[发明专利]锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及锌空气电池技术领域，具体涉及一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

锌空气电池作为一种新型、高效、绿色环保能源，具有可逆性，环境友好，安全，成本低等优点。由于氧气作为正极的反应物且是储存在电池外部，因此锌空气电池具有超高的能量密度高达1218 Wh/kg。相对锂空气电池由于锂金属当暴露在空气中非常活跃，锌空气电池更加安全可靠，且成本低廉。而相对镁空气电池和铝空气电池的快速的自放电和低效的库伦充电效率，锌空气电池充放电更加稳定和高效率。其中空气电极作为锌空气电池的正极，通过在电池放电时消耗氧气，而在充电时反向地释放出氧气来工作。因此对于要求具有高能量性能和可充电的锌空气电池，空气电极需具有高效的双功能催化活性，持久性，特别是能抵抗住当碱性电解液在重复性充放电时的严酷的条件。因此探寻一种高效的氧气氧化还原双功能催化剂对直接推进锌空气电池的发展具有重要的意义。

目前，贵金属像Pt, Ir, 和 Ru都是被公认为催化活性最高的锌空气电池空气电极催化剂，然而除了它们高昂的的成本外，Pt虽具有非常高效的氧气还原反应（ORR）催化活性, 而氧气析出反应（OER）催化活性较差因其表面容易形成一层低电导率的氧化物。相对的，Ir 和 Ru 具有优越的OER催化活性，但不具有突出的ORR催化活性。此外，贵金属催化剂的持久性和稳定性还远远不能满足可充电锌空气电池的运作。目前，文献中大量报道的物理混合Pt 和 Ir 或者 Ru 作为双功能催化剂。这种方法的不足在于通过物理混合后的Pt 和Ir或者Ru 的双功能催化剂由于较差的材料兼容性而导致其经常既不高效，也不可靠。因此，开发非贵金属高性能的双功能催化剂对实现锌空气电池的商业化显得极其迫切。大量文献报道涉及到应用过渡金属氧化物作为ORR或者OER催化剂，然而过渡金属氧化物的电导率都较低，从而影响了其催化性能。Dai. et. al, 报道了CoO 和 NiFeO纳米颗粒分别掺杂在碳纳米管上作为ORR催化剂和OER催化剂，再通过物理混合后作为双功能催化剂。此催化剂除了其通过物理混合而导致较差的材料兼容性外，其合成方法跟大部分目前报道的文献一样都是通过水热法把过渡金属氧化物长在碳材料表面，因此其合成方法复杂不可控，特别是不能满足大量生产。此外，所运用到的碳材料大部分都是碳纳米管、石墨烯、或者碳纤维，而导致成本相对比较高昂。

所以这里采用价格低廉的糖作为碳源，其次，通过利用高浓度糖的粘性，从而使过渡金属氧化物高度的分散于碳基底中，最后也借助碱性氢氧化物在高温下的凿孔能力，从而提高了材料的比表面积和同时创造了不同大小的孔，此材料设计极大地促进了催化剂的活性和稳定性。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种解决降低成本，简化合成工艺的一种高效的双功能的锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂。

本发明提供的一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，催化剂中的活性组分为粒径在10~500nm范围内的Fe_xCo_yNi_zO（0<x<100%, 0<y<100%，0<z<100%）纳米颗粒，所述Fe_xCo_yNi_zO纳米颗粒均匀、稳定的分散在多孔碳材料中。

本发明提供的一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，所述过渡金属氧化物在催化剂中的质量担载量为0.01%~80%，余量为多孔碳载体。

本发明提供的一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，为多孔材料，孔径覆盖微孔，介孔和大孔，孔径大小为 0.1 nm~100 nm。

本发明提供的一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，具有高比表面积结构，比表面积大小为：100 m²/g~2000 m²/g。