[發明專利]一種鋅-空氣電池及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202011323963.7
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112436156B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 楊瑞枝;鄭祥俊
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88;H01M12/06
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 孫周強;陶海鋒

本發明公開了一種鋅?空氣電池及其制備方法與應用，以三維碳納米管叢林復合材料作為氧氣還原反應（ORR）和氧氣析出反應（OER）電催化劑，將三維碳納米管叢林復合材料負載在導電基底上作為空氣電極，再與電解液、負極常規組成鋅?空氣電池。本發明為通過一步熱解氣相法制備高效、可控的三維CNT提供了一條新途徑。CNT的管徑和內嵌的金屬顆粒的粒徑細小均一且分散均勻、擁有較大的比表面積和豐富的微/納孔洞通道有利于暴露更多的活性位點以及物質的傳輸，從而在ORR和OER過程中表現出極小的過電勢和優異的穩定性，并成功應用于ZAB作為正極催化劑表現出良好的循環穩定性和較小的電勢極化。

技術領域

本發明涉及一類可作為鋅-空氣電池電催化劑的新型三維碳納米管叢林制備的鋅空氣電池。

背景技術

鋅-空氣電池（ZAB）由于具有較高的理論能量密度、環境友好性、高安全性以及低成本，從而被認為是極具潛力的下一代儲能電源。其中，放電過程中涉及的氧氣還原反應（ORR）和充電過程中的氧氣析出反應（OER）是可充電ZAB的兩個關鍵電化學過程。由于ORR和OER都涉及到緩慢的多電子轉移反應動力學過程，因此迫切需要開發穩定且高效的雙功能氧氣催化劑并用于可充電ZAB。盡管目前鉑基材料作為ORR催化劑和銥/釕基材料作為OER催化劑被商業化應用，但是這些貴金屬催化劑僅表現出單一的催化活性，并且它們的成本高、穩定性差，極大地限制了其在可充電ZAB中的應用。因此，急需探索高效、低成本的可逆雙功能氧氣電催化劑。

近年來，大量的研究報道表明，封裝在氮摻雜碳納米管（N-CNT）中的過渡金屬合金納米顆粒（TMA-NP）可有效改善電催化劑的活性位。TMA-NP和N-CNT之間的強結合可以有效改善碳骨架的電子結構，從而降低了氧氣及其中間體在催化劑上的吸附能壘，有利于它們之間的鍵合。對于N-CNT材料中鑲嵌TMA-NP的這類復合材料，一種簡單的類似化學氣相沉積（CVD）的直接熱解法引起了人們的廣泛關注，涉及在管式爐中直接加熱金屬鹽（例如硝酸鹽、鹽酸鹽和醋酸鹽等）和N/C前體（例如雙氰胺，三聚氰胺，谷氨酸等）。然而，通過這種方法合成的核/殼結構的TMA-NP/N-CNT復合材料會存在一些不可忽視的問題：前體混合物的直接分解會導致金屬顆粒的團聚和不均勻分散，從而導致生長的CNT的管徑粗細不一。因此，需要研發新的熱解方法制備可逆雙功能氧氣電催化劑，適用于鋅-空氣電池。

發明內容

本發明公開了一種鋅-空氣電池，該鋅-空氣電池電極催化采用鑲嵌FeNi合金的三維碳納米管叢林（FeNi@NCNT-CP）電催化劑，制備成本低，生長的CNT的管徑粗細均勻。

本發明采用如下技術方案：

一種鋅-空氣電池，電催化劑為三維碳納米管叢林復合材料，即其空氣電極為負載三維碳納米管叢林復合材料的導電基底；所述三維碳納米管叢林復合材料的制備方法為，將氮前驅體、鐵前驅體、鎳前驅體與水混合后冷凍干燥，得到前驅體混合物粉末；再將前驅體混合物粉末置入小燒結容器內，然后將小燒結容器倒扣在大燒結容器上，并在大燒結容器上、小燒結容器外側放置棉布，再于氮氣中煅燒，得到三維碳納米管叢林復合材料。

本發明中，鋅-空氣電池的電催化劑為首次制備的三維碳納米管叢林復合材料，其余部件都為常規技術；該鋅-空氣電池還包括常規的負極、電解液；導電基底為碳紙，三維碳納米管叢林復合材料在碳紙上的負載量為1.0 mg cm^-2；負極為鋅片，電解液為含有0.2 M的乙酸鋅的6.0 M KOH水溶液。

本發明將三維碳納米管叢林復合材料負載在導電基底上作為空氣電極，再與電解液、負極等常規部件組成鋅-空氣電池；具體制備方法為常規技術。