[发明专利]原位掺杂有催化活性组分的碳材料在锂-空气电池中应用

权利要求书

1.原位掺杂具有催化活性组分的碳材料在锂-空气电池中应用，其特征在于：所述原位掺杂具有催化活性组分的碳材料用作锂-空气电池中的电极材料；

所述催化活性组分原位掺杂于碳材料中，催化活性组分在碳材料中所占质量分数为1-80％。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

催化活性组分为金属和/或金属氧化物；其中金属为Fe、Cu、Ni、Ag、Pt、Pd、Au、Ir或Ru中的一种或二种以上，金属氧化物为Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Ce、Ti、Mo、Mn、Zn、W或V的氧化物中的一种或二种以上。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

所述碳材料采用硬模板法、软模板法或溶胶凝胶法制备而成。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：

硬模板法：于SBA-15有序介孔SiO₂中浸渍碳源和催化活性组份前驱体，于500～1700℃氩气或氮气下进行炭化，并用酸或碱去除SBA-15模板，经过滤、洗涤、干燥，即得原位掺杂活性组分的碳材料。

5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：

所述硬模板法当模板为纳米粉体时采用如下步骤制备：

按所需比例将碳源、活性组分前驱体加入去离子水中搅拌溶解，然后加入纳米粉体，于50～80℃加热并机械搅拌，待水分完全蒸发后真空60～80℃干燥；

干燥后的产品放入高温管式炉炭化，炭化所使用的惰性气体为氮气或氩气，炭化温度范围在500～1700℃，炭化时间控制在1～8h，得到纳米粉体/活性组分/碳复合物，用酸或碱去除纳米粉体模板，经过滤、干燥，即得原位掺杂活性组分的复合碳材料；

所述的纳米粉体与碳源的质量百分比范围在600％～10％；

纳米粉体包括碳酸镁、碳酸钙、氧化镁、醋酸镁、葡萄糖酸镁、氧化铜、氧化锌、氧化亚铁、三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化锡、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、三氧化钼、三氧化二钒或氧化钛的纳米粉末中的一种或二种以上。

6.根据权利要求4或5所述的应用，其特征在于：

所述碳源为蔗糖、葡萄糖、糠醇或酚醛树脂或间苯二酚甲醛树脂；催化活性组分前驱体为含Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Pt、Pd、Au、Ir、Ru、Cr、Zr、Ce、Ti、Mo、Mn、Zn、W及V的一种或多种金属盐；金属盐为金属的硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐、卤化物、二亚硝基二胺盐、乙酰丙酮化物、或大环络合物卟啉化物、酞箐化物中的一种或二种以上可共溶性盐。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：机械搅拌的功率范围为70～500w，搅拌速度为50～500rpm；碳化所使用的惰性气体为氮气或氩气，气体流量控制在10～50ml/min。

8.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述软模板法按照如下步骤制备而成：

(1)将表面活性剂溶于溶剂中，得到溶液A；所述表面活性剂为三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯EO₁₀₆-PO₇₀-EO₁₀₆、EO₂₀-PO₇₀-EO₂₀或EO₁₃₂-PO₅₀-EO₁₃₂中的一种或二种以上；所述溶剂为水、乙醇、异丙醇、甲醇中的一种或二种以上；

(2)向溶液A中加入催化活性组分的前驱体，完全溶解后加入碳源和硅源，经充分搅拌，干燥后于300～550℃烧除表面活性剂，在氮气或氩气气氛下600～1200℃炭化2～8h，用氢氟酸或氢氧化钠溶液洗去SiO₂，干燥后即得碳材料；所述碳源为酚醛树脂或间苯二酚甲醛树脂；所述硅源为正硅酸乙酯。