一种锌空气电池用ORR-OER双功能电催化剂及其制备方法技术

一种锌空气电池用ORR

【技术实现步骤摘要】
一种锌空气电池用ORR
‑
OER双功能电催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于多孔碳材料制备电池电极用催化剂
，具体涉及一种锌空气电池用ORR
‑
OER双功能电催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]传统能源短缺、全球变暖和空气污染日益严重，世界正面临能源危机。为了缓解上述问题，可再生能源转换和存储技术的发展吸引了人们非常关注。锌空气电池是一种新型的绿色储能技术，其优势主要表现在以下几个方面：高储能密度，锌空气电池具有较高的储能密度，相对于传统的铅酸蓄电池，其储能密度可以提高50％以上。这意味着它们可以存储更多的能量，从而为储能系统提供更长的使用时间。环境友好，锌空气电池使用的是锌和空气作为原料，不含有对环境有害的化学物质，因此具有更好的环保性。与传统的电池相比，锌空气电池在制造、使用和处理过程中所产生的废物和排放物也要少得多。长寿命，锌空气电池的寿命非常长，在正常使用情况下可以达到5年以上。这主要是由于锌空气电池的正极材料锌是一种很稳定的金属，在长期使用过程中不会出现明显的腐蚀或失效。可充电性，锌空气电池也具备可充电性，可以通过反向电化学反应将阳极上的氧气还原为水，并重新形成锌粒子。这种可充电性使锌空气电池更加灵活，可以适应各种不同的储能需求。从ORR和OER角度来看，锌空气电池也具有一定的优势。在ORR方面，由于锌空气电池使用空气作为氧源，因此可以在空气中直接进行ORR反应，而无需额外添加氧化剂。这样可以降低催化剂成本，并且避免了有毒氧化剂带来的环境污染。在OER方面，锌空气电池的阳极材料是锌，而不是传统的氧化铅或氧化镉等重金属。这意味着锌空气电池对环境的影响要小得多。与此同时，锌也具有较好的耐腐蚀性，在OER过程中可以有效地防止阳极的腐蚀，从而延长了锌空气电池的寿命。总的来说，锌空气电池的储能密度高、环保性好、寿命长、可充电性强，从ORR和OER的角度来看也具有一定的优势，因此具有广泛的应用前景。
[0003]随着新能源技术的发展，锌空气电池有望成为一种重要的储能技术，为实现可持续发展做出贡献。锌空气电池的高能量密度和理论容量、低成本、高安全性和稳定性等优点，使其在储能和能源转换领域具有很大的开发潜力。氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)在锌空气电池的能量转换效率方面起着决定性的作用。ORR和OER都涉及复杂的多电子转移过程。ORR和OER固有的缓慢动力学导致相对较高的过电位，导致锌空气电池实际使用过程中能量效率低下、功率密度低和循环寿命短。在碱性溶液中，ORR遵循四电子反应准则：(1)O2(g)+*
→
*O2；(2)*O2+H2O(l)+e
–→
*OOH+OH
–
；(3)*OOH+e
–→
*O+OH
–
；(4)*O+H2O(l)+e
–→
*OH+OH
–
；(5)*OH+e
–→
OH
–
+*，其中*表示活性位点。第二步和第四步都涉及到活性氧(*O2和*O)与从水中解离的质子的耦合过程，因此水的解离产生质子的效率在很大程度上决定了ORR的反应速率。在ORR过程中，O2的吸附和活化是决定反应速率的另一个关键因素。传统的铂碳电池催化剂从ORR(氧还原反应)和OER(氧析出反应)的角度来看存在以下缺点：ORR方面的缺点：铂碳电池催化剂在ORR中具有较好的催化性能，但其缺点也比较明显。铂金属资源稀缺、成本高，同时铂金属会因为表面氧化而导致催化活性的下降，这限制了它们在
实际应用中的广泛使用。OER方面的缺点：传统的铂碳电池催化剂在OER中的催化效果相对较差，需要大量的电能输入才能使反应发生，且表现出低的催化活性和稳定性。此外，铂碳电池催化剂的OER活性容易受到杂质或污染物的影响，进一步降低了其催化性能。因此，为了克服传统铂碳电池催化剂的缺点，需要寻找新型催化剂，开发具有高催化活性的水解离和O2活化催化剂是提高ORR动力学的关键。贵金属基电催化剂表现出高的氧电催化活性，但高成本和较差稳定性的高应用门槛阻碍了可充电锌空气电池的大规模商业发展。开发低成本、高活性、稳定耐久的非贵金属基ORR/OER双功能电催化剂在能量转换中的应用具有长远的意义。随着科学技术的不断发展，人们越来越重视环境保护与资源利用，寻求更加高效、环保和可持续的能源和材料。在这些新型能源和材料中，碳材料因其良好的物理化学性质，广泛地应用于电池、催化、吸附等领域。同时，具有多孔结构和较大比表面积的碳材料，在这些领域中也具有很大优势。因此，制备多孔碳材料已成为当前研究的热点之一。
