一种双功能电催化剂及其应用与制备方法技术

本发明专利技术公开一种双功能电催化剂及其应用与制备方法。所述双功能电催化剂为硫化物/介孔材料，所述硫化物/介孔材料是通过原子层沉积方法在介孔材料上包覆硫化物薄膜制备得到的。本发明专利技术利用原子层沉积技术，在高比表面积的介孔材料上均匀地沉积一层硫化物薄膜，制备得到了一种新的高效的双功能析氧反应、氧还原反应电催化剂硫化物/介孔材料。本发明专利技术所述硫化物/介孔材料材料展现了优越的催化性能和稳定性。本发明专利技术所述硫化物/介孔材料还可作为可充电金属‑空气电池的空气电极。液态的金属‑空气电池能够输出非常高的功率密度，并且具有很好的长时间充放电稳定性，固态的金属‑空气电池在弯曲状态下展现了很好的柔性和稳定性能。

A bifunctional electrocatalyst and its application and preparation method

The invention discloses a bifunctional electrocatalyst and its application and preparation method. The bifunctional electrocatalyst is a sulfide/mesoporous material, which is prepared by coating sulfide film on the mesoporous material by atomic layer deposition method. The invention uses atomic layer deposition technology to uniformly deposit a sulfide film on a high specific surface area mesoporous material, and obtains a new highly efficient bifunctional oxygen evolution reaction and oxygen reduction reaction electrocatalyst sulfide/mesoporous material. The sulfide/mesoporous material material of the invention exhibits superior catalytic performance and stability. The sulfide/mesoporous material of the invention can also be used as an air electrode of a rechargeable metal air battery. Liquid metal-air batteries can output very high power density and have good long-term charge-discharge stability. Solid metal-air batteries show good flexibility and stability under bending conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种双功能电催化剂及其应用与制备方法
本专利技术涉及电催化剂
，尤其涉及一种双功能电催化剂及其应用与制备方法。
技术介绍
对于许多可再生能源系统来说，析氧反应和氧还原反应是两种非常重要的电化学过程，例如燃料电池、光电化学电池、电解器、金属-空气电池等。然而，析氧反应和氧化原反应的动力学过程非常缓慢，需要高效的电催化剂来加快反应过程、降低反应过电势。RuO2和Pt通常被用作析氧反应和氧还原反应过程中的电催化剂，然而这些材料非常昂贵而且稳定性较差，很大程度上阻碍了它们的大规模应用。因此，亟需开发性价比较高的电催化剂。另外，对于可充放电金属-空气电池、再生燃料电池来说，电极上负载的催化剂需要具备双功能性，即需要能够同时可逆地催化析氧反应和氧还原反应。近年来，钴类化合物被广泛应用于催化析氧反应和氧还原反应的电催化剂，通过一些传统的合成手段，如水热、溶剂热、热解、溶液沉淀等方法，钴类化合物被合成为各种各样的纳米结构，或是和碳类材料（多孔碳、碳纳米管、石墨烯等）结合在一起。然而，这些合成手段通常或是很难达到大规模、高重复性生产，或是需要特殊的安全事项，所以它们很难在工业上被应用于批量合成材料。近年来，原子层沉积作为一种能源
常用的纳米材料合成方法，引起了广泛的关注。原子层沉积利用饱和的、自限制性的表面化学反应过程，理论上能够在任何复杂的三维纳米结构上均匀地、保性地、厚度精确可控地沉积薄膜。同时原子层沉积过程是高度可重复的，已经被广泛用在许多工业界上大规模均匀地制备薄膜。实际上，对于电催化剂来说，它的催化性能往往是由材料最表面的性质决定的，利用原子层沉积技术，在基底表面均匀地覆盖一层电催化活性材料薄膜，就可以得到电催化剂。因此，原子层沉积技术对于制备电催化剂可以说是非常有用。更重要的是，通过原子层沉积技术，所沉积的材料表面的性能可以不受基底材料形状的影响，所以，在一些高比表面积的多孔结构支撑基底上，用原子层沉积技术包覆一层活性材料，可以制备催化性能显著提高的电极。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双功能电催化剂及其应用与制备方法，本专利技术的技术方案如下：一种双功能电催化剂，其中，所述双功能电催化剂为硫化物/介孔材料，所述硫化物/介孔材料是通过原子层沉积方法在介孔材料上包覆硫化物薄膜制备得到的。所述的双功能电催化剂，其中，所述硫化物为硫化钴、硫化镍、硫化铁、硫化锰、硫化铜、硫化钼、硫化钨中的一种或多种。所述的双功能电催化剂，其中，所述介孔材料为碳纳米管（CNT）、泡沫镍、多孔炭中的一种或多种。所述的双功能电催化剂，其中，所述双功能电催化剂为Co9S8/CNT。