[發明專利]木基碳泡沫及其制備方法、陰極電催化劑、陰極和金屬空氣電池

在審

• 申請號: 202110284425.X
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113060719A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 王猛;孫佩佩;龐懷鵬;張興雙;張延青
• 申請（專利權）人: 山東省科學院新材料研究所
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01M4/90;H01M4/86;H01M12/06
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 劉建榮

本發明提供了一種木基碳泡沫及其制備方法、陰極電催化劑、陰極和金屬空氣電池，涉及電池技術領域。該制備方法通過將脫除木質素的木材與第一溶液混合，固液分離，得到木材前體，然后將木材前體內的空氣去除，低溫固化，冷凍干燥，得到木基泡沫，將木基泡沫于惰性氣氛下熱解，得到木基碳泡沫；其中，脫除木質素的木材具有一定的孔隙率，同時能夠保持木材原有的結構性，便于過渡金屬鹽和雜原子化合物進入其孔道，有利于后續過渡金屬鹽和雜原子化合物的摻雜；而且，加入過渡金屬可提高木基碳泡沫的石墨化程度，從而提高其電催化性能；含氮化合物的加入有效改變木基碳泡沫的結構，增加其表面的堿性位，增強其親水性，使木基碳泡沫表現出電催化性能。

技術領域

本發明涉及電池技術領域，尤其是涉及一種木基碳泡沫及其制備方法、陰極電催化劑、陰極和金屬空氣電池。

背景技術

近年來，由于全球氣候變化以及對能源的需求不斷地增長，科學界和產業界逐漸將關注點轉向可再生能源和儲能器件的探索。金屬空氣電池作為一種儲能器件，因其理論比能量高、價格低廉且環境友好等優點備受青睞。其中，陰極電催化劑是金屬空氣電池的核心組成部分，直接決定其使用性能與價值。目前商用的陰極催化劑主要是貴金屬鉑，雖然其催化性能良好，但貴金屬儲量稀缺、價格昂貴，極大的限制了金屬空氣電池的廣泛應用。為了進一步推動金屬空氣電池的大規模發展與應用，開發價格低廉且催化性能優良的陰極電催化劑材料尤為重要。多孔碳材料作為電催化劑的一種，具有高比表面積、高孔隙率、孔徑可控性、優良穩定性能的特點，在電催化技術領域頗具應用前景。然而，目前大部分多孔碳材料的制備過程比較復雜、制備原料成本較高，在一定程度上限制了其工業化生產與應用。

農林生物質資源含量巨大(約占地球固定能量的90％)，是生物質轉化利用的主要對象。近年來，各國科學家正在積極探究以農林生物質資源來部分代替石化資源，生產轉化為能源及制備化工用品和新材料。天然木材以其具有豐富的孔道結構、低廉的成本等優點，如何將其應用于新能源領域是亟待解決的問題。

有鑒于此，特提出本發明以解決上述技術問題中的至少一個。

發明內容

本發明的第一目的在于提供一種木基碳泡沫的制備方法，以緩解現有多孔碳材料由于制備過程復雜且生產成本高從而導致工業應用受限的技術問題。

本發明的第二目的在于提供一種木基碳泡沫，采用上述制備方法制得。

本發明的第三目的在于提供一種陰極電催化劑。

本發明的第四目的在于提供一種陰極。

本發明的第五目的在于提供一種金屬空氣電池。

為了實現本發明的上述目的，特采用以下技術方案：

本發明提供的木基碳泡沫的制備方法，包括以下步驟：

(a)提供脫除木質素的木材；

提供過渡金屬鹽、雜原子化合物和溶劑形成的第一溶液；

其中，所述過渡金屬鹽包括鐵鹽和鈷鹽，所述雜原子化合物包括含氮化合物；

(b)將脫除木質素的木材與第一溶液混合，然后固液分離，得到木材前體；

將木材前體內的空氣去除使木材前體產生多孔，然后進行低溫固化，冷凍干燥，得到木基泡沫；

(c)將木基泡沫于惰性氣氛下熱解，得到木基碳泡沫。

進一步的，在本發明上述技術方案的基礎之上，步驟(a)中，脫除木質素的木材的制備方法包括以下步驟：

提供含有木質素脫除劑的溶液；

將木材與含有木質素脫除劑的溶液混合使發生反應，反應結束后進行固液分離，將分離后的固體物置于氧化性溶液中處理，得到脫除木質素的木材。