【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学催化剂材料的合成，具体涉及一种低碳网电子分布对称性多功能催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
1、第二次工业革命以后，煤炭逐渐在生活和工业生产中占据主导地位，尤其在电和内燃机专利技术之后，化石能源的使用量激增。随之而来的环境污染和温室效应也逐渐成为一个不容忽视、亟待解决的问题。目前为了应对上述问题，我们开发了像风能、太阳能、潮汐能等类型的新型绿色能源。但是目前由于地域限制，这些新型能源在环境保护方面能起到的作用有限。因此，我们需要一种能量存储和转换器件来减缓这方面的矛盾。
2、在众多能量存储转换器件中，金属空气电池由于安全、环保而收到大量关注。由于锌空气电池具有大的理论容量和高的功率密度等优势使得其在一众金属空气电池中脱颖而出。但是，锌空气电池阴极缓慢的动力学性能限制了其大规模商业化应用。目前，使用的pt-基和ru-基虽然可以有效改善其阴极性能，但是高昂的售价和资源的稀缺性不利于大规模发展。因此，我们需要开发一种具有良好性能且成本低的催化剂。
3、众所周知，碳材料具有良好的导电性和优秀的化学稳定性，是取代贵金属催化剂的不二之选。但是，未经改性的碳材料通常催化性能较差，远远不能满足实际需要。因此，减少或替代pt-基和ru-基等贵金属催化剂，制备一种稳定性好、电化学性能好、制备过程简单的多功能电化学催化剂是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：针对现有技术中的不足，提供了一种低碳网电子分布对称性多功能催化剂及其制备方法
2、为了实现以上专利技术目的，本专利技术的具体技术方案为：
3、一种低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，包括以下步骤：
4、(1)将锌盐、铁盐、钴盐、镍盐和锰盐加入水或醇溶剂中，搅拌得到溶液a；将二甲基咪唑加入水或醇溶剂中得到溶液b；
5、(2)将步骤(1)所得溶液a和溶液b混合，将其固液分离后进行冷冻干燥；
6、(3)将步骤(2)冷冻干燥后所得产物在惰性气体保护下加热得到黑色固体；
7、(4)将步骤(3)中的材料研磨后得到低碳网电子分布对称性的多功能催化剂。
8、进一步地，上述溶液a中锌离子(ⅱ)的浓度为0.08～0.09m，铁离子(ⅲ)的浓度为0.01～0.02m；钴离子(ⅱ)的浓度为0.01～0.02m，镍离子(ⅱ)的浓度为0.01～0.02m，锰离子(ⅱ)的浓度为0.01～0.02m。
9、进一步地，上述溶液b中甲基咪唑的浓度为0.35～0.36m。
10、进一步地，上述步骤(2)中溶液a与溶液b在室温下混合，搅拌10～14h，转速为10～300rpm。
11、进一步地，上述步骤(2)中冷冻干燥的温度为-70℃～-90℃，时间10～14h,压力为40～60pa；更优选在50pa、-80℃条件下冷冻干燥。
12、进一步地，上述步骤(3)中所采用的惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气中的任意一种或几种的混合物；加热过程为：以2.5～3.5℃/min升温至750～1050℃，并保温1～3h。
13、本专利技术保护采用上述方法制备的低碳网电子分布对称性多功能催化剂。
14、本专利技术也保护采用上述方法得到的低碳网电子分布对称性多功能催化剂在燃料电池的电极中的应用。尤其是能在新能源器件锌空气电池氧还原反应中较好的应用，能减少贵金属基催化剂的消耗，其稳定性好，在20000s后仍然具有98.7％的活性。
15、本专利技术的制备原理为：
16、我们在碳骨架中引入非金属元素和金属元素来降低材料碳网电子分布对称性。具体过程为：先在原料选择时选择带有n原子的前驱体，然后，我们在n掺杂的基础上引入zn、fe、co、ni、mn这五种金属元素使其以原子级分布来进一步降低整个碳网上电子分布的对称性。调节催化剂碳网上电子分布对称性可以使o-o键的断裂(生成)所需能量在合适范围内，使吸附在活性位点上的氧气更容易分解(形成)，从而降低同时具有氧还原和氧析出性能的双功能催化剂的电压差。此外，低碳网电子分布对称性的催化剂还可以优化氢析出反应过程中的能垒，从而降低氢析出所需的过电位。
17、与现有的技术相比，本专利技术的有益效果是：
18、(一)本专利技术将锌离子(ⅱ)、铁离子(ⅲ)、钴离子(ⅱ)、镍离子(ⅱ)、锰离子(ⅱ)引入到碳骨架中取代原有的碳原子，降低碳网电子分布对称性，从而调节反应过程中氧还原、氧析出和氢析出反应的能垒，使其具有合适的动力学性能。
19、(二)本专利技术制备过程简单且环保，且制备得到的低碳网电子分布对称性多功能催化剂不仅能在新能源器件锌空气电池氧还原反应中应用，减少贵金属基催化剂的消耗，而且成本低、效益高，稳定性好，在20000s后仍然具有98.7％的活性，对加快锌空气电池和燃料电池等储能器件广泛应用于实际生产生活中具有重要的现实意义。
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1.一种低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述溶液A所采用的溶剂为水或醇。
3.根据权利要求1或2所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，溶液A中锌离子的浓度为0.08～0.09M；铁离子的浓度为0.01～0.02M；钴离子的浓度为0.01～0.02M；镍离子的浓度为0.01～0.02M；锰离子的浓度为0.01～0.02M。
4.根据权利要求3所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述溶液B所采用的溶剂为水或醇。
5.根据权利要求1、2和4中任一所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，溶液B中甲基咪唑的浓度为0.35～0.36M。
6.根据权利要求5所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，溶液A与溶液B在室温下混合，搅拌10～1
7.根据权利要求1或6所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述的惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气中的任意一种或几种的混合物。
8.根据权利要求7所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，加热的过程为：以2.5～3.5℃/min的速率升温至750～1050℃，并在该温度下保温1～3h。
9.根据权利要求1、2、4、6和8中任一所述的方法制备的低碳网电子分布对称性多功能催化剂。
10.根据权利要求9所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂在制备燃料电池的电极中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述溶液a所采用的溶剂为水或醇。
3.根据权利要求1或2所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，溶液a中锌离子的浓度为0.08～0.09m；铁离子的浓度为0.01～0.02m；钴离子的浓度为0.01～0.02m；镍离子的浓度为0.01～0.02m；锰离子的浓度为0.01～0.02m。
4.根据权利要求3所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述溶液b所采用的溶剂为水或醇。
5.根据权利要求1、2和4中任一所述的低碳网电子分布对称性多功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，溶液b中甲基咪唑的浓度为0.35～0.36m。
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【专利技术属性】
技术研发人员：雷英，李嘉鑫，蒋天，杨康，谢华明，李建营，
申请(专利权)人：四川轻化工大学，
类型：发明
国别省市：
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