[发明专利]一种空气电池用电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电池催化剂材料技术领域，尤其是涉及一种空气电池用电催化剂及其制备方法和应用。所述催化剂，包括二氧化钛纳米孔阵列和设置在所述纳米孔阵列上的硫化钴层，对所述硫化钴层进行氮和/或磷掺杂处理。所述制备方法，包括：在二氧化钛纳米孔阵列中原位生长硫化钴层，并对所述硫化钴层进行氮和/或磷掺杂处理，得到所述电催化剂。本发明所述的电催化剂，催化活性高、成本低廉，电导率大；三维有序的纳米孔结构能够有效防止电催化剂在充放电时的聚集和损耗，显著提升电催化剂的循环稳定性能。采用所述催化剂组装的锌‑空气电池，具有较小的充放电电压间隙和优异的循环稳定性，超过了传统的Pt/C+IrO₂电催化剂，工业化应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及空气电池催化剂材料技术领域，尤其是涉及一种空气电池用电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

为解决日益增长的能源需求以及由此引发的环境污染问题，开展清洁能源转化与存储的相关研究已迫在眉睫。锌-空气电池作为一种新型化学储能电源，具有比能量高(理论比能量达1350Wh/kg)、原料来源丰富、工作电压稳定和安全环保等优势，因而受到研究者的广泛关注。锌-空气电池是以能够吸附空气中氧气活性物质作为阴极，金属锌作为阳极的一种电池。其中，在空气阴极上通过氧气的氧化还原反应(包括氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER))形成正负电流和电压。循环充放电过程中，ORR与OER反应迟滞和电催化剂的不稳定会严重影响空气阴极的实际应用。因此开发催化活性高、化学稳定性好、价格低廉的催化剂是锌-空气电池领域的研究重点。

目前，某些贵金属(如Pt、Rh、Ir)与贵金属氧化物(如IrO₂、RuO₂)等是能够分别用作ORR与OER反应的高效催化剂，可用于锌-空气电池领域。然而，贵金属昂贵的价格限制了其进一步的商业化应用。贵金属与多孔碳基底形成的复合催化剂(如Pt/C、IrO₂/C)，在一定程度上降低了材料的成本，但由于电化学反应过程中贵金属的溶解和碳基底的氧化，仍使得其稳定性较差。另外，对于这些纳米结构的电催化剂，特别是零维的纳米颗粒或一维的纳米线结构，在高电流密度下或长期循环测试中容易发生团聚，从而也会导致性能劣化。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种空气电池用电催化剂，以解决现有技术中存在的催化剂催化活性低、化学稳定性差，且成本高的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种空气电池用电催化剂的制备方法，所述制备方法工艺简单，成本低，适合大规模生产，工业化应用前景广阔。

本发明的第三目的在于提供一种空气电池用电催化剂在锌-空气电池中的应用，所述电催化剂用于锌-空气电池，具有较小的充放电电压间隙和优异的循环稳定性。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种电催化剂，包括二氧化钛纳米孔阵列和设置在所述纳米孔阵列上的硫化钴层，对所述硫化钴层进行氮和/或磷掺杂处理。

本发明所述的电催化剂对氧气的吸附能和脱附能适中，催化活性高、成本低廉，并且电导率大，具有稳定的化学性能。并且，三维有序的纳米孔结构能够有效防止电催化剂在充放电时的聚集和损耗，从而显著提升电催化剂的循环稳定性能。

采用所述催化剂组装的锌-空气电池，具有较小的充放电电压间隙(0.8V)和优异的循环稳定性，在130h后电压窗口增加不超过5％，超过了传统的Pt/C+IrO₂电催化剂，工业化应用前景广阔。

优选的，所述催化剂中，所述硫化钴层的负载量为36-73μg/cm²。

优选的，所述催化剂中，氮和/或磷的掺杂量为5-10％。掺杂过程中，上游粉末保持足量，通过调整CVD时间，调控氮、磷的掺杂量在上述范围内。