[发明专利]一种三维氮掺杂石墨烯/二硫化钼长循环寿命锌空气电池材料及其制备方法在审

专利信息
申请号: 202111668383.6 申请日: 2021-12-31
公开(公告)号: CN114551906A 公开(公告)日: 2022-05-27
发明(设计)人: 杨观华;欧阳林辉;李翼宏;王旭;张志国;王红强;李庆余;蔡业政;郑锋华;潘齐常 申请(专利权)人: 广西科技大学;广西师范大学
主分类号: H01M4/88 分类号: H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06
代理公司: 广西中知国华知识产权代理有限公司 45131 代理人: 韦玲双
地址: 545006 广西*** 国省代码: 广西;45
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摘要:
搜索关键词: 一种 三维 掺杂 石墨 二硫化钼 循环 寿命 空气 电池 材料 及其 制备 方法
【说明书】:

发明公开了一种三维氮掺杂石墨烯/二硫化钼长循环寿命锌空气电池材料及其制备方法。该复合材料中,首先制备出氧化石墨烯,然后通过水热反应生成石墨烯/二硫化钼复合材料,最后在氨气的气氛下,通过高温进行氮掺杂,形成三维氮掺杂石墨烯/二硫化钼复合材料。在该复合材料中片状的二硫化钼和片状石墨烯相互穿错交插,形成三维网络结构。该复合材料作为新型能源材料在锌空气电池领域具有广阔的应用前景。

【技术领域】

本发明涉及金属空气电池技术领域,具体涉及一种三维氮掺杂石墨烯/二硫化钼长循环寿命锌空气电池空气催化材料及其制备方法。

【背景技术】

当今社会,在环境污染和传统能源枯竭双重危机的背景下,各国政府加大投入开发各种形式的新能源。为了更好利用新能源,作为能源转换设备的电池,其技术发展非常迅速。锌空气电池因具有能量密度高、环境友好、安全性高和成本低等优势,被作为一种新型的环保型能源而深受研究者的青睐。尽管锌空电池具备诸多的优点,然而其在实际使用时却面临诸多障碍,如锌空气电池在放电过程中因缓慢的化学动力学而产生较高的过电位。为了降低过电位,研究者通常使用贵金属来提升氧化还原电位,如Pt基材料提高还原反应电位,Ru、Ir 基材用于提高析氧反应电位,然而,这些贵金属资源稀缺且在经济上不可行,难以实现规模化商业应用。为了克服这一障碍,研究者付出巨大的努力来寻找新型的具有高效催化活性的非贵金属催化剂,旨在尽快实现绿色能源愿景。

石墨烯具有高比表面积和高导电性,在能源和催化领域具有广阔的应用前景。此外,二硫化钼是一种典型的过渡金属硫化物,具备与石墨烯相类似的二维结构,高比表面积、独特的物理化学稳定性和电子结构。

【发明内容】

本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,本发明将石墨烯和钼酸钠或钼酸铵通过水热法和氮掺杂处理制备出了一种三维氮掺杂石墨烯/二硫化钼复合材料,该复合材料中弯曲的二硫化钼的嵌入,促进氧化石墨烯纳米片对氧分子的吸附或活化,并为氧化石墨烯纳米片的分层结构的形成提供机械强度,从而加速电子或质量传输,有利于电催化过程。

为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:

一种三维氮掺杂石墨烯/二硫化钼长循环寿命锌空气电池材料的制备方法,包括以下步骤:

1)量取一定量的氧化石墨烯溶液,加入到一定的蒸馏水、乙醇或水和乙醇的混合液中,室温搅拌或超声一定的时间,得到氧化石墨烯分散溶液;

2)将一定量的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)或十四烷基三甲基溴化铵(TTAB)或十八烷基三甲基溴化铵(STAB)加入到氧化石墨烯分散溶液中,室温下磁力搅拌或机械搅拌一定的时间,得到混合I溶液;

3)将一定量的钼酸钠或钼酸铵和L-半胱氨酸或硫脲加入到混合I溶液中,室温下磁力搅拌或机械搅拌一定的时间,得到混合II溶液;

4)将混合II溶液转移到水热反应釜中,在一定的温度下反应一定的时间;

5)待反应结束后,用乙醇、丙酮、水或它们中两者或三者的混合液过滤3-10次或离心洗涤3-10次至干净,烘干后得到粉末;

6)将烘干的粉末置于管式炉中,在氮气或氩气或氮气与氩气的第一混合气体的气氛中,在一定的气体流量中进行热处理,然后以程序降温的方式冷却至室温,得到初步产物;

7)将初步产物放置在第二混合气中,在一定的气体流量、温度和掺杂时间下对复合材料进行氮掺杂,然后将炉管从管式炉取出自然降温至室温,收集得到的煅烧产物,即获得三维氮掺杂石墨烯/二硫化钼复合材料;

其中,所述第二混合气为氨气与氢气的混合气,或氨气与氮气的混合气,或氨气与氩气的混合气。

进一步说明,所述氧化石墨烯溶液的用量体积为1~20mL,质量浓度为5~20mg/mL;所述蒸馏水、乙醇或水和乙醇的混合液用量为30~100mL,室温搅拌或超声一定的时间为10~ 120min。

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