[发明专利]制备空气电极用的催化剂及其制备方法、空气电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属电化学领域，尤其涉及一种空气电极用催化剂及其用途。

背景技术

锌-空气电池具有容量大、比能量高、工作电压平稳、价格低廉和环境友好等优点，是一种具有巨大市场前景的化学电源。随着现代制造技术的发展，锌-空气电池在便携式计算机、电子装置、遥控设备及军用通讯装置等领域广泛应用。而目前开发适用于电动车辆动力电源的大功率电池是研究的重点和难点。

空气电极是一种气体扩散电极，其一面与电解质接触，一面与空气中的氧气接触，在催化剂表面形成一种三相稳定的状态。在电池放电过程中，空气电极作为阴极，氧气沿电极表面扩散进入电极内部，在催化剂的作用下发生还原反应。

长期以来，催化剂的研究主要围绕以下系列集中展开：贵金属催化剂（如铂及铂合金、银），金属螯合物，金属氧化物（如尖晶石型氧化物，焦绿石型氧化物，钙钛矿型氧化物）等。贵金属催化剂有很好的催化活性和稳定性，但由于价格昂贵很难商品化。稀土过渡金属钙钛矿型复合氧化物对氧还原有较好的催化活性和稳定性，但由于热处理条件对钙钛矿晶型的形成有很大影响，而且大量研究表面催化性能也只是在100~180mA/cm2左右，达不到目前锌-空气电池发展的需要。

空气电极是锌-空气燃料电池中主要组成部件，其性能的好坏决定了电池输出功率的大小。空气电极催化剂的催化活性在电池的使用中起着关键的作用，提高空气电极催化剂的催化活性，意味着：在一定的工作电流密度下，以空气电极为正极的锌-空气燃料电池有更高的输出电位。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备空气电极用催化剂及其制备方法，该催化剂氧还原活性高，制备方便，价廉易得。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种制备空气电极用催化剂，该催化剂的活性中心主体为MnO，Mn2O3和Mn3O4，其中掺杂了0 %~20%的氧化钴和掺杂了0 %~20%的氧化镍。

一种制备空气电极用催化剂，其是以碳载催化剂材料为载体加入锰盐，再加入钴盐和镍盐中的至少一种，在碱溶液环境下反应后，再经去离子水洗涤、去除杂质离子最终干燥而成；其中，主材料成份的重量百分比为：锰盐5%~30%；钴盐0 %~20%；镍盐0 %~20%；余量为碳载催化剂材料。

所述的锰盐为MnSO4，Mn(NO3)2或者KMnO4；所述的钴盐为CoSO4，Co(NO3)2或者CoCl2；所述的镍盐为NiSO4，Ni(NO3)2或者NiCl2，所述的碳载催化剂材料为乙炔黑、活性碳和Carbot公司的碳黑产品XC-500。

一种上述催化剂制备方法，其方法如下：首先将碳载催化剂材料浸没在氨水中，超声搅拌均匀后，按比例加入锰盐、钴盐或镍盐，然后加入NaOH溶液调节pH值在8~14，继续超声搅拌2~5小时；反应完成后，用去离子水洗涤，去除杂质离子，然后放入鼓风干燥箱，60~100℃烘干。

其中，上述催化剂制备方法中，碳载催化剂材料和氨水的比值为1:1~1:100。

本发明的另一目的是提供一种空气电极用催化剂的用途，可用于制备高性能空气电极的催化膜。

本发明的又一目的是提供一种用上述催化剂制备的空气电极催化膜的制备方法。

为实现该目的，本发明采取以下设计方案：

一种用上述催化剂制作空气电极催化膜的方法，其方法步骤如下：将该碳载催化剂材料用乙醇超声分散均匀，加入5%~35%的聚四氟乙烯乳液，搅拌成团状，在辊膜机上反复折叠碾压二次以上，压制到所需厚度0.05~2.5mm，即制得催化膜。

本发明的再一目的是提供一种用上述空气电极催化膜最终制成的空气电极及其制备方法，该空气电极其催化性能优越，且具有稳定高效的电化学性能。

为实现该目的，本发明采取以下设计方案：

一种高性能的空气电极，其至少由催化膜、防水透气膜、集流网组成，所述的催化膜是由上述的碳载催化剂材料、聚四氟乙烯乳液混合辊压成膜后制得；其中，碳载催化剂材料重量百分比含量为65~95%；聚四氟乙烯乳液重量百分比含量为5~35%。

所述的防水透气膜是以碳载催化剂材料为主料，聚四氟乙烯乳液为粘结剂，经混合辊压后制备的薄膜；其中，聚四氟乙烯重量百分比含量为10~50%；碳载催化剂材料50~90%。

所述的碳载催化剂材料为乙炔黑、活性碳和Carbot公司的碳黑产品XC-500。

所述空气电极的防水透气膜是以碳载催化剂材料为主料，聚四氟乙烯乳液为粘结剂，经混合辊压后制备的薄膜；其中，聚四氟乙烯含量5~60%；乙炔黑20~90%。