锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂制造技术

本发明专利技术涉及一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂。其活性组分为Fe

Transition metal oxide high dispersed doped porous carbon catalyst for zinc air battery

The invention relates to a transition metal oxide highly dispersed porous carbon catalyst for a zinc air battery. Its active component is Fe

【技术实现步骤摘要】
锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂
本专利技术涉及锌空气电池
，具体涉及一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
锌空气电池作为一种新型、高效、绿色环保能源，具有可逆性，环境友好，安全，成本低等优点。由于氧气作为正极的反应物且是储存在电池外部，因此锌空气电池具有超高的能量密度高达1218Wh/kg。相对锂空气电池由于锂金属当暴露在空气中非常活跃，锌空气电池更加安全可靠，且成本低廉。而相对镁空气电池和铝空气电池的快速的自放电和低效的库伦充电效率，锌空气电池充放电更加稳定和高效率。其中空气电极作为锌空气电池的正极，通过在电池放电时消耗氧气，而在充电时反向地释放出氧气来工作。因此对于要求具有高能量性能和可充电的锌空气电池，空气电极需具有高效的双功能催化活性，持久性，特别是能抵抗住当碱性电解液在重复性充放电时的严酷的条件。因此探寻一种高效的氧气氧化还原双功能催化剂对直接推进锌空气电池的发展具有重要的意义。目前，贵金属像Pt,Ir,和Ru都是被公认为催化活性最高的锌空气电池空气电极催化剂，然而除了它们高昂的的成本外，Pt虽具有非常高效的氧气还原反应（ORR）催化活性,而氧气析出反应（OER）催化活性较差因其表面容易形成一层低电导率的氧化物。相对的，Ir和Ru具有优越的OER催化活性，但不具有突出的ORR催化活性。此外，贵金属催化剂的持久性和稳定性还远远不能满足可充电锌空气电池的运作。目前，文献中大量报道的物理混合Pt和Ir或者Ru作为双功能催化剂。这种方法的不足在于通过物理混合后的Pt和Ir或者Ru的双功能催化剂由于较差的材料兼容性而导致其经常既不高效，也不可靠。因此，开发非贵金属高性能的双功能催化剂对实现锌空气电池的商业化显得极其迫切。大量文献报道涉及到应用过渡金属氧化物作为ORR或者OER催化剂，然而过渡金属氧化物的电导率都较低，从而影响了其催化性能。Dai.et.al,报道了CoO和NiFeO纳米颗粒分别掺杂在碳纳米管上作为ORR催化剂和OER催化剂，再通过物理混合后作为双功能催化剂。此催化剂除了其通过物理混合而导致较差的材料兼容性外，其合成方法跟大部分目前报道的文献一样都是通过水热法把过渡金属氧化物长在碳材料表面，因此其合成方法复杂不可控，特别是不能满足大量生产。此外，所运用到的碳材料大部分都是碳纳米管、石墨烯、或者碳纤维，而导致成本相对比较高昂。所以这里采用价格低廉的糖作为碳源，其次，通过利用高浓度糖的粘性，从而使过渡金属氧化物高度的分散于碳基底中，最后也借助碱性氢氧化物在高温下的凿孔能力，从而提高了材料的比表面积和同时创造了不同大小的孔，此材料设计极大地促进了催化剂的活性和稳定性。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种解决降低成本，简化合成工艺的一种高效的双功能的锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂。本专利技术提供的一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，催化剂中的活性组分为粒径在10~500nm范围内的FexCoyNizO（0<x<100%,0<y<100%，0<z<100%）纳米颗粒，所述FexCoyNizO纳米颗粒均匀、稳定的分散在多孔碳材料中。本专利技术提供的一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，所述过渡金属氧化物在催化剂中的质量担载量为0.01%~80%，余量为多孔碳载体。本专利技术提供的一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，为多孔材料，孔径覆盖微孔，介孔和大孔，孔径大小为0.1nm~100nm。本专利技术提供的一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，具有高比表面积结构，比表面积大小为：100m2/g~2000m2/g。第二方面，本专利技术提供了一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1：以糖类为碳源，在80oC~180oC,把过渡金属离子包括铁盐，钴盐，与镍盐中的一种，两种或者三种加入到粘性糖类溶液中搅拌均匀；S2：在80oC~180oC，将碱性氢氧化物缓慢的加入到步骤S1制得的溶液中搅拌均匀，继续搅拌30min~4h,得到过渡金属离子氢氧化物颗粒悬浮物；S3：将得到的过渡金属离子氢氧化物颗粒悬浮物置于石英或陶瓷容器中，于惰性氛围和/或还原气体气氛下程序升温至目标温度，并在此目标温度下热处理得到黑色粉末；S4：将得到的黑色粉末润湿，再加入一定量的二次蒸馏水加热煮沸，回流，过滤，干燥，得到目标产物过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂。更进一步的技术方案是所述糖类为葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、乳糖、淀粉、纤维素、糖原、木糖中的一种或两种以上；所述铁盐为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁、醋酸铁中的一种或两种以上；所述钴盐为硝酸钴、氯化钴、硫酸钴、醋酸钴中的一种或两种以上；所述镍盐为硝酸镍、氯化镍、硫酸镍、醋酸镍中的一种或两种以上。更进一步的技术方案是所述碱性氢氧化物为氢氧化钾、氢氧化钠、氨水中的一种或两种以上；所述氢氧化物与过渡金属盐的物质的量的比为2:1~40:1。更进一步的技术方案是所述惰性和/或还原气体气氛为N2、Ar、H2中的一种或者两种以上的混合气体；所述碳化温度为500oC~1100oC。更进一步的技术方案是所述步骤S1中糖类的质量百分浓度为40%~90%（溶剂为水），过渡金属盐溶液的溶剂为乙醇、水或二者的混合物，过渡金属盐于溶剂中的摩尔浓度为1mM~1M。更进一步的技术方案是所述步骤S2中的加热温度为80oC~180oC,加热搅拌时间为30min~4h。更进一步的技术方案是所述步骤S3中的加热升温速率2-15oC/min,碳化时间为2~6h。第三方面，本专利技术提供了一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂在金属空气燃料电池的应用。现有技术生产的过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，电催化活性高、稳定性好，制备方法简单、绿色环保，涉及原材料成本低廉，能广泛运用于大规模锌空气电池应用中。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用过渡金属氧化物（FexCoyNizO纳米颗粒）作为双功能催化活性成分，且利用糖类作为基底多孔碳的来源，极大地降低了原材料和生产成本；在催化剂的制备过程中，免去了传统水热法生长过渡金属氧化物的步骤，使得制备方法简易和可控，同时有助于大规模生产；此外本专利技术所制得的过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，过渡金属氧化物FexCoyNizO纳米颗粒高度均匀地分散在多孔、高比表面积的碳载体中，从而提高了催化剂的稳定性及活性；同时由于碳载体具有微孔，介孔和大孔，和高比表面积的结构，这有助于活性成分与电解液的接触，即降低了极化过电位。从而提高了电池的能量效率及电池的循环特性。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明图1为本专利技术实施例中的锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂的制备方法的流程图。图2为本专利技术实施例二中制备得到的锌空气电池用过渡金属氧化物(FeCoNi)O纳米颗粒高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，其特征在于：催化剂中的活性组分为粒径在10~500nm范围内的Fe

