[发明专利]一种复合催化剂的制备方法和在锂空气电池中的应用

说明书

本发明属于锂空气电池技术领域，具体公开了一种八面体形貌的Ni‑N‑C复合材料及其反相微乳液制备方法。本发明方法制得的Ni‑N‑C复合材料用作锂空气电池催化剂材料具有较低的过电位，且其制备方法简单，具有较好的前景。

技术领域

本发明涉及电池材料制备领域，具体涉及一种锂空气电池的催化剂材料。

背景技术

由于锂空气电池的理论能量密度高达11700Wh kg^-1，其已成为最有吸引力的高能量密度二次电池之一。但是，在实际应用过程中，锂空气电池面临充放电过程中极化严重，功率性能差，循环性能不足等问题。催化剂材料，即正极材料，是锂空气电池的重要组成部分，可以有效地促进锂空气电池电极的反应动力学，解决以上问题，是锂空气电池大规模应用的关键。贵金属催化剂具有优异的催化性能，但是由于它们的高成本和资源短缺而难以大规模应用。过渡金属氧化物具有丰富的自然储量，提取的经济可行性，合成方法简单和优异的催化性能等特点，适合作为锂空气电池的催化剂。但是，过渡金属氧化物固有的低电导率和严重的纳米颗粒团聚在其ORR/OER催化活性中起着严重的限制作用。各种非氧化物催化剂，如金属氮化物、硫化物、硒化物等都得到了初步探索。在各种非氧化物催化剂材料中，金属颗粒，尤其是超小颗粒如Co，Fe颗粒作为催化剂方面都有不少探索。然而单纯的金属颗粒催化剂仍然存在比表面积较小从而影响电池性能的情况，通过与导电性能优良的多孔碳材料结合形成的金属氮碳材料能够显著加强过渡金属碳化物电子导电性并有利于其催化性能的发挥。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种比表面积大、导电性好、催化活性高的特定形貌的Ni-N-C复合材料，旨在提供一种具有优异电化学性能的材料。

本发明的另一目的在于提供了一种通过反相微乳液制备Ni-N-C复合材料的方法

本发明的第三目的在于提供了一种Ni-N-C复合材料在锂空气电池中的应用。

本发明第四目的在于，提供包含所述Ni-N-C复合材料的正极材料、正极以及锂空气电池。

一种Ni-N-C复合材料，具有八面体形貌；其包括掺氮多孔碳以及原位复合的镍纳米颗粒；

其中，所述的掺氮多孔碳为包含石墨化碳纳米管、且具有锌气化纳米孔结构(指微米-纳米分级锌气化孔结构)的碳材料。

本发明提供了一种全新形貌的复合材料，其包含掺氮碳复合材料以及原位复合的镍金属纳米粒子；其整体形貌呈八面体形貌，且其中具有石墨化的碳纳米管以及气化孔(锌气化孔)结构。本发明研究发现，该特殊形貌以及微观结构的材料，能够表现出优异的锂空电池催化性能。

本发明中，所述的掺氮多孔碳中，包括无定型碳，以及原位分布在其中的石墨化碳纳米管，所述的碳纳米管中镶嵌有镍纳米粒子。

本发明的技术方案，还提供了一种Ni-N-C复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：将包含镍源、锌源水溶液的第一反相微乳液、包含2-甲基咪唑水溶液的第二反相微乳液混合，进行反相微乳液反应，反应结束后固液分离，得到正八面体形貌的前驱体；其中，第二反相微乳液、第一反相微乳液按2-甲基咪唑、Zn摩尔比为4～8:1的比例混合；

步骤(2)：将所述的前驱体在900～1100℃下热处理，即得。

本发明研究意外发现，通过所述的反相微乳液方法，配合所述的2-甲基咪唑、Zn摩尔比比例的控制，能够意外地获得具有正八面体形貌的前驱体，并进一步研究发现，利用该特殊正八边体形貌的材料在所述的温度下热处理，能够意外地获得所述八面体形貌、且存在局域石墨化以及Zn气化孔结构的Ni-N-C复合材料。研究发现，该材料应用与锂空气电池中，能够表现出优异的性能，例如，可以有效改善锂空电池的首圈比容量以及循环稳定性。