[發明專利]低溫熔鹽法制備氧電雙功能電催化劑及鋅空氣電池的應用

在審

• 申請號: 202211071424.8
• 申請日: 2022-09-02
• 公開（公告）號: CN115458756A
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 孫小華;趙大福;左思雨;孫盼盼;呂曉偉
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 成鋼

本發明公開了低溫熔鹽法制備氧電雙功能電催化劑及鋅空氣電池的應用。選用氯化鋅、氯化鈉用作雙元共晶低溫熔鹽，稱量含有金屬的碳源、硫源進行混合均勻，之后再次稱量氯化鋅、氯化鈉加入到上述混合物中進行混合得到顏色均一的前驅體；在保護氣氛下退火得到產物，去離子水洗滌。氯化鋅、氯化鈉在高溫時不僅會形成一個半封閉碳化的離子液體約束的空間，氯化鋅中的鋅離子在高溫時揮發會充當造孔劑。具有較大的比表面積和豐富的孔隙結構，所述的雙功能催化劑電催化劑經高溫退火得到的由氮硫共摻雜具有獨特的三維結構的碳納米球材料，并且氯化鋅中的鋅離子在高溫時會形成硫化鋅負載在碳納米球上，協同作用使得其具有較好的氧還原性能和氧析出性能。

技術領域

本發明屬于能源環境與納米材料技術領域，具體涉及一種低溫熔鹽法制備高比表面積，高活性的氧電雙功能電催化劑用于高穩定性鋅空電池正極。

背景技術

化石燃料的濫用會引發能源資源短缺以及環境污染，迫切需要開發和利用綠色可持續能源。目前鋰離子電池現在處于能源儲存的前沿。鋰離子電池的理論能量密度約為400Wh kg^?1，能量密度不足嚴重阻礙了其在一些需要高能量密度電源的領域下的應用。相比之下，鋅空氣電池由于其低成本、無污染和高理論能量密度(1086Wh kg^-1)而備受關注。然而，氧還原反應和氧析出反應固有的慢反應動力學導致其充放電能力差、效率低、將其制備成液態鋅空電池正極時，循環穩定性差。

貴金屬如鉑族金屬(PGM)，氧化銥（IrO₂），氧化釕(RuO₂)催化劑是目前最有效的催化劑，但因其催化功能單一、成本高、長期穩定性差和稀缺嚴重的阻礙了他們的大規模商業化。鑒于此，開發具有高活性和耐久性以及低成本的替代品至關重要。過渡金屬催化劑因其具有較好的電化學活性、廉價和資源豐富等優點，成為當下科研工作者的研究熱點。其中，鐵基碳材料催化劑因其具有優異的催化活性，被認為是最具發展前景的貴金屬催化劑的替代品，在近幾年得到了廣泛的研究，并取得了迅速的進展。

三維碳納米球材料是一種理想的結構，其具有較大的比表面積，因而可以使更多的活性位點暴露，并且其具有獨特的三維結構。由于電化學催化反應通常發生在材料的表面，較大的比表面積可以暴露更多的活性位點，提供更快的電荷轉移途徑。氯化鋅、氯化鈉在高溫時可以幫助形成多孔碳結構，同時可以有效地保存氮增強的N摻雜物。低溫熔鹽作為一個半封閉反應器，能夠有效促進碳材料熱解過程中中間物質的分解和均勻金屬摻雜。氯化鋅、氯化鈉在退火過程中離子液體中鋅陽離子的揮發對碳材料孔隙率有重要作用，從而獲得更大的比表面積，并且也會形成硫化鋅也能附著在碳基體上形成活性物種。但現如今，碳材料催化劑材料的制備過程繁瑣，耗時耗力，合成過程污染性大，耐受性差，且只具備單一催化性能，因此限制了它在高性能鋅空電池正極中的應用。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中碳材料催化劑的雙功能催化活性不佳、制備繁瑣且易在堿性條件下衰減的缺陷和不足，應用于鋅空電池穩定性不足等缺陷。有鑒于此，提供一種氧電雙功能電催化劑的方法，該方法具有設備要求低、所需原料成本低廉、反應條件易于控制、制備方法簡單、功能齊全、高效廉價和穩定性好等優點，可用于OER和ORR的雙功能電催化劑。并將制備的催化劑用于鋅空電池正極。

本發明的目的在于提供一種氧電雙功能電催化劑。

本發明的另一目的在于提供上述氧電雙功能電催化劑在高性能鋅空電池正極的應用。

為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

包括如下步驟:

S1:選用氯化鋅、氯化鈉用作雙元共晶低溫熔鹽；

S2:依次稱量含有金屬的碳源、硫源進行混合均勻，稱量氯化鋅、氯化鈉加入到上述混合物中再次混合均勻，得到顏色均一的前驅體；

S3:將研磨得到混合均勻的前驅體在惰性氣體的保護下700~1000℃退火1～3h，即得到高溫固體產物；

S4:將所述高溫固體產物用去離子水充分洗凈，得到所述氧電雙功能電催化劑。