[發明專利]一種具有缺陷結構的碳化鐵/多孔碳氣凝膠鋅-空氣電池陰極催化劑的制備方法在審

申請號：	202111409541.6	申請日：	2021-11-25
公開（公告）號：	CN114105143A	公開（公告）日：	2022-03-01
發明（設計）人：	王曉東;楊東江;張威;崔金峰	申請（專利權）人：	青島旭晟東陽新材料有限公司
主分類號：	C01B32/914	分類號：	C01B32/914;C01B32/05;H01M4/90
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種具有缺陷結構碳化鐵多孔凝膠空氣電池陰極催化劑制備方法
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【說明書】：

本發明公開了一種具有缺陷結構的碳化鐵/多孔碳氣凝膠鋅?空氣電池陰極催化劑的制備方法，屬于金屬空氣電池領域。該碳氣凝膠采用殼聚糖和鐵氰化鉀為原料，成功地制備出了鋅?空氣電池的陰極催化劑。該碳氣凝膠的具有豐富的缺陷結構和多級孔結構，此用作鋅?空氣電池陰極催化劑時表現出優異的催化活性。傳統的碳納米材料在堿性電解液下的氧還原（ORR）活性相對于商業化Pt/C還不理想。因此，提升碳材料在堿性條件下的ORR催化性能，代替貴金屬Pt基催化劑應用于鋅?空氣電池中具有重要的意義。本發明中，殼聚糖來源豐富，所得具有缺陷結構的碳化鐵/多孔碳氣凝膠在堿性條件下ORR催化性能優異，是非常有前景的能量轉換材料。

技術領域

本發明屬于金屬空氣電池領域，具體涉及一種具有缺陷結構的碳化鐵/多孔碳氣凝膠鋅-空氣電池陰極催化劑的制備方法。

背景技術

鋅-空氣電池的核心是催化劑。催化劑的關鍵指標是催化活性和穩定性，催化活性越高電流密度就越大，穩定性越好電池壽命就越長。目前大部分電催化劑的結構主要為貴金屬納米顆粒與碳材料相結合，常用的貴金屬是鉑。當前國內生產和科研上常用的是20wt% Pt/C系列催化劑。然而， Pt 價格高、儲量低等問題嚴重阻礙了鋅-空氣電池的商業化進程。發展低成本、高性能的氧還原（ORR）催化劑是解決鉑資源短缺、降低燃料電池成本、實現燃料電池商業化的關鍵。研究發現，鐵基/碳材料在堿性電解液中對ORR過程具有一定的催化活性，有取代Pt的潛力。因此，提升鐵基的碳材料在堿性條件下的ORR催化性能而應用于鋅-空氣電池中是一個重要課題。以殼聚糖和鐵氰化鉀分別作為碳源和鐵源，利用殼聚糖通過氨基質子化溶解于乙酸水溶液中形成的正電荷與鐵氰化鉀溶液中的[Fe(CN)₆]^3-通過靜電作用形成Fe-殼聚糖水凝膠，經過真空冷凍干燥和熱解形成Fe₃C/C氣凝膠，再將其熱處理去除部分碳原子形成具有缺陷結構的碳化鐵/多孔碳氣凝膠納米材料。得到的納米材料具有良好的導電性，結構有序，易于加工。不但解決了傳統方法的工藝繁瑣、成本高等問題，還提高了催化效率，減少了鉑催化劑的使用量，改善了催化劑產品的穩定性和壽命。

發明內容

本發明利用來源豐富且可再生的殼聚糖作為原料，制備了可用作鋅-空氣電池陰極催化劑的具有缺陷結構的碳化鐵/多孔碳氣凝膠。

本發明制備過程簡單，不需要昂貴設備，所得產品質量高性能好，在將來鋅-空氣電池的大規模應用中具有光明的前景。

一種具有缺陷結構的碳化鐵/多孔碳氣凝膠鋅-空氣電池催化劑的制備方法，制作過程包括以下步驟：

1）配置200 mL質量分數0.3%的殼聚糖乙酸水溶液，將其滴入0.1 M鐵氰化鉀溶液中，緩慢攪拌后浸泡，得到鐵-殼聚糖水凝膠；

2）利用冷凍干燥把鐵-殼聚糖水凝膠制備成鐵-殼聚糖氣凝膠；

3）鐵-殼聚糖氣凝膠在管式爐中，在氬氣氛圍下，經過700 ℃煅燒1小時，得到碳化鐵/碳氣凝膠；

4）用濃度為3 M的鹽酸水溶液把碳化鐵/碳氣凝膠中的氧化鐵等納米顆粒除掉得到碳化鐵/碳氣凝膠；

5）用電化學工作站及旋轉圓盤電/極測試上述產物在0.1 M KOH電解液下的ORR催化活性；

6）將上述得到的碳化鐵/碳氣凝膠材料作為陰極催化劑材料組裝一次鋅空電池，并測試其電池性能。

本發明具有以下優點：

本發明使用的原料主要是節肢動物如蝦、蟹、昆蟲等外殼中提取的甲殼素經過脫乙酰處理得到的殼聚糖，原料來源廣泛、環保綠色、安全性高，是一種巨大的可再生資源。