[发明专利]一种多级结构复合材料及其制备与应用

说明书

本发明属于能源材料的技术领域，公开了一种多级结构复合材料及其制备与应用。方法：1)在水中，将碳源、氮源和水溶性碱金属盐混合均匀，干燥，碳化处理，后续处理，获得N‑CN纳米片；2)在水中，将过渡金属的水溶性盐、Pt的水溶性化合物与N‑CN纳米片混合均匀，滴加还原剂，反应，后续处理，获得MPt/N‑CN；3)将过渡金属盐、抗坏血酸溶于水中，然后与MPt/N‑CN的分散水溶液混合，再加入氢氧化钾溶液，搅拌反应，水热反应，获得多级结构复合材料。本发明的方法，简单，成本低廉；所制备的复合材料具有泡沫状的多级结构，其产氧性能、氧还原性能好，并具有优良的充放电稳定性。本发明的复合材料用于锌空气电池。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，涉及一种多级结构复合材料及其制备与应用。所述多级结构复合材料为M(OH)_x/MPt/N-CN复合材料，M为过渡金属，N-CN为氮掺杂碳纳米片；所述述多级结构复合材料在可充电锌空气电池中的应用，特别是在可充电锌空气电池正极材料中的应用，用作催化剂。

背景技术

可充电锌空气电池作为能量转换和储存设备，具有高的理论比容量(1086Wh/kg)，高安全性和低的制造成本受到人们的青睐。正极材料作为锌空气电池的重要组成部分，其性能是影响电池质量的主要因素。如何提升正极材料的性能是提升电池性能的重要研究方向。

在锌空气电池中，正极在充放电时会发生产氧反应和氧还原反应即放电时氧气得到电子生成氢氧根发生氧还原反应(ORR)，充电时氢氧根失去电子生成氧气发生产氧反应(OER)。因此，作为可充电锌空气电池的正极材料需同时具有催化ORR和OER的性能。目前，双功能催化剂主要以贵金属材料为主，如Pt/C+RuO₂、Pd/C+IrO₂及Pt/C+Ir/C等，然而这些材料的活性和稳定性都不能满足可充电锌空气电池的发展需要，此外铂、钌、钯和铱等均为贵金属，地壳含量有限，成本也高。因此提高贵金属材料的活性和稳定性，降低贵金属材料的使用量，开发新型催化剂是研究可充电锌空气电池正极材料的主要方向。

过渡金属或者过渡金属氧化物与贵金属的复合物可以提高材料的催化性能，降低成本。但是，不尽人意的是过渡金属单质化学性质活泼，与贵金属的复合物结构不稳定，从而影响其稳定性。而过渡金属(M)氧化物的导电性差，达不到用于锌空电池材料的要求。

本发明的多级结构M(OH)_x/MPt/N-CN材料，其MPt纳米颗粒在N-CN和M(OH)_x纳米片之间，这种结构对MPt纳米颗粒有很好的保护作用，引入N-CN提高了M(OH)_x的导电性。这种材料贵金属含量低，制备成本低廉，作为可充电锌空气电池正极材料，具有优良的OER和ORR性能，具有工业化生产的前景。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种多级结构复合材料及其制备方法。本发明的多级结构复合材料为多级结构M(OH)_x/MPt/N-C N。M(OH)_x和MPt中M指过渡金属。本发明的多级结构复合材料中MPt纳米颗粒在N-CN(氮掺杂碳纳米片)和M(OH)_x纳米片之间，这种结构对MPt纳米颗粒有很好的保护作用，引入N-CN提高了M(OH)_x的导电性。

本发明的另一目的在于提供上述多级结构复合材料的应用。所述多级结构复合材料在锌空气电池中的应用，特别是用于制备可充电锌空气电池正极材料。本发明的材料贵金属含量低，制备成本低廉，作为可充电锌空气电池正极材料，具有优良的OER和ORR性能，具有工业化生产的前景。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种多级结构复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在水中，将碳源、氮源和水溶性碱金属盐混合均匀，干燥，碳化处理，后续处理，获得氮掺杂碳纳米片记为N-CN；