所述的双功能电催化剂，其中，所述双功能电催化剂为Co9S8/CNT/CC；所述Co9S8/CNT/CC是先CNT负载于CC上，然后通过原子层沉积方法在CNT上包覆Co9S8薄膜制备得到的。一种如上任一所述的双功能电催化剂的应用，其中，所述硫化物/介孔材料作为金属-空气电池的空气电极。所述的双功能电催化剂的应用，其中，所述金属-空气电池为液态的金属-空气电池或固态的金属-空气电池。所述的双功能电催化剂的应用，其中，所述金属-空气电池为锌-空气电池、锂-空气电池、铝-空气电池、镁-空气电池中的一种。一种如上任一所述的双功能电催化剂的制备方法，其中，包括步骤：将介孔材料分散于溶剂中，并加入粘接剂，然后搅拌均匀，得到悬浮液；将悬浮液滴加到电极上，然后将电极烘干后转移到原子层沉积设备的反应室中进行硫化物薄膜的沉积，得到所述硫化物/介孔材料。所述的双功能电催化剂的制备方法，其中，所述溶剂为乙醇，所述粘接剂为全氟磺酸，所述电极为碳布、玻碳电极中的一种。有益效果：本专利技术利用原子层沉积技术，在高比表面积的介孔材料如碳纳米管（CNT）上均匀地沉积一层硫化物薄膜，制备得到了一种新的高效的双功能析氧反应、氧还原反应电催化剂硫化物/介孔材料。作为一种双功能催化剂，在催化析氧反应和氧化原反应上，本专利技术所述硫化物/介孔材料如Co9S8/CNT材料展现了优越的催化性能和稳定性，未来有望在更多的可再生能源系统中得以应用。附图说明图1a为实施例1中在碳纳米管上原子层沉积Co9S8的流程示意图。图1b为未包覆的碳纳米管的SEM图。图1c为原子层沉积Co9S8包覆的碳纳米管的SEM图。图1d为Co9S8/CNT的EDS谱图。图1e和1f均为原子层沉积Co9S8包覆的碳纳米管的TEM图。图1g为原子层沉积Co9S8包覆的碳纳米管的电子衍射图。图1h为Co2p的XPS谱图。图1i为S2p的XPS谱图。图1j为Co9S8/CNT及其未包覆的CNT的C1s的XPS谱图。图2a分别为电催化剂Co9S8/CNT、CoOx/CNT、薄膜Co9S8、RuO2、CNT的扫速为5mV/s的线性扫描伏安曲线。图2b为图2a中各线性扫描伏安曲线对应的塔费尔曲线。图2c为2000次循环伏安特性曲线前后的线性扫描伏安曲线对比图。图2d为在过电位369mV下，电极Co9S8/CNT的恒电位曲线。图2e分别为电催化剂Co9S8/CNT/CC、Co9S8/CNT、空白CC的线性扫描伏安曲线，插图为Co9S8/CNT/CC的塔费尔曲线。图2f为在过电位为321mV下，电极Co9S8/CNT/CC的恒电位曲线。图3a分别为Co9S8/CNT，CoOx/CNT，Co9S8薄膜，CNT和Pt/C在旋转圆盘电极上于O2饱和的0.1mol/L中的线性扫描伏安曲线。图3b分别为Co9S8/CNT和Pt/C的传质影响扣除后的塔费尔曲线。图3c为Co9S8/CNT在不同转速下的线性扫描伏安特性曲线，插图为Koutecky-Levich曲线。图3d为Co9S8/CNT和Pt/C在0.52Vvs.RHE下的计时电流曲线，插图为电流对于在0.1mol/LKOH溶液中加入4mL的1mol/L的甲醇后的响应图。图3e为Co9S8/CNT和CNT的旋转环盘电极曲线。图3f为从图3e中计算得到的电子转移数量和过氧化氢产量与加载电压的关系曲线。图4a为Co9S8/CNT作为空气电极的锌-空气电池开路电压。图4b分别为Co9S8/CNT和Pt/C+RuO2作为空气电极的锌-空气电池的极化曲线以及相应的功率密度曲线。图4c分别为Co9S8/CNT和Pt/C+RuO2充放电极化曲线。图4d为Co9S8/CNT作为空气电极的锌-空气电池的恒电流循环充放电曲线。图5a为固态可充电锌-空气电池的示意图。图5b为图5a的电池在电流密度为1mA/cm2的条件下，10小时的持续放电曲线。图5c为图5a电池在弯曲状态下的恒电流充放电循环曲线。图5d为图5a电池的在电流密度为1mA/cm2的恒电流放电条件下，弯曲状态对输出电压的影响关系图。具体实施方式本专利技术提供一种双功能电催化剂及其应用与制备方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供一种双功能电催化剂，其中，所述双功能电催化剂为硫化物/介孔材料，所述硫化物/介孔材料是通过原子层沉积方法在介孔材料上包覆硫化物薄膜制备得到的。优选地，所述硫化物可以为硫化钴（如Co9S8、CoS或Co3S4等）、硫化镍本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双功能电催化剂，其特征在于，所述双功能电催化剂为硫化物/介孔材料，所述硫化物/介孔材料是通过原子层沉积方法在介孔材料上包覆硫化物薄膜制备得到的。

【技术特征摘要】
1.一种双功能电催化剂，其特征在于，所述双功能电催化剂为硫化物/介孔材料，所述硫化物/介孔材料是通过原子层沉积方法在介孔材料上包覆硫化物薄膜制备得到的。2.根据权利要求1所述的双功能电催化剂，其特征在于，所述硫化物为硫化钴、硫化镍、硫化铁、硫化锰、硫化铜、硫化钼、硫化钨中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的双功能电催化剂，其特征在于，所述介孔材料为CNT、泡沫镍、多孔炭中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的双功能电催化剂，其特征在于，所述双功能电催化剂为Co9S8/CNT。5.根据权利要求4所述的双功能电催化剂，其特征在于，所述双功能电催化剂为Co9S8/CNT/CC；所述Co9S8/CNT/CC是先CNT负载于CC上，然后通过原子层沉积方法在CNT上包覆Co9S8薄膜制备得到的。6.一种如权利要求1-5任一所述的双功能电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新炜，李豪，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44