电池阴极催化剂、其制备方法、电池阴极膜及金属空气电池技术

本发明专利技术提供一种电池阴极催化剂、其制备方法、电池阴极膜及金属空气电池，电池催化剂技术领域。电池阴极催化剂，在氮掺杂的介孔碳上负载有第一金属氧化物和第二金属催化剂，所述第一金属氧化物上负载有所述第二金属催化剂。电池阴极催化剂的制备方法，包括：将氮掺杂的介孔碳浸渍在第一前驱体溶胶内，在惰性气体气氛下煅烧得到含有第一金属氧化物的复合材料。将复合材料与第二前驱体溶胶混合后雾化得到溶胶液滴，将溶胶液滴在惰性气体气氛、等离子体热源下煅烧得到含有第二金属催化剂的电池阴极催化剂。此制备方法得到的电池阴极催化剂作为金属空气电池的电池阴极膜，使金属空气电池的催化效果更好，电学性能更佳。

Cathode catalyst, preparation method, cathode film and metal-air battery

The invention provides a battery cathode catalyst, a preparation method thereof, a battery cathode film and a metal air battery, and the technical field of battery catalyst. A cathode catalyst of a battery is supported on nitrogen-doped mesoporous carbon by a first metal oxide and a second metal catalyst, and the second metal catalyst is supported on the first metal oxide. The preparation method of cathode catalyst for batteries includes impregnating nitrogen-doped mesoporous carbon in the first precursor sol and calcining in inert gas atmosphere to obtain a composite material containing the first metal oxide. The composite material was mixed with the second precursor sol and then atomized to obtain the sol droplets. The sol droplets were calcined in inert gas atmosphere and plasma heat source to obtain the cathode catalyst containing the second metal catalyst. The cathode catalyst prepared by the method is used as the cathode film of metal air battery, so that the catalytic effect of metal air battery is better and the electrical performance is better.

【技术实现步骤摘要】
电池阴极催化剂、其制备方法、电池阴极膜及金属空气电池
本专利技术涉及电池催化剂
，具体而言，涉及一种电池阴极催化剂、其制备方法、电池阴极膜及金属空气电池。
技术介绍
金属空气电池由金属阳极、电解液及空气阴极三部分组成，其中空气阴极是金属空气电池的核心部件，由内向外的结构依次是：与电解液直接接触的催化剂层内层，防止电解液泄露和提供反应物氧气通道的气体扩散透气层以及电流集流导电层。在空气阴极侧，氧气接受来自阳极的电子，在催化剂的作用下被还原为氢氧根或者其他中间产物，因此，催化剂层的性能直接决定了空气阴极的性能。在实现本专利技术过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在如下问题：催化剂的催化活性较低，使得氧还原反应动力学较差，过电位较高、使得电池的功率很低。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种电池阴极催化剂、其制备方法、电池阴极膜及金属空气电池，催化剂的催化活性更强，金属空气电池的电学性能更佳。第一方面，本专利技术实施例提供了一种电池阴极催化剂，在氮掺杂的介孔碳上负载有第一金属氧化物和第二金属催化剂，第一金属氧化物上负载有第二金属催化剂；第一金属氧化物包括稀土金属氧化物和过渡金属氧化物中的一种或多种，第二金属催化剂包括稀土金属和贵金属中的一种或多种。由于使用氮掺杂的介孔碳作为负载的基体，掺杂了氮元素以后，且先负载含有稀土金属和/或过渡金属的第一金属氧化物，使包括稀土金属和/或贵金属第二金属催化剂更加容易负载到氮掺杂的介孔碳表面和孔道的表面以及第二金属催化剂的表面，使得到的电池阴极催化剂的催化活性更高。结合第一方面，在一种可能的实现方式中，第一金属氧化物包括二氧化锆、二氧化锰和二氧化铈中的一种或多种。电池阴极催化剂的催化活性更好。结合第一方面，在一种可能的实现方式中，第二金属催化剂选自La、Pd、Pt和Ag中的一种或多种。电池阴极催化剂的催化活性更好。第二方面，本专利技术实施例提供了一种电池阴极催化剂的制备方法，包括：将氮掺杂的介孔碳与第一前驱体溶胶混合，在惰性气体气氛下煅烧得到含有第一金属氧化物的复合材料；将复合材料与第二前驱体溶胶混合后雾化得到溶胶液滴，将溶胶液滴在惰性气体气氛、等离子体热源下煅烧得到含有第二金属催化剂的电池阴极催化剂。在惰性气体气氛下煅烧氮掺杂的介孔碳和第一前驱体溶胶，可以避免介孔碳发生反应，且第一前驱体溶胶发生反应，得到第一金属氧化物，且第一金属氧化物负载在氮掺杂的介孔碳的孔壁表面，使其具有一定的催化性能，且有利于后续第二金属催化剂的负载。在将复合材料与第二前驱体溶胶混合后雾化得到溶胶液滴，溶胶液滴在惰性气体、等离子体热源下煅烧，使用等离子喷雾热解法，使热源附近的温度梯度较大，温度场的分布范围小，等离子体中存在大量的高活性物质微粒，这些微粒可以与溶胶液滴迅速交换能量，得到的电池阴极催化剂的粒径小，尺寸分布集中，能够形成纳米级的颗粒，且使第二金属催化剂负载在氮掺杂的介孔碳和第一金属氧化物的表面和孔道表面，使得到的电池阴极催化剂的催化活性更高。结合第二方面，在一种可能的实现方式中，氮掺杂的介孔碳的制备方法包括：将含有氨基的有机多糖、前驱体模板和溶剂混合得到混合物溶胶，干燥混合物溶胶后在惰性气体条件下煅烧，后除去氧化物模板；其中，前驱体模板和含有氨基的有机多糖经过煅烧以后得到氮掺杂的介孔碳和氧化物模板。在惰性气体条件下煅烧混合物溶胶，使混合物溶胶发生反应，得到的反应物中含有碳、氧化物模板和氮，将氧化物模板去除以后，形成氮掺杂的介孔碳，引入氮可以防止介孔碳在烧结过程中结构发生坍塌，并且掺杂了氮元素以后能够提供更多的活性位点和附着点，有利于提高电池阴极催化剂的催化活性。结合第二方面，在一种可能的实现方式中，含有氨基的有机多糖与前驱体模板的质量比为(0.2－0.3)：1。使得到的氮掺杂的介孔碳的比表面积更大，催化活性位点更多。结合第二方面，在一种可能的实现方式中，前驱体模板包括正硅酸乙酯、钛酸丁酯、硅酸钠和二氧化硅中的一种或多种；其中，前驱体模板为正硅酸乙酯、硅酸钠或二氧化硅时，氧化物模板为二氧化硅；前驱体模板为钛酸丁酯时，氧化物模板为二氧化钛。均能够得到氮掺杂的介孔碳。结合第二方面，在一种可能的实现方式中，将氮掺杂的介孔碳与第一前驱体溶胶混合，包括：将第一金属盐、醇类溶剂和络合剂混合得到第一前驱体溶胶，将第一前驱体溶胶真空浸渍到氮掺杂的介孔碳中，抽滤干燥处理。使用真空浸渍的方式，先将氮掺杂的介孔碳中的孔道内部的气体和水分进行脱除，利