【技术特征摘要】
1.一种锌空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，其特征在于：催化剂中的活性组分为粒径在10~500nm范围内的FexCoyNizO（0<x<100%,0<y<100%，0<z<100%）纳米颗粒，所述FexCoyNizO纳米颗粒均匀、稳定的分散在多孔碳材料中。2.如权利要求1所述过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，其特征在于：所述过渡金属氧化物在催化剂中的质量担载量为0.01%~80%，余量为多孔碳载体。3.如权利要求1所述的过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，其特征在于：所述催化剂为多孔材料，孔径覆盖微孔、介孔和大孔，孔径大小为0.1nm~100nm。4.如权利要求1所述的过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂，其特征在于：所述催化剂具有高比表面积结构，比表面积大小为：100m2/g~2000m2/g。5.一种金属空气电池用过渡金属氧化物高分散掺杂多孔碳催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：S1：以糖类为碳源，在80oC~180oC,把过渡金属离子包括铁盐，钴盐，与镍盐中的一种，两种或者三种加入到粘性糖类溶液中搅拌均匀；S2：在80oC~180oC，将碱性氢氧化物缓慢的加入到步骤S1制得的溶液中搅拌均匀，继续搅拌30min~4h,得到过渡金属离子氢氧化物颗粒悬浮物；S3：将得到的过渡金属离子氢氧化物颗粒悬浮物置于石英或陶瓷容器中，于惰性氛围和/或还原气体气氛下程序升温至目标温度，并在此目标温...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈训财，谭淞文，
申请(专利权)人：谭淞文，
类型：发明
国别省市：湖南,43