[0004]近年来，煤沥青由于其丰富的资源和低成本的优势，被广泛应用于碳材料的制备领域。在先前的研究中，已经报道了利用煤沥青等原料制备多孔碳材料的方法。然而，煤沥青在成分和性质上存在一定差异，因此需要进一步改进其制备工艺以提高其性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决
①
碱性条件下质子短缺导致的ORR反应活性不佳；
②
贵金属催化剂ORR/OER双功能活性和稳定性不足导致的锌空气电池功率密度和循环稳定性较差；
③
采用高成本的贵金属制备的催化剂OER过电位(E)较高等问题，提供一种锌空气电池电极用ORR
‑
OER双功能电催化剂及其制备方法。
[0006]本专利技术针对氮掺杂多孔碳包覆碳纳米管催化剂制备过程中，以中温煤沥青为碳基体、三聚氰胺提供氮源、与碳纳米管进行均匀混合，采用一步催化活化工艺，实现兼具发达孔隙和氮原子掺杂的氮掺杂多孔碳包覆碳纳米管催化剂的制备。具体为以中温煤沥青为碳基体与三聚氰胺、碳纳米管充分混合，在活化过程中通入二氧化碳，经过一步催化活化制备氮掺杂多孔碳包覆碳纳米管催化剂。通过改变碳纳米管、活化温度、升温速率以及活化时间可协同调控多孔碳孔隙和碳纳米管混合结构，进而获得孔隙发达和氮掺杂含量高的多孔碳催化剂材料。所得氮掺杂多孔碳包覆碳纳米管催化剂比表面积可达382.58m2/g，总孔容可达0.1927cm3/g，且具有高含量的氮掺杂结构。本专利技术在多孔碳催化剂等方面具有广阔的应用前景。
[0007]为解决上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0008]一种锌空气电池用ORR
‑
OER双功能电催化剂，所述催化剂的分子式为NPC@CNTs(氮掺杂多孔碳包覆碳纳米管)，结构为碳纳米管均匀混合在氮掺杂三聚氰胺均匀分散的中温煤沥青中。
[0009]一种上述的锌空气电池用ORR
‑
OER催化剂的制备方法，所述方法为：
[0010]步骤一：原料细化：将中温煤沥青和三聚氰胺依次进行研磨和筛分，并将两者混合均匀，得到前驱物；
[0011]步骤二：纳米材料与前驱物混合：将步骤一得到的前驱物与纳米材料充分混合均匀溶于乙醇溶液中超声5
‑
300min(优选30min)得到混合均匀的混合液，将混合液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌空气电池用ORR
‑
OER双功能电催化剂，其特征在于：所述催化剂的分子式为NPC@CNTs(氮掺杂多孔碳包覆碳纳米管)，结构为碳纳米管均匀混合在氮掺杂三聚氰胺均匀分散的中温煤沥青中。2.一种权利要求1所述的锌空气电池用ORR
‑
OER催化剂的制备方法，其特征在于：所述方法为：步骤一：原料细化：将中温煤沥青和三聚氰胺依次进行研磨和筛分，并将两者混合均匀，得到前驱物；步骤二：纳米材料与前驱物混合：将步骤一得到的前驱物与纳米材料充分混合均匀溶于乙醇溶液中超声5
‑
300min得到混合均匀的混合液，将混合液放入30
‑
100℃的烘箱中干燥0.1
‑
30h，得到混合均匀的混合物；步骤三：高温活化：将步骤二得到的混合物转移到管式炉中，置于惰性气氛中，温度升高600
‑
1200℃，二氧化碳活化处理0.5
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30h，然后将管式炉自然降温至室温，得到锌空气电池用ORR
‑
OER双功能电催化剂。3.根据权利要求2所述的一种锌空气电池用ORR
‑
OER双功能电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述中温煤沥青与三聚氰胺质量比3：0.1
‑
10。4.根据权利要求2所述的一种锌空气电池用ORR
‑
OER双功能电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述中温煤沥青是通过煤焦油静置脱水
→
用碳酸钠脱盐
→
用泵将煤焦油打入管式加热炉的对流段
→
此阶段煤焦油被加热到120
‑
130度
→
进入蒸发器进行脱水
→
塔顶蒸出轻油蒸汽经泠凝器进入油水分离器进行油水分离
→
塔底脱水后的的煤焦油流入无水焦油槽
→
煤焦油被泵入管式加热炉的...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮信信，李健，陈文浩，刘圳，李志阳，刘泽迪，李延辉，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：