Mo2C/C纳米复合材料及其制备方法和包含该材料的锂二氧化碳电池正极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Mo2C/C纳米复合材料及其制备方法和包含该材料的锂二氧化碳电池正极及其制备方法，属于电化学能源技术领域。本发明专利技术以钼酸铵为钼源、柠檬酸为碳源，利用氢气的还原特性，制备Mo2C/C纳米复合材料。锂二氧化碳电池正极片通过涂覆法制备，将Mo2C/C纳米复合材料与PVDF混合为涂膜浆料并涂覆在集流体上，得到含有Mo2C/C纳米复合材料的锂二氧化碳电池正极。含有Mo2C/C纳米复合材料的锂二氧化碳电池正极有效的缓解了电池正极极化问题，降低了锂二氧化碳电池的充电过电势，使锂二氧化碳电池能够稳定高效地运行。

【技术实现步骤摘要】
Mo2C/C纳米复合材料及其制备方法和包含该材料的锂二氧化碳电池正极及其制备方法
本专利技术涉及一种Mo2C/C纳米复合材料及其制备方法和包含该材料的锂二氧化碳电池正极及其制备方法，属于电化学能源

技术介绍
随着人类社会的快速发展和每年成千上万吨化石燃料(煤、天然气和石油产品)的燃烧，大气中的二氧化碳排放量逐年增加。二氧化碳是主要的温室气体，二氧化碳浓度的增加已经引起了严重的气候变化，迫切需要减少二氧化碳排放到大气中。然而，由于二氧化碳中的碳原子是最高氧化状态，将二氧化碳转化为其他化学物质需要大量的能量，这将不可避免地导致额外的污染。因此，如何实现生态高效、环境友好的二氧化碳捕获和利用已成为世界性的挑战，研究者们正不断探索通过各种策略来实现二氧化碳转化的技术。然而，这些方法都需要额外的持续的补充能源，这又会导致在传统技术的基础上产生和排放更多的二氧化碳。在传统的二氧化碳捕获和利用策略中，我们获得了各种产品，包括一氧化碳、甲烷、乙烯、甲酸和甲醇。但是，这些液体或气体产品的储存和运输需要进一步压缩或液化程序，从而产生了额外的能源消耗。所以说传统的二氧化碳捕获和利用仍然是需要更多的能量，会产生更多的污染。因此，在一个电池系统中引入二氧化碳，不仅能减少二氧化碳的排放量，而且可以将二氧化碳转化为一种可再生能源。与锂空气电池相比，锂二氧化碳电池具有以下优点：(1)二氧化碳气体比氧气更容易压缩和储存；(2)在有机溶剂中，二氧化碳的溶解度比氧气大50倍，这有利于放电过程中阴极上二氧化碳消耗，二氧化碳可能比氧气具有更好的动力学特性；(3)该电池不仅能消耗温室气体，还能缓解能源危机。尽管锂二氧化碳电池是很有吸引力的新型能源系统，但目前来看，锂二氧化碳电池还处于实验室研究阶段，锂二氧化碳电池系统的进一步发展还需要克服许多问题。比如电解液的不稳定、锂枝晶的产生和正极电化学极化等方面。使用合适的催化剂材料，可以大大降低电池正极电化学极化，提升电池的性能。催化剂材料可以稳定中间产物及放电产物、提高电池的放电容量、降低充电平台和提高电池的能量转化效率。目前，常用的锂二氧化碳电池催化剂主要为碳材料和金属钌纳米颗粒。由于贵金属钌的成本很高，不利于实用化，并且碳材料催化剂降低正极极化的效果不显著。因此寻找一种合适的催化剂降低阴极电化学极化，提高能量转化效率是锂二氧化碳电池领域要解决的技术问题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种Mo2C/C纳米复合材料及其制备方法和包含该材料的锂二氧化碳电池正极及其制备方法。锂二氧化碳电池正极以Mo2C/C纳米复合材料为催化剂，含有Mo2C/C纳米复合材料的锂二氧化碳电池正极能够有效缓解电池正极极化问题，降低锂二氧化碳电池的充电过电势，以提升电池的循环寿命。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种Mo2C/C纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将钼酸铵、柠檬酸和氯化钠溶于去离子水中，搅拌得到均匀的水溶液；(2)将步骤(1)所得的水溶液冷冻干燥，得到混合物；(3)将步骤(2)所得的混合物在氩气氢气的混合气氛中还原；(4)用去离子水将步骤(3)所还原的混合物洗涤、干燥，得到Mo2C/C纳米复合材料。进一步地，所述步骤(1)中钼酸铵和柠檬酸的质量比为1:1-1.5。进一步地，所述步骤(3)中氢气与氩气的体积比为5:95。进一步地，所述步骤(3)中还原过程的升温速率为1～5℃/min，目标温度为700～1000℃，保持时间为1～3h。一种如上述所述方法制备的Mo2C/C纳米复合材料。一种如上述所述材料制备的锂二氧化碳电池正极。一种如上述所述的锂二氧化碳电池正极的制备方法，包括如下步骤：(1)将Mo2C/C纳米复合材料与PVDF按比例混合研磨，溶于NMP溶液中，搅拌得到涂膜浆料；(2)将涂膜浆料涂覆于集流体上，真空烘干，得到锂二氧化碳电池的正极。进一步地，所述步骤(1)中PVDF的用量为涂膜浆料质量的10～20％。进一步地，所述步骤(2)中集流体为碳纸，集流体直径为12～16mm。进一步地，所述步骤(2)中，烘干温度为80～120℃，烘干时间为10～12h。