[发明专利]一种碳纸上原位制备空气电极的方法及其应用

摘要

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。

主权项

1.一种碳纸上原位制备空气电极的方法，其特征在于，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；（4）以体积份计，将浓度为2 mg·mL^‑1的多巴胺溶液、浓度为3.5 mg·mL^‑1的过硫酸胺溶液以及浓度为0.1 mol·L^‑1的磷酸盐缓冲液(PBS)，按1:1:5的比例混合，然后迅速将上述CP@NiCo‑tube置于该混合溶液中，静止反应充分，随后将CP@NiCo‑tube取出，在大量水中浸泡除去杂质，空气中干燥后撕去透明胶，再在40^oC真空干燥，记为CP@NiCo‑tube@PDA；（5）将上述CP@NiCo‑tube@PDA在氮气气氛下，以4 ^oC·min^‑1的升温速度加热到400 ^oC，在此温度下保持一定时间后继续以同样的速度升温到800^oC，并在此温度下再保持一定时间然后自然冷却到室温，记为CP@NiCo‑tube@C‑N；（6）在CP@NiCo‑tube@C‑N没有涂催化剂的那一面，即原来粘透明胶的那一面上涂30 wt%的PTFE乳液，室温干燥后，在空气中加热到340^oC，并在此温度下保持一定时间，得到空气电极，记为CP@NiCo‑tube@C‑N‑(electrode)。