[发明专利]一种锌空气电池用双功能催化碳材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种锌空气电池用氧氮共掺杂碳材料的制备方法，它包括以下步骤：(a)使去离子水中的吡咯单体在FeCl₂和H₂O₂的作用下进行反应，随后烘干得棕色产物；(b)将所述棕色产物分散于去离子水中，加入NaCl后冻干；(c)将步骤(b)中冻干的产物置于管式炉中，在惰性气体保护下进行退火处理；用去离子水和酒精依次洗涤，真空干燥；(d)取步骤(c)的产物置于盐酸中进行搅拌，用离子水和酒精依次洗涤，再真空干燥后得到氧氮共掺杂碳纳米片；所述吡咯单体、FeCl₂、H₂O₂和NaCl的比例为1～3ml：0.3～0.7g：15～35ml：5～10g。以该材料作为空气正极的锌空气电池具有优异的性能。

技术领域

本发明属于锌空气电池领域，涉及一种催化碳材料，具体涉及一种锌空气电池用双功能催化碳材料的制备方法。

背景技术

锌空气电池由于极高的理论能量密度，以及价格低廉、环境友好的特征，而被认为是最具发展前景的二次储能装置。在锌空气电池体系中，正极催化剂是电池关键的组成部分之一，其催化活性的好坏直接关系到锌空气电池性能的优劣。理想的锌空气电池催化剂应具备以下特点：(1)较大的比表面积；(2)大量暴露的高效活性位点；(3)良好的导电性，较高的电导率；(4)较高的化学稳定性和持久性，强大的碱环境适应性；(5)成本低廉，来源广泛，制作方便；(6)绿色环保，环境友好。

如今实现商业化的正极催化剂均为贵金属材料，高昂的价格以及欠佳的稳定性严重制约了其发展。相比于商业化贵金属类催化材料，碳材料催化剂的成本要低得多，然而，纯碳自身并不具备催化活性。大量研究表明，碳材料除用作集流体外，其本身可通过元素掺杂、表面改性等方法实现对氧气反应的催化作用，用作氧气电极反应的催化剂。如碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯等以sp²杂化碳为主的碳材料由于极佳的导电性成为研究的重点方向，氮、氧、磷、硫和硼元素等成为掺杂元素的首选，同时，该类电催化剂的研发重点在于增大材料的比表面积，降低材料的堆叠程度，从而增加活性位点的暴露数量。尽管如此，碳材料的催化活性依然具有很大的局限性，大多数碳材料只在氧还原反应中起到催化作用，很难实现对氧还原反应和氧析出反应的同时催化，使其难以满足在锌空气电池中应用的要求。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种锌空气电池用双功能催化碳材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种锌空气电池用双功能催化碳材料的制备方法，它包括以下步骤：

(a)使去离子水中的吡咯单体在FeCl₂和H₂O₂的作用下进行反应形成配合物，随后烘干得棕色产物；

(b)将所述棕色产物溶解于去离子水中，加入NaCl后冻干；

(c)将步骤(b)中冻干的产物置于管式炉中，在惰性气体保护下进行退火处理；用去离子水和酒精依次洗涤，真空干燥；

(d)取步骤(c)的产物置于盐酸中进行搅拌，离心分离，随后用去离子水和酒精依次洗涤，再真空干燥后得到氧氮共掺杂碳纳米片；所述吡咯单体、FeCl₂、H₂O₂和NaCl的比例为1～3ml：0.3～0.7g：15～35ml：5～10g。

优化地，它还包括以下步骤：

(e)取所述氧氮共掺杂碳纳米片与乙炔黑置于无水乙醇和Nafion溶液的混合溶液中，超声分散形成浆料，涂于碳纤维纸上烘干作为空气电极，并以抛光锌片作为负极、含KOH和Zn(CH₃COO)₂的溶液作为电解液组装成锌空气电池。

优化地，步骤(c)中，所述退火温度为600℃～1000℃，退火时间为1～3小时。