[发明专利]一种空气电极用催化剂、空气电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属空气电池技术领域，尤其涉及一种空气电极用催化剂、空气电极及其制备方法。

背景技术

目前，金属-空气电池是以电极电位较负的金属如镁、铝、锌等作负极，以空气中的氧或纯氧作正极的活性物质，电解液一般采用碱性或中性的电解质水溶液。金属空气电池具有容量大、比能量高、工作电压平稳、价格低廉、环境友好等优点，是一种具有巨大市场前景的化学电源。

空气电极是一种气体扩散电极，一般由催化层、防水层、集流网组成，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。空气电极的氧还原过程是一个复杂的反应过程，二电子历程和四电子历程会同时发生。但在不同条件下，其中一类反应历程占主要，所以可以通过改变反应条件使之向实验期望的方向进行。通过对催化剂的选择使用，可以决定和促进氧还原的二电子反应和四电子反应途径，来降低氧还原反应的电化学极化。

空气电极是金属-空气燃料电池中的重要组成部件，而空气电极用催化剂的催化活性是金属-空气电池性能的关键，其性能的好坏决定了金属-空气电池输出功率的大小。在现有技术中，常采用的催化剂主要有贵金属催化剂，钙钛矿型氧化物催化剂、金属有机螯合物催化剂，金属氧化物催化剂等。而贵金属催化剂价格昂贵很难商品化；钙钛矿型复合氧化物催化剂难于控制热处理条件而影响钙钛矿晶型；金属大环化合物，特别是金属(Fe、Co)螯合物如酞菁、卟啉也都被认为对氧还原有电催化活性，但其制备工艺较复杂，成本较高而不适合大批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种空气电极用催化剂、空气电极及其制备方法。该空气电极用催化剂具有很强的催化活性，使制得的空气电极性能得到很大提高，且上述制备方法过程简单，生产成本也较低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种空气电极用催化剂，所述催化剂以锰盐、银盐为原料，以碳材料为载体，其化学表达式为：

(MnO₂+Ag)/C；

其中，各组分的含量比为：

二氧化锰MnO₂∶银Ag∶碳C＝2∶1∶17。

所述锰盐为MnSO₄、Mn(NO₃)₂和高锰酸钾，所述银盐为Ag(NO₃)₂；

且所述碳材料和锰盐的比值为1∶1～1∶100，所述碳材料和银盐的比值为1∶1～1∶100。

一种空气电极用催化剂的制备方法，所述制备方法包括步骤：

1)将碳材料浸没在硫酸锰或硝酸锰溶液中，超声搅拌均匀后，静置5小时；

2)在步骤1所得到的溶液中加入高锰酸钾溶液，继续超声搅拌2～5小时，反应完成后，静置12小时，用去离子水洗涤；

3)去除杂质离子，放入鼓风干燥箱，60～100℃烘干，制得炭载二氧化锰催化剂；

4)将所述碳材料浸没在硝酸银溶液中，超声搅拌均匀；

5)将步骤4所得到的溶液放入鼓风干燥箱，60～100℃烘干，再放入马弗炉中还原气氛条件下440℃热分解一小时，缓慢冷却后得到炭载银催化剂；

6)将所制备的炭载二氧化锰催化剂和炭载银催化剂球磨混合均匀后，得到炭载二氧化锰和银的复合催化剂，即为所述的空气电极用催化剂。

一种空气电极，所述空气电极由催化膜，防水透气膜，集流网按照设定的排列方式压制而成，其中：

所述催化膜由上述权利要求1所述的空气电极用催化剂、碳材料和聚四氟乙烯乳液混合辊压成膜后制得；且所述空气电极用催化剂含量1～30％，碳材料含量20～90％，聚四氟乙烯乳液含量5～35％。

所述防水透气膜以碳材料为主料，聚四氟乙烯乳液为粘结剂，经混合辊压后制备而成；

其中，聚四氟乙烯含量为5～60％；乙炔含量为20～90％。

一种空气电极的制备方法，所述制备方法包括步骤：

1)将上述权利要求1所述的催化剂粉末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；

2)在辊膜机上反复折叠碾压多次，压制到所需厚度0.05-2.5mm，即制得催化膜；