[發(fā)明專(zhuān)利]復(fù)合雙功能電催化劑制備方法及用于大功率鋅空氣電池

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211071423.3
• 申請(qǐng)日: 2022-09-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115458753A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫小華;趙大福;左思雨;孫盼盼;呂曉偉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 三峽大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/88
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 宜昌市三峽專(zhuān)利事務(wù)所 42103
• 代理人: 成鋼

本發(fā)明公開(kāi)一種復(fù)合雙功能電催化劑制備方法及用于大功率鋅空氣電池，屬于新材料制備技術(shù)領(lǐng)域。該催化劑是由化學(xué)浴沉積法得到的鎳鐵水滑石前驅(qū)體，退火磷化變成Ni2P/Fe2P異質(zhì)磷化物與陰離子摻雜的空心碳球所構(gòu)成的復(fù)合材料。該復(fù)合催化劑中，磷化退火使得鎳鐵水滑石前驅(qū)體變成Ni2P/Fe2P異質(zhì)磷化物，其OER性能大幅提升，將其超聲復(fù)合后陰離子摻雜的空心碳球既提供OER活性的載體，又是ORR活性來(lái)源。超聲是為了將Ni2P/Fe2P異質(zhì)磷化物分散至納米級(jí)別，更好的與碳納米球中間體進(jìn)行耦合作用。本發(fā)明提供的一種氧還原和氧析出反應(yīng)雙功能催化劑，電池性能優(yōu)于貴金屬基催化劑，大幅提升了非貴金屬雙功能催化劑的活性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源環(huán)境新材料設(shè)計(jì)與納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合雙功能電催化劑制備方法用于大功率鋅空氣電池。

背景技術(shù)

當(dāng)代社會(huì)和工業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)化石燃料的枯竭會(huì)引發(fā)能源資源短缺并且造成的環(huán)境污染使得當(dāng)今社會(huì)對(duì)可綠色可持續(xù)清潔能源產(chǎn)生了大量需求。當(dāng)前，便攜式電子設(shè)備普及以及電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展大力推動(dòng)了安全可靠的高性能儲(chǔ)能器件的研究。高性能的儲(chǔ)能器件被視為非常有前景的下一代清潔可持續(xù)能源系統(tǒng)，其中，鋅空氣電池由于其鋅的儲(chǔ)量豐富，成本低，無(wú)污染和高能量密度而受到廣泛關(guān)注，其在柔性器件、電子設(shè)備和儲(chǔ)能裝置等應(yīng)用中具有較大的應(yīng)用前景。

目前，貴金屬如氧化銥、氧化釕和鉑基催化劑已被認(rèn)為是當(dāng)前最有效催化劑，然而，考慮到這些貴金屬基電催化劑的高成本、稀缺性和長(zhǎng)期耐久性差，開(kāi)發(fā)低成本、電催化活性高、耐久性?xún)?yōu)異的下一代氧電催化劑似乎至關(guān)重要，但也具有挑戰(zhàn)性。鋅空氣電池的空氣陰極反應(yīng)為氧還原反應(yīng)以及析氧反應(yīng)，具體而言，電池在放電過(guò)程中利用催化劑把氧氣還原成水，充電過(guò)程水變成氧氣的過(guò)程，然而，空氣陰極上的電化學(xué)氧還原和析氧反應(yīng)緩慢的動(dòng)力學(xué)過(guò)程導(dǎo)致其充放電能力差、效率低，是制約其電池發(fā)展的的根本原因。因此，研究開(kāi)發(fā)高性能且同時(shí)具有優(yōu)異的雙功能催化活性位點(diǎn)的催化劑是實(shí)現(xiàn)鋅空氣電池實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。衡量雙功能催化劑的關(guān)鍵指標(biāo)是析氧反應(yīng)在電流密度為10mA/cm2時(shí)的電位與氧還原的半波電位的差值△E，縮小電位差對(duì)于開(kāi)發(fā)非貴金屬的析氧反應(yīng)和氧還原反應(yīng)雙功能電催化劑具有重要意義。

鋅空氣電池中空氣陰極充放電時(shí)具有不同的反應(yīng)機(jī)理，單一活性位點(diǎn)的電催化劑往往不能滿(mǎn)足高性能雙功能氧電催化的需求，并且無(wú)法在大電流條件下穩(wěn)定工作。鑒于此，設(shè)計(jì)一種復(fù)合催化劑體系是被認(rèn)為實(shí)現(xiàn)雙功能催化非常有效的策略。目前，科研人員通過(guò)將鐵鈷鎳三元?dú)溲趸锱c氧化石墨烯進(jìn)行復(fù)合構(gòu)建雙功能催化劑。然后，上述的復(fù)合催化劑的雙功能電催化性能明顯低于貴金屬催化劑，難以滿(mǎn)足高性能電池體系的需要。并且其制備過(guò)程繁瑣、方法復(fù)雜、耗時(shí)耗力、耐受性差、難以低成本大規(guī)模制備。因此，開(kāi)發(fā)具有較小電位差、高性能、能在大電流下穩(wěn)定充放電的雙功能電催化劑及其高效的制備方法具有極大的社會(huì)價(jià)值和科學(xué)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中貴金屬基催化劑只有單一的催化性能，穩(wěn)定性差，非貴金屬催化劑氧析出和氧還原雙功能催化性能較低的困難，易在堿性條件下衰減的缺陷和不足，且無(wú)法在大電流下穩(wěn)定充放電。有鑒于此，提供一種基于Ni2P/Fe2P異質(zhì)磷化物負(fù)載在陰離子摻雜的空心碳球的高活性氧析出和氧還原反應(yīng)雙功能催化劑，實(shí)現(xiàn)非貴金屬催化劑對(duì)于氧還原反應(yīng)和的析氧反應(yīng)雙功能催化，其雙功能催化活性指標(biāo)超過(guò)貴金屬催化劑的活性；同時(shí)克服目前非貴金屬催化劑合成方法復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備與應(yīng)用的瓶頸，該方法具有設(shè)備要求低、所需原料成本低廉、反應(yīng)條件易于控制、制備方法簡(jiǎn)單、高效廉價(jià)和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)簡(jiǎn)便的步驟高效率的制備催化劑，從而有效促進(jìn)雙功能催化劑的大批量生產(chǎn)，為大功率鋅空氣電池的發(fā)展提供新的可能性。

本發(fā)明的目的在于提供一種高效雙功能電催化劑。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述高效雙功能電催化劑在大功率鋅空氣電池領(lǐng)域中的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

包括如下步驟: