一种铝空气电池空气电极催化剂及其制备方法技术

一种铝空气电池空气电极催化剂及其制备方法，按物质摩尔比称取高锰酸钾、添加剂和还原剂，高锰酸钾和添加剂溶解于去离子水中配制成一定浓度溶液，将溶液中加入还原剂、超声波场下分散一段时间混合均匀；将分散后的溶液加入恒温水浴锅，控制温度及搅拌速度反应一段时间后取出；反应后的溶液经过滤、洗涤、烘干、热处理得二氧化锰粉体；所得二氧化锰粉体与乙炔黑混合后在无水乙醇中分散并加入一定量PTFE乳液，加热搅拌得团聚物；团聚物经碾压成薄片与导电镍网和防水透气膜复合碾压后经烘干、老化得到用于铝空气电池的空气电极;本发明专利技术所得纳米二氧化锰催化剂具有粒度细小、颗粒均匀、催化活性高、化学性质稳定、制作工艺简单廉价等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种铝空气电池空气电极催化剂及其制备方法
本专利技术属于铝空气电池制备
，具体涉及一种铝空气电池空气电极催化剂及其制备方法。
技术介绍
铝空气电池作为一种新型高能量的化学电源，具有能量密度大、使用方便、可靠性高、无污染、材料来源广泛等众多优点，一直是国内外研究的焦点之一。铝-空气电池以氧气作为正极活性物质，空气电极催化剂的性能一直是制约铝空气电池发展的重要步骤。目前，在铝空气电池的研究当中，提高空气电极的催化性能、寻找廉价高效的催化剂是金属空气电池研究的热点。目前用作空气电极的催化剂主要包括以下几类：(1)贵金属催化剂，包括银、铂及铂合金等。贵金属催化剂可以在很高的电极电势下保证较高的输出电流，且需要很少的量而且可以保持长久高效的催化活性；缺点是其价格昂贵、资源有限，这些不利因素使其实际应用受到了很大的限制。近年来有学者尝试使用炭材料作为铂的载体，但仍然不足以适应大规模产业化的需求。(2)尖晶石型氧化物，其通式是AB2O4，此类氧化物的氧还原反应一般遵循二电子途径，其先会在碳载体表面形成H2O2，催化剂会加速分解H2O2，从而降低氧还原的过电位。尽管尖晶石型氧化物对氧析出的稳定性以及电催化活性均非常高，但是它对氧还原反应的稳定性会随着使用时间的增长而逐渐衰减。(3)钙钛矿型氧化物，其通式是ABO3，此类催化剂具有较高的催化活性和稳定性，但其合成过程过于复杂，不利于大规模的生产应用。(4)金属锰氧化物，锰氧化物具备较好的氧还原催化活性，很早就受到催化剂相关的研究人员的关注，其最显著的优势就在于价格相对低廉，因而拥有相当广阔的发展及应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有铝空气电池所存在的问题而提供一种原材料价格低廉、催化活性高、化学稳定性好的铝空气电池空气电极催化剂。本专利技术的另一个目的是在于提供上述铝空气电池空气电极催化剂的制备方法，该制备方法是采用高锰酸钾沉淀法制备出具有较好结晶形态和较细颗粒的二氧化锰粉体。本专利技术制备二氧化锰粉体所涉及的主要化学反应式如下：4KMnO4+3C+4H+→4MnO2+3CO2+4K++2H2O为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种铝空气电池空气电极催化剂，其制备方法包括如下步骤：步骤(1)，将高锰酸钾与添加剂按照物质的量比3:1-1:3的比例溶于去离子水溶得到混合有添加剂的高锰酸钾溶液；步骤(2)，按照高锰酸钾与还原剂的物质的量比1:1的量加入碳质还原剂，在超声波条件下搅拌分散10-60min；步骤(3)，步骤(2)得到的混合溶液体系在恒温水浴锅中搅拌反应0.5-12h，反应温度控制在50-95℃。反应结束后过滤，滤渣经过洗涤后烘干得到粉末状固体；步骤(4)，将步骤(3)得到的粉末固体加入坩埚并放入电炉中，以5-10℃/min的升温速率升温至250-650℃，并保温2-12h，降温后取出即得到α-二氧化锰粉末；步骤(5)，将步骤(4)得到的α-二氧化锰粉末与乙炔黑、PTFE按照质量比5-10:1-3:2-5的比例混合后加入无水乙醇，其加入量为二氧化锰体积的10-20倍，在超声波条件下搅拌分散并加热析出，得到粘稠状催化剂；步骤(6)，将步骤(5)得到的粘稠状催化剂反复辊压得到片状催化剂，再与防水透气膜和集流体叠加后碾压成片，经过烘干、老化之后得到用于铝空气电池的空气电极。作为本专利技术的优选技术方案：步骤(1)所述添加剂为硫酸、盐酸、硝酸或草酸等酸类物质。步骤(2)所述碳质还原剂为纳米级的乙炔黑、活性炭或石墨粉等材料。步骤(2)所述超声波条件下搅拌分散时，其温度为20-80℃，超声波的功率为20-90W·cm-2.步骤(3)所述滤渣的洗涤过程中分别使用去离子水和无水乙醇反复洗涤3-8次。步骤(4)所述电炉为敞开式的马弗炉或电阻炉等，所述的坩埚为陶瓷坩埚。步骤(5)所述的乙炔黑为纳米碳材，所述分散温度为20-80℃，分散时间为10-60min，超声波的功率为20-90W·cm-2。步骤(6)所述的集流体为镍网、铜网等导电材料，所述的防水透气膜为自制或市售的聚四氟乙烯膜；所述的烘干温度为65-95℃，烘干时间为5-15h，所述老化温度为100-300℃，老化时间为2-20h。进一步，优选的是所述的铝空气电池空气电极催化剂，其制备方法包括如下步骤：步骤(1)，将高锰酸钾与硫酸按照物质的量比2：1的比例溶于去离子水溶得到混合有硫酸的高锰酸钾溶液；步骤(2)，按照高锰酸钾与纳米乙炔黑的物质的量比1:1的量加入乙炔黑，在超声波条件下搅拌分散30min；步骤(3)，将步骤(2)得到的混合溶液体系在恒温水浴锅中搅拌反应0.5h，反应温度控制在80℃。反应结束后过滤，滤渣经过洗涤后烘干得到粉末状固体；步骤(4)，将步骤(3)得到的粉末固体加入坩埚并放入电炉中，以5℃/min的升温速率升温至350℃，并保温12h，降温后取出即得到α-二氧化锰粉末；步骤(5)，将步骤(4)得到的α-二氧化锰粉末与乙炔黑、PTFE按照质量比7:1:2的比例混合后加入无水乙醇，在超声波条件下搅拌分散并加热析出，得到粘稠状催化剂；步骤(6)，将步骤(5)得到的粘稠状催化剂反复辊压得到厚度0.2mm的片状催化剂，再与防水透气膜和集流体叠加后碾压成片，经过85℃烘干12h、300℃老化10h之后得到用于铝空气电池的空气电极。进一步，优选的是所述的铝空气电池空气电极催化剂，其制备方法包括如下步骤：步骤(1)，将高锰酸钾与盐酸按照物质的量比1：1的比例溶于去离子水溶得到混合有盐酸的高锰酸钾溶液；步骤(2)，按照高锰酸钾与纳米活性炭的物质的量比1:1的量加入活性炭，在超声波条件下搅拌分散60min；步骤(3)，将步骤(2)得到的混合溶液体系在恒温水浴锅中搅拌反应2h，反应温度控制在65℃。反应结束后过滤，滤渣经过洗涤后烘干得到粉末状固体；步骤(4)，将步骤(3)得到的粉末固体加入坩埚并放入电炉中，以10℃/min的升温速率升温至450℃，并保温8h，降温后取出即得到α-二氧化锰粉末；步骤(5)，将步骤(4)得到的α-二氧化锰粉末与乙炔黑、PTFE按照质量比8:1:3的比例混合后加入无水乙醇，在超声波条件下搅拌分散并加热析出，得到粘稠状催化剂；步骤(6)，将步骤(5)得到的粘稠状催化剂反复辊压得到厚度0.25mm的片状催化剂，再与防水透气膜和集流体叠加后碾压成片，经过95℃烘干10h、250℃老化15h之后得到用于铝空气电池的空气电极。进一步，优选的是所述的铝空气电池空气电极催化剂，其制备方法包括如下步骤：步骤(1)，将高锰酸钾与硝酸按照物质的量比1：1的比例溶于去离子水溶得到混合有硝酸的高锰酸钾溶液；步骤(2)，按照高锰酸钾与纳米乙炔黑的物质的量比1:1的量加入乙炔黑，在超声波条件下搅拌分散10min；步骤(3)，将步骤(2)得到的混合溶液体系在恒温水浴锅中搅拌反应8h，反应温度控制在90℃。反应结束后过滤，滤渣经过洗涤后烘干得到粉末状固体；步骤(4)，将步骤(3)得到的粉末固体加入坩埚并放入电炉中，以10℃/min的升温速率升温至600℃，并保温4h，降温后取出即得到α-二氧化锰粉末；步骤(5)，将步骤(4)得到的α-二氧化锰粉末与乙炔黑、PTFE按照质量比8:1.5:3.5的比例混合后加入无水乙醇，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝空气电池空气电极催化剂，其特征在于，制备步骤为：步骤(1)，将高锰酸钾与添加剂按照3:1‑1:3的质量比例溶于去离子水得到混合有添加剂的高锰酸钾溶液；步骤(2)，步骤（1）所得混合有添加剂的高锰酸钾溶液中高锰酸钾与还原剂按照1:1的质量比例加入碳质还原剂，在超声波条件下搅拌分散10‑60min得混合溶液体系；步骤(3)，步骤(2)得到的混合溶液体系在恒温水浴锅中搅拌反应0.5‑12h，反应温度控制在50‑95℃，反应结束后过滤，滤渣经过洗涤后烘干得到粉末状固体；步骤(4)，步骤(3)得到的粉末状固体加入坩埚并放入电炉中，以5‑10℃/min的升温速率升温至250‑650℃，并保温2‑12h，降温后取出得到α‑二氧化锰粉末；步骤(5)，步骤(4)得到的α‑二氧化锰粉末与乙炔黑、聚四氟乙烯PTFE按照质量比5‑10:1‑3:2‑5的比例混合后加入工业用无水乙醇，无水乙醇加入量为二氧化锰体积的10‑20倍，在超声波条件下搅拌分散并加热析出，得到粘稠状催化剂；步骤(6)，步骤(5)得到的粘稠状催化剂反复辊压得到片状催化剂，再与防水透气膜和集流体叠加后碾压成片，经过烘干、老化之后得到用于铝空气电池的空气电极。...

【技术特征摘要】
1.一种铝空气电池空气电极催化剂，其特征在于，制备步骤为：步骤(1)，将高锰酸钾与添加剂按照3:1-1:3的质量比例溶于去离子水得到混合有添加剂的高锰酸钾溶液；步骤(2)，步骤（1）所得混合有添加剂的高锰酸钾溶液中高锰酸钾与还原剂按照1:1的质量比例加入碳质还原剂，在超声波条件下搅拌分散10-60min得混合溶液体系；步骤(3)，步骤(2)得到的混合溶液体系在恒温水浴锅中搅拌反应0.5-12h，反应温度控制在50-95℃，反应结束后过滤，滤渣经过洗涤后烘干得到粉末状固体；步骤(4)，步骤(3)得到的粉末状固体加入坩埚并放入电炉中，以5-10℃/min的升温速率升温至250-650℃，并保温2-12h，降温后取出得到α-二氧化锰粉末；步骤(5)，步骤(4)得到的α-二氧化锰粉末与乙炔黑、聚四氟乙烯PTFE按照质量比5-10:1-3:2-5的比例混合后加入工业用无水乙醇，无水乙醇加入量为二氧化锰体积的10-20倍，在超声波条件下搅拌分散并加热析出，得到粘稠状催化剂；步骤(6)，步骤(5)得到的粘稠状催化剂反复辊压得到片状催化剂，再与防水透气膜和集流体叠加后碾压成片，经过烘干、老化之后得到用于铝空气电池的空气电极。2.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极催化剂，其特征在于，步骤(1)所述添加剂为硫酸、盐酸、硝酸或草酸；步骤(2)所述碳质还原剂为纳米级的乙炔黑、活性炭或石墨粉。3.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极催化剂，其特征在于，步骤(2)所述超声波条件下搅拌分散时，其温度为20-80℃，超声波的功率为20-90W·cm-2。4.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极催化剂，其特征在于，步骤(3)所述过滤得到的滤渣在洗涤过程中分别使用去离子水和无水乙醇反复洗涤3-8次。5.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极催化剂，其特征在于，步骤(4)所述电炉为敞开式的马弗炉或电阻炉，所述的坩埚为陶瓷坩埚。6.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极催化剂，其特征在于，步骤(5)所述的乙炔黑为纳米碳材，所述分散温度为20-80℃，分散时间为10-60min，超声波的功率为20-90W·cm-2。7.根据权利要求1所述的一种铝空气电池空气电极催化剂，其特征在于，步骤(6)所述的集流体为镍网或铜网，所述的防水透气膜为自制或市售的聚四氟乙烯膜，所述的烘干温度为65-95℃，烘干时间为5-15h，所述老化温度为100-300℃，老化时间为2-20h。8.一种铝空气电池空气电极催化剂，其特征在于，制备步骤为：步骤(1)，将高锰酸钾与硫酸按照2：1的质量比例溶于去离子水溶得到混合有硫酸的高锰酸钾溶液；步骤(2)，步骤（1）所得混合有添加剂的高锰酸钾溶液中按照高锰酸钾与纳米乙炔黑为1:1的质量比例加入乙炔黑，在超声波条件下搅拌分散30min得混合溶液体系；步骤(3)，步骤(2)得到的混合溶液体系在恒温水浴锅中搅拌反应0.5h，反应温度控制在80℃；反应结束后过滤，滤渣经过洗涤后烘干得到粉末状固体；步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢刚，崔涛，李怀仁，和晓才，胥福顺，徐俊毅，赖浚，袁野，柯浪，姚云，刘兆华，徐庆鑫，魏可，谢天鉴，施辉献，
申请(专利权)人：昆明冶金研究院，
类型：发明
国别省市：云南;53