的、低成本的雙功能電催化劑，對于ORR和OER都具有高活性和優異的耐久性，這對于提高鋅-空氣電池的普及化和商業化至關重要。