[发明专利]一种双功能电催化剂的制备方法

说明书

本发明属于电催化领域，具体涉及一种双功能电催化剂的制备方法。其具体步骤为：依次称量适量的有机配体和两种金属盐进行快速混合，通过反应生产热量和混合产生的热量使反应物液化，然后加入一定量其他金属盐和有机配体，继续混合研磨，再称量过量模板原料加入混合研磨至固化块状物，并将其置于坩埚中，放入管式炉内高温合成，冷却后对所得产物进行水洗、超声、抽滤多次，并放置真空干燥,最后得到目标双功能催化剂。该催化剂利用多维模板构型的高比表面积及MOFs结构的多孔多活性位点，提升了双功能活性及催化效率，大大提高了锌空气电池的能量利用和转换效率。

技术领域

本发明属于电催化领域，具体涉及一种双功能电催化剂的制备方法。

景技术

人类的发展离不开能源的使用，但一次能源的大量使用也带来了环境的问题。应用于可再生能源的高效、安全的储能、转换装置成为了能源研究的重点。其中，比能量高、价格低廉、安全稳定的金属-空气电池得到了广泛的关注。

作为最早得到商业化的金属-空气电池，锌空气电池的研究已经持续了百年之久，并且在很多小功率器件中成功的得到了应用。随着近年来电极气体扩散理论逐渐完善，以及催化剂的制备和空气电极制造工艺的发展，锌空气电池有望得到更广泛的应用。尽管锂离子电池，在新能源尤其是电动汽车领域得到了广泛的应用，但因为其使用的是有极大安全隐患的有机电解液，安全性始终得不到保障。相比之下，锌空气电池拥有较高的理论能量密度，且使用水基电解液，安全性得到了很大的提高。同时锌空气电池也凭借本身具有的低成本、高体积比能量、反应产物对环境无危害等优势，有望在未来替代锂离子电池。

尽管锌空气电池理论能量密度很高，但实际运用中，其开路电压与工作电流都低于理论值。这主要是锌空气电池的阴极反应速率低导致的，设出一种高效催化OER与ORR反应且低成本的双功能催化剂成为了最迫切的需求。锌空气电池中的催化剂材料主要有三种：贵金属基、过渡金属基以及碳基催化剂材料。其中贵金属催化剂（如Pt、Ru、Ir）虽然电化学活性比较高，但其双功能活性、稳定性较差，同时其高成本非常不利于其商业化。杂原子掺杂碳基催化剂常常涉及到价石墨烯/碳纳米管。金属氧化物催化剂（如Mn、Co）催化性能受微观形貌影响很大，制备难度高，这些都大大增加了锌空气电池的推广难度。

碳基催化剂材料，凭借其耐久性、孔隙可调、高比表面积、高导电率等优点，近年来逐渐成为了锌空气电池空气电极催化剂的热门材料。碳基催化剂当前主要可以分为杂原子掺杂碳基催化剂和MOFs结构催化剂，其中金属有机框架（MOFs）材料凭借其结构的高孔隙率、大表面积、多活性位点、分级孔结构等特点成为了研究热点。利用MOFs本身及其衍生物在催化方面的潜力，可以解决锌空气电池当前空气电极催化剂材料存在的双功能催化活性不足的问题，从而提高锌空气电池的充放电性能。

发明内容

为了克服当前锌空气电池空气电极贵金属催化材料双功能可逆性差等技术不足，本发明提出了一种制备双功能电催化剂的方法，通过引入高比表面积的模板并利用MOFs结构的多孔、多活性位点，提升了催化剂双功能活性及催化效率，大大提高了可充式锌空气电池的能量利用和转换效率。

本发明通过以下技术方案予以实现上述目的：

一种双功能电催化剂的制备方法，其特征在于具体过程为：在无溶剂的情况下，使用无机盐为模板，通过快速均匀混合和反应热制备金属有机骨架材料，再通过热处理、水洗、干燥过程获得碳基双功能电催化剂，具体制备步骤如下：

（1）将有机配体A、金属盐B和模板盐C一起或先后混合均匀；

（2）将（1）中混合所得的面团状材料，置于坩埚中，放入高温炉中无氧环境中热处理，可得到黑色碳基材料；

（3）将（2）中所得产物进行水洗去盐、干燥，得到双功能碳基电催化剂。