[发明专利]一种碳纸上原位制备空气电极的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种原位制备空气电极的方法，首先在亲水化处理过的碳纸的其中一个表面沉积金属钴/镍有机框架化合物；接着再在其上面沉积双氰胺，高温热解后在碳纸的纤维骨架上生长出镍钴氮掺杂的碳空心管；随后进一步沉积聚多巴胺；继续热解后形成碳‑氮复合物包覆的镍钴‑碳氮空心纳米管；最后在另一面用聚四氟乙烯乳液处理，得到在碳纸上原位制备的空气电极。本发明的空气电极的催化剂直接沉积于碳纸表面，并且催化剂是由碳氮复合物包覆的镍钴氮掺杂的碳空心管，分散于碳纸碳骨架上的催化剂经高温处理后紧密结合在碳纸表面，保证了这种空气电极具有非常优异的稳定性与催化活性，在金属‑空气电池等电化学能源领域具有广泛的应用。

技术领域

本发明属于电化学能源及其材料技术领域，具体涉及到一种碳纸上原位制备空气电极的方法及其应用。

背景技术

气体扩散电极是一种特制的多孔膜电极，由于大量气体可以到达电极内部，且与电极外面的整体溶液（电解质）相连通，可以组成一种三相（固、液、气）膜电极。它既有足够的“气孔”，使反应气体容易传递到电极上，又有大量覆盖在催化剂表面的薄液层。催化剂（如铂黑）的粉粒分散在多孔膜中，并通过薄液层的“液孔”与电极外面的电解质溶液连通，以利于液相反应物和产物的迁移。气体进入扩散电极发生催化反应，并产生电流。气体扩散电极具有非常广泛的应用，除用于监测环境、工厂、矿场空气中某些微量的有害气体之外，还在电化学能源领域有着重要的应用。

空气电极是气体扩散电极中的一种，所指的气体即空气，而实际发生电极反应的物质是空气中的氧气。空气电极在能源电化学方面起着不可缺少的作用。作为空气电极的催化剂，金属铂是效果最为优异的材料，但由于它的资源有限，成本极高，而且在使用过程中铂比较容易中毒而失去活性，所以用其它非贵金属作为空气电极的催化剂具有重要的实际应用价值。此外，空气电极的制备过程涉及的步骤多，过程繁杂，主要包括纳米催化剂颗粒的制备、分离、提纯，纳米催化剂颗粒在含有粘结剂的溶剂中超声分散，纳米催化剂最后涂覆在气体扩散层（例如炭纸）表面等这些步骤。显然，简化空气电极的制备过程，对于有效保持催化剂的活性、减少成本并提高效率都是非常有意义的工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纸上原位制备空气电极的方法，本发明的目的还提供了一种碳纸上原位制备空气电极的方法及其应用。

为达到上述目的，本发明的实施方案为：一种碳纸上原位制备空气电极的方法，包括以下步骤：

（1）将碳纸于浓度为0.1 wt% 的曲拉通 X-100溶液中充分浸泡，然后将碳纸在大量水中浸泡，洗净碳纸表面的曲拉通 X-100，然后空气中干燥，将其中的一个表面用透明胶粘上，记为CP-1；将摩尔比为3:2 的Co(NO₃)₂·6H₂O和Ni(NO₃)₂·6H₂O溶于水，配成钴离子浓度为33 mmol·L^-1的金属盐溶液；然后将该金属盐溶液快速倒入相同体积的浓度为3.3 wt%的2-甲基咪唑溶液中，形成混合溶液，紧接着将上述CP-1浸入该混合溶液中，并在溶液中保持一定时间；最后将CP-1取出，在大量水中浸泡，60^oC下干燥，记为CP@MOF；

（2）将上述CP@MOF浸入常温下的双氰胺饱和水溶液中，然后取出CP@MOF在60^oC下干燥，撕下其中一面的透明胶，记为CP@MOF-DCD；

（3）将上述CP@MOF-DCD在氮气气氛下，以4 ^oC·min^-1的升温速度加热到850 ^oC，并在此温度下保持一定时间，然后自然冷却到室温，然后在原来撕下透明胶的那一面再次粘上透明胶，记为CP@NiCo-tube；