[发明专利]电池阴极催化剂、其制备方法、电池阴极膜及金属空气电池

说明书

本发明提供一种电池阴极催化剂、其制备方法、电池阴极膜及金属空气电池，电池催化剂技术领域。电池阴极催化剂，在氮掺杂的介孔碳上负载有第一金属氧化物和第二金属催化剂，所述第一金属氧化物上负载有所述第二金属催化剂。电池阴极催化剂的制备方法，包括：将氮掺杂的介孔碳浸渍在第一前驱体溶胶内，在惰性气体气氛下煅烧得到含有第一金属氧化物的复合材料。将复合材料与第二前驱体溶胶混合后雾化得到溶胶液滴，将溶胶液滴在惰性气体气氛、等离子体热源下煅烧得到含有第二金属催化剂的电池阴极催化剂。此制备方法得到的电池阴极催化剂作为金属空气电池的电池阴极膜，使金属空气电池的催化效果更好，电学性能更佳。

技术领域

本发明涉及电池催化剂技术领域，具体而言，涉及一种电池阴极催化剂、其制备方法、电池阴极膜及金属空气电池。

背景技术

金属空气电池由金属阳极、电解液及空气阴极三部分组成，其中空气阴极是金属空气电池的核心部件，由内向外的结构依次是：与电解液直接接触的催化剂层内层，防止电解液泄露和提供反应物氧气通道的气体扩散透气层以及电流集流导电层。在空气阴极侧，氧气接受来自阳极的电子，在催化剂的作用下被还原为氢氧根或者其他中间产物，因此，催化剂层的性能直接决定了空气阴极的性能。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：催化剂的催化活性较低，使得氧还原反应动力学较差，过电位较高、使得电池的功率很低。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电池阴极催化剂、其制备方法、电池阴极膜及金属空气电池，催化剂的催化活性更强，金属空气电池的电学性能更佳。

第一方面，本发明实施例提供了一种电池阴极催化剂，在氮掺杂的介孔碳上负载有第一金属氧化物和第二金属催化剂，第一金属氧化物上负载有第二金属催化剂；

第一金属氧化物包括稀土金属氧化物和过渡金属氧化物中的一种或多种，第二金属催化剂包括稀土金属和贵金属中的一种或多种。

由于使用氮掺杂的介孔碳作为负载的基体，掺杂了氮元素以后，且先负载含有稀土金属和/或过渡金属的第一金属氧化物，使包括稀土金属和/或贵金属第二金属催化剂更加容易负载到氮掺杂的介孔碳表面和孔道的表面以及第二金属催化剂的表面，使得到的电池阴极催化剂的催化活性更高。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，第一金属氧化物包括二氧化锆、二氧化锰和二氧化铈中的一种或多种。电池阴极催化剂的催化活性更好。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，第二金属催化剂选自La、Pd、Pt和Ag中的一种或多种。电池阴极催化剂的催化活性更好。

第二方面，本发明实施例提供了一种电池阴极催化剂的制备方法，包括：

将氮掺杂的介孔碳与第一前驱体溶胶混合，在惰性气体气氛下煅烧得到含有第一金属氧化物的复合材料；

将复合材料与第二前驱体溶胶混合后雾化得到溶胶液滴，将溶胶液滴在惰性气体气氛、等离子体热源下煅烧得到含有第二金属催化剂的电池阴极催化剂。

在惰性气体气氛下煅烧氮掺杂的介孔碳和第一前驱体溶胶，可以避免介孔碳发生反应，且第一前驱体溶胶发生反应，得到第一金属氧化物，且第一金属氧化物负载在氮掺杂的介孔碳的孔壁表面，使其具有一定的催化性能，且有利于后续第二金属催化剂的负载。

在将复合材料与第二前驱体溶胶混合后雾化得到溶胶液滴，溶胶液滴在惰性气体、等离子体热源下煅烧，使用等离子喷雾热解法，使热源附近的温度梯度较大，温度场的分布范围小，等离子体中存在大量的高活性物质微粒，这些微粒可以与溶胶液滴迅速交换能量，得到的电池阴极催化剂的粒径小，尺寸分布集中，能够形成纳米级的颗粒，且使第二金属催化剂负载在氮掺杂的介孔碳和第一金属氧化物的表面和孔道表面，使得到的电池阴极催化剂的催化活性更高。