铪基金属-氧气制造技术

本发明专利技术公开了一种铪基金属

【技术实现步骤摘要】
铪基金属
‑
氧气/空气二次电池正极催化剂及金属
‑
氧气/空气二次电池


[0001]本专利技术涉及金属
‑
氧气
/
空气二次电池正极材料
，具体涉及铪基金属
‑
氧气
/
空气二次电池正极催化剂及基于该正极催化剂的金属
‑
氧气
/
空气二次电池
。

技术介绍

[0002]近年来随着人们对能源的需求越来越大，石油
、
煤
、
天然气等传统能源对环境的污染较大，能源结构转型迫在眉睫
。
尽管锂离子电池在过去几十年里得到了广泛的应用，但还是难以满足社会发展的需求
。
因此，开发新一代储能设备受到了各界广泛的关注
。
金属
‑
空气电池的能量密度极高，体系对环境较友好，具有非常大的发展潜力
。
[0003]但是现有的金属
‑
空气二次电池存在充放电过电位较高
、
倍率性能低
、
循环稳定性差等一系列问题
。
这些问题大部分归因于正极产物缓慢的形成和分解
。
在放电过程中，正极表面可连续被不溶性过氧化物薄膜覆盖，从而堵塞反应位点；在充电过程中，由于过氧化物导电性差，阻碍了电荷传输，增加分解势垒，使充电过电位较高，最终限制了金属
‑
氧气
/
空气二次电池的发展<br/>。
[0004]催化剂可以促进放电产物过氧化物快速
、
可逆的形成和分解，降低过电位，同时减少副反应，对于提高金属
‑
氧气
/
空气二次电池性能至关重要
。
目前报导的多相正极催化剂主要有碳材料，贵金属及其合金和氧化物，非贵金属及其氧化物材料，由于碳材料的不稳定性和贵金属价格昂贵，限制了其规模化应用
。
非贵金属及其氧化物材料无疑是最有前途的材料
。
[0005]铪
(Hf)
原子序数
72
，属于ⅣB
族元素，具有
+2、+3、+4
不同价态
。HfO2具有四方
、
立方
、
单斜不同的晶型，且皆为萤石或类萤石结构，是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，近来在工业界特别是微电子领域被引起极度的关注，由于它最可能替代硅基集成电路的核心器件金属氧化物半导体场效应管
(MOSFET)
的栅极绝缘层二氧化硅
(SiO2)
，以解决
MOSFET
中传统
SiO2/Si
结构的发展的尺寸极限问题，又因其铁电性也被认为是非易失性存储器的潜在材料，它在催化加氢等领域也有一定应用
。
但是尚未见到
HfO2在金属
‑
空气电池中的应用
。

技术实现思路

[0006]基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提供的是一种基于铪基化合物的金属
‑
氧气
/
空气二次电池催化剂以及基于该催化剂的金属
‑
氧气
/
空气二次电池，该正极催化剂可以有效地提高正极反应中的电子转移和氧吸附，促进金属与
O2之间的反应，促进放电产物的快速可逆形成和分解，降低充放电过电位，获得循环稳定性能更加优异的金属
‑
氧气
/
空气二次电池
。
[0007]为了解决以上技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一方面，本专利技术提供了一种铪基金属
‑
氧气
/
空气二次电池正极催化剂，所述催化
剂为纳米级
HfO2，或者是将纳米级
HfO2均匀分散到导电基体表面形成的
HfO2/
导电基体复合材料
。
[0009]作为优选，所述纳米级
HfO2的制备方法如下：将化学计量比的碱溶液逐渐滴加到
HfCl4水溶液中，连续搅拌3‑
12h(
优选
6h)
，得到含有
Hf(OH)4的白色沉淀；将
Hf(OH)4沉淀用去离子水充分洗涤后离心以除去残余物，离心过程可重复多次；最后，将所得产物在
80
‑
120℃(
优选
100℃)
的热空气烘箱中干燥过夜，并在
500
‑
800℃(
优选
600℃)
下进一步煅烧2‑
8h(
优选
4h)
得到纳米级
HfO2。
作为进一步的优选，所述的碱为
KOH、NaOH
或
NH3·
H2O。
[0010]作为优选，所述导电基体为碳材料
(
如石墨
(G)、
石墨烯
(GP)、
碳纳米管
(CNT)、
碳纳米纤维
(CNF)、NC
等
)、
导电聚合物
(
如聚苯胺
、
聚噻吩等
)、
金属
(
如镍
、
铜等
)
或二维纳米材料
(
如
Mxene)。
[0011]作为进一步的优选，所述的
HfO2/
导电基体复合材料为
HfO2/NC
复合材料，其通过如下方法获得：
[0012](1)
取
HfCl4、
尿素
、
柠檬酸
、
乙醇和去离子水于反应容器中，在
70
‑
85℃
下搅拌加热至溶液体积为原始体积的
10
‑
20
％，停止加热，溶液迅速固化结晶；其中
HfCl4、
尿素
、
柠檬酸
、
乙醇和去离子水的投料比为
0.4
‑
0.8g
：
10g
：
1g
：
25
‑
75mL
：
25
‑
75mL
，最优选
0.6g
：
10g
：
1g
：
50mL
：
50mL
；
[0013](2)
将步骤
(1)
得到的样品在烘箱中
80
‑
120℃(
优选
100℃)
干燥6‑
24h(
优选
12h)
，然后在惰性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种铪基金属
‑
氧气
/
空气二次电池正极催化剂，其特征在于：所述铪基金属
‑
氧气
/
空气二次电池正极催化剂为纳米级
HfO2，或者是将纳米级
HfO2均匀分散到导电基体表面形成的
HfO2/
导电基体复合材料
。2.
如权利要求1所述的铪基金属
‑
氧气
/
空气二次电池正极催化剂，其特征在于：所述纳米级
HfO2的制备方法如下：将化学计量比的碱溶液逐渐滴加到
HfCl4水溶液中，连续搅拌3‑
12h
，得到含有
Hf(OH)4的白色沉淀；将
Hf(OH)4沉淀用去离子水充分洗涤后离心以除去残余物；最后，将所得产物在
80
‑
120℃
的热空气烘箱中干燥过夜，并在
500
‑
800℃
下进一步煅烧2‑
8h
得到纳米级
HfO2。3.
如权利要求2所述的铪基金属
‑
氧气
/
空气二次电池正极催化剂，其特征在于：所述的碱为
KOH、NaOH
或
NH3■
H2O。4.
如权利要求1所述的铪基金属
‑
氧气
/
空气二次电池正极催化剂，其特征在于：所述导电基体为碳材料
、
导电聚合物
、
金属或二维纳米材料
。5.
如权利要求4所述的铪基金属
‑
氧气
/
空气二次电池正极催化剂，其特征在于：所述碳材料为石墨
、
石墨烯
、
碳纳米管
、
碳纳米纤维或
NC
；所述导电聚合物为聚苯胺或聚噻吩；所述金属为镍或铜；所述二维纳米材料为
Mxene
材料
。6.
如权利要求1所述的铪基金属
‑
氧气
/
空气二次电池正极催化剂，其特征在于：所述
HfO2/
导电基体复合材料为
HfO2/NC
复合材料，其通过如下方法获得：
(1)
取
HfCl4、
尿素
、
柠檬酸
、
乙醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏利伟，张蕾，湛星艺，王连邦，吴昊，陈欢，沈超奇，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：