本专利技术的Mo2C/C纳米复合材料用作锂二氧化碳电池正极催化剂，可以缓解锂二氧化碳电池的正极极化，降低充电电压平台。利用本专利技术的锂二氧化碳电池正极组装非亲水性锂二氧化碳电池，该电池包括金属锂负极、非水性电解液、隔膜以及催化剂正极，其中电池组装过程是在充满高纯氩气的手套箱中进行的。优选采用16mm直径的锂金属片作为电池的阳极，玻璃纤维滤纸作为电池的隔膜，电解液用双三氟甲烷磺酰亚胺锂作为溶质，四乙二醇二甲醚作为溶剂，手套箱中O2<0.1ppm和H2O<0.1ppm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的Mo2C/C纳米复合材料是一种三维多孔分级结构，既有微孔又有介孔，有利于电解液中离子的传输和二氧化碳气体的扩散。(2)本专利技术的Mo2C/C纳米复合材料具有较大的比表面积和良好的导电性，并且制备方法简单、工艺成本低。(3)本专利技术的Mo2C/C纳米复合材料用作锂二氧化碳电池正极催化剂，可缓解锂二氧化碳电池的正极极化，降低充电电压平台，催化效果显著。附图说明图1为本专利技术实施例一中Mo2C/C纳米复合材料的SEM图；图2为本专利技术对比例一中商业BP2000碳粉的SEM图；图3为本专利技术实施例一中Mo2C/C纳米复合材料的X射线衍射图谱；图4为本专利技术实施例四与对比例一中锂二氧化碳电池在电流为20μA下的充放电曲线对比图；图5为本专利技术实施例四中锂二氧化碳电池的容量随电流的变化曲线。具体实施方式为了使本专利技术目的、技术方案更加清楚明白，下面通过实施例，对本专利技术作进一步详细说明。实施例一：(1)将钼酸铵、柠檬酸和氯化钠溶于去离子水中，磁力搅拌，得到均匀的水溶液，其中钼酸铵和柠檬酸的质量比为1:1；(2)将步骤(1)所得的水溶液冷冻干燥，得到混合物；(3)将步骤(2)所得的混合物在氩气氢气的混合气氛中还原，其中氩氢混合气中氢气与氩气的体积比为5:95，还原过程的升温速率为3℃/min，还原的目标温度为800℃，保持3h；(4)用去离子水将步骤(3)所还原的混合物洗涤、干燥，得到Mo2C/C纳米复合材料。实施例二：(1)将钼酸铵、柠檬酸和氯化钠溶于去离子水中，磁力搅拌，得到均匀的水溶液，其中钼酸铵和柠檬酸的质量比为1:1.2；(2)将步骤(1)所得的水溶液冷冻干燥，得到混合物；(3)将步骤(2)所得的混合物在氩气氢气的混合气氛中还原，其中氩氢混合气中氢气与氩气的体积比为5:95，还原过程的升温速率为5℃/min，还原的目标温度为750℃，保持3h；(4)用去离子水将步骤(3)所还原的混合物洗涤、干燥，得到Mo2C/C纳米复合材料。实施例三：(1)将钼酸铵、柠檬酸和氯化钠溶于去离子水中，磁力搅拌，得到均匀的水溶液，其中钼酸铵和柠檬酸的质量比为1:1.5；(2)将步骤(1)所得的水溶液冷冻干燥，得到混合物；(3)将步骤(2)所得的混合物在氩气氢气的混合气氛中还原，其中氩氢混合气中氢气与氩气的体积比为5:95，还原过程的升温速率为5℃/min，还原的目标温度为900℃，保持3h；(4)用去离子水将步骤(3)所还原的混合物洗涤、干燥，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Mo2C/C纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将钼酸铵、柠檬酸和氯化钠溶于去离子水中，搅拌得到均匀的水溶液；(2)将步骤(1)所得的水溶液冷冻干燥，得到混合物；(3)将步骤(2)所得的混合物在氩气氢气的混合气氛中还原；(4)用去离子水将步骤(3)所还原的混合物洗涤、干燥，得到Mo2C/C纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种Mo2C/C纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将钼酸铵、柠檬酸和氯化钠溶于去离子水中，搅拌得到均匀的水溶液；(2)将步骤(1)所得的水溶液冷冻干燥，得到混合物；(3)将步骤(2)所得的混合物在氩气氢气的混合气氛中还原；(4)用去离子水将步骤(3)所还原的混合物洗涤、干燥，得到Mo2C/C纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中钼酸铵和柠檬酸的质量比为1:1-1.5。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中氢气与氩气的体积比为5:95。4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中还原过程的升温速率为1～5℃/min，目标温度为700～1000℃，保持时间为1～3h。5.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐静，李硕，高秀丽，杨广武，白鹏，刘振，王钊，李彦鹏，邢伟，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37