[發(fā)明專利]一種雙功能電催化劑的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110471532.3
• 申請(qǐng)日: 2021-04-29
• 公開（公告）號(hào): CN113241450B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉節(jié)華;華浩文;岳粹玉;黃秋維
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90
• 代理公司: 安徽合肥華信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

本發(fā)明屬于電催化領(lǐng)域，具體涉及一種雙功能電催化劑的制備方法。其具體步驟為：依次稱量適量的有機(jī)配體和兩種金屬鹽進(jìn)行快速混合，通過(guò)反應(yīng)生產(chǎn)熱量和混合產(chǎn)生的熱量使反應(yīng)物液化，然后加入一定量其他金屬鹽和有機(jī)配體，繼續(xù)混合研磨，再稱量過(guò)量模板原料加入混合研磨至固化塊狀物，并將其置于坩堝中，放入管式爐內(nèi)高溫合成，冷卻后對(duì)所得產(chǎn)物進(jìn)行水洗、超聲、抽濾多次，并放置真空干燥,最后得到目標(biāo)雙功能催化劑。該催化劑利用多維模板構(gòu)型的高比表面積及MOFs結(jié)構(gòu)的多孔多活性位點(diǎn)，提升了雙功能活性及催化效率，大大提高了鋅空氣電池的能量利用和轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電催化領(lǐng)域，具體涉及一種雙功能電催化劑的制備方法。

景技術(shù)

人類的發(fā)展離不開能源的使用，但一次能源的大量使用也帶來(lái)了環(huán)境的問(wèn)題。應(yīng)用于可再生能源的高效、安全的儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)換裝置成為了能源研究的重點(diǎn)。其中，比能量高、價(jià)格低廉、安全穩(wěn)定的金屬-空氣電池得到了廣泛的關(guān)注。

作為最早得到商業(yè)化的金屬-空氣電池，鋅空氣電池的研究已經(jīng)持續(xù)了百年之久，并且在很多小功率器件中成功的得到了應(yīng)用。隨著近年來(lái)電極氣體擴(kuò)散理論逐漸完善，以及催化劑的制備和空氣電極制造工藝的發(fā)展，鋅空氣電池有望得到更廣泛的應(yīng)用。盡管鋰離子電池，在新能源尤其是電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但因?yàn)槠涫褂玫氖怯袠O大安全隱患的有機(jī)電解液，安全性始終得不到保障。相比之下，鋅空氣電池?fù)碛休^高的理論能量密度，且使用水基電解液，安全性得到了很大的提高。同時(shí)鋅空氣電池也憑借本身具有的低成本、高體積比能量、反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無(wú)危害等優(yōu)勢(shì)，有望在未來(lái)替代鋰離子電池。

盡管鋅空氣電池理論能量密度很高，但實(shí)際運(yùn)用中，其開路電壓與工作電流都低于理論值。這主要是鋅空氣電池的陰極反應(yīng)速率低導(dǎo)致的，設(shè)出一種高效催化OER與ORR反應(yīng)且低成本的雙功能催化劑成為了最迫切的需求。鋅空氣電池中的催化劑材料主要有三種：貴金屬基、過(guò)渡金屬基以及碳基催化劑材料。其中貴金屬催化劑（如Pt、Ru、Ir）雖然電化學(xué)活性比較高，但其雙功能活性、穩(wěn)定性較差，同時(shí)其高成本非常不利于其商業(yè)化。雜原子摻雜碳基催化劑常常涉及到價(jià)石墨烯/碳納米管。金屬氧化物催化劑（如Mn、Co）催化性能受微觀形貌影響很大，制備難度高，這些都大大增加了鋅空氣電池的推廣難度。

碳基催化劑材料，憑借其耐久性、孔隙可調(diào)、高比表面積、高導(dǎo)電率等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)逐漸成為了鋅空氣電池空氣電極催化劑的熱門材料。碳基催化劑當(dāng)前主要可以分為雜原子摻雜碳基催化劑和MOFs結(jié)構(gòu)催化劑，其中金屬有機(jī)框架（MOFs）材料憑借其結(jié)構(gòu)的高孔隙率、大表面積、多活性位點(diǎn)、分級(jí)孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)成為了研究熱點(diǎn)。利用MOFs本身及其衍生物在催化方面的潛力，可以解決鋅空氣電池當(dāng)前空氣電極催化劑材料存在的雙功能催化活性不足的問(wèn)題，從而提高鋅空氣電池的充放電性能。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服當(dāng)前鋅空氣電池空氣電極貴金屬催化材料雙功能可逆性差等技術(shù)不足，本發(fā)明提出了一種制備雙功能電催化劑的方法，通過(guò)引入高比表面積的模板并利用MOFs結(jié)構(gòu)的多孔、多活性位點(diǎn)，提升了催化劑雙功能活性及催化效率，大大提高了可充式鋅空氣電池的能量利用和轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)上述目的：

一種雙功能電催化劑的制備方法，其特征在于具體過(guò)程為：在無(wú)溶劑的情況下，使用無(wú)機(jī)鹽為模板，通過(guò)快速均勻混合和反應(yīng)熱制備金屬有機(jī)骨架材料，再通過(guò)熱處理、水洗、干燥過(guò)程獲得碳基雙功能電催化劑，具體制備步驟如下：

（1）將有機(jī)配體A、金屬鹽B和模板鹽C一起或先后混合均勻；

（2）將（1）中混合所得的面團(tuán)狀材料，置于坩堝中，放入高溫爐中無(wú)氧環(huán)境中熱處理，可得到黑色碳基材料；

（3）將（2）中所得產(chǎn)物進(jìn)行水洗去鹽、干燥，得到雙功能碳基電催化劑。