[发明专利]一种双功能电催化剂及其应用与制备方法

说明书

本发明公开一种双功能电催化剂及其应用与制备方法。所述双功能电催化剂为硫化物/介孔材料，所述硫化物/介孔材料是通过原子层沉积方法在介孔材料上包覆硫化物薄膜制备得到的。本发明利用原子层沉积技术，在高比表面积的介孔材料上均匀地沉积一层硫化物薄膜，制备得到了一种新的高效的双功能析氧反应、氧还原反应电催化剂硫化物/介孔材料。本发明所述硫化物/介孔材料材料展现了优越的催化性能和稳定性。本发明所述硫化物/介孔材料还可作为可充电金属‑空气电池的空气电极。液态的金属‑空气电池能够输出非常高的功率密度，并且具有很好的长时间充放电稳定性，固态的金属‑空气电池在弯曲状态下展现了很好的柔性和稳定性能。

技术领域

本发明涉及电催化剂技术领域，尤其涉及一种双功能电催化剂及其应用与制备方法。

背景技术

对于许多可再生能源系统来说，析氧反应和氧还原反应是两种非常重要的电化学过程，例如燃料电池、光电化学电池、电解器、金属-空气电池等。然而，析氧反应和氧化原反应的动力学过程非常缓慢，需要高效的电催化剂来加快反应过程、降低反应过电势。RuO₂和Pt通常被用作析氧反应和氧还原反应过程中的电催化剂，然而这些材料非常昂贵而且稳定性较差，很大程度上阻碍了它们的大规模应用。因此，亟需开发性价比较高的电催化剂。另外，对于可充放电金属-空气电池、再生燃料电池来说，电极上负载的催化剂需要具备双功能性，即需要能够同时可逆地催化析氧反应和氧还原反应。

近年来，钴类化合物被广泛应用于催化析氧反应和氧还原反应的电催化剂，通过一些传统的合成手段，如水热、溶剂热、热解、溶液沉淀等方法，钴类化合物被合成为各种各样的纳米结构，或是和碳类材料（多孔碳、碳纳米管、石墨烯等）结合在一起。然而，这些合成手段通常或是很难达到大规模、高重复性生产，或是需要特殊的安全事项，所以它们很难在工业上被应用于批量合成材料。

近年来，原子层沉积作为一种能源技术领域常用的纳米材料合成方法，引起了广泛的关注。原子层沉积利用饱和的、自限制性的表面化学反应过程，理论上能够在任何复杂的三维纳米结构上均匀地、保性地、厚度精确可控地沉积薄膜。同时原子层沉积过程是高度可重复的，已经被广泛用在许多工业界上大规模均匀地制备薄膜。实际上，对于电催化剂来说，它的催化性能往往是由材料最表面的性质决定的，利用原子层沉积技术，在基底表面均匀地覆盖一层电催化活性材料薄膜，就可以得到电催化剂。因此，原子层沉积技术对于制备电催化剂可以说是非常有用。更重要的是，通过原子层沉积技术，所沉积的材料表面的性能可以不受基底材料形状的影响，所以，在一些高比表面积的多孔结构支撑基底上，用原子层沉积技术包覆一层活性材料，可以制备催化性能显著提高的电极。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双功能电催化剂及其应用与制备方法，本发明的技术方案如下：

一种双功能电催化剂，其中，所述双功能电催化剂为硫化物/介孔材料，所述硫化物/介孔材料是通过原子层沉积方法在介孔材料上包覆硫化物薄膜制备得到的。

所述的双功能电催化剂，其中，所述硫化物为硫化钴、硫化镍、硫化铁、硫化锰、硫化铜、硫化钼、硫化钨中的一种或多种。

所述的双功能电催化剂，其中，所述介孔材料为碳纳米管（CNT）、泡沫镍、多孔炭中的一种或多种。

所述的双功能电催化剂，其中，所述双功能电催化剂为Co₉S₈/CNT。

所述的双功能电催化剂，其中，所述双功能电催化剂为Co₉S₈/CNT/CC；所述Co₉S₈/CNT/CC是先CNT负载于CC上，然后通过原子层沉积方法在CNT上包覆Co₉S₈薄膜制备得到的。

一种如上任一所述的双功能电催化剂的应用，其中，所述硫化物/介孔材料作为金属-空气电池的空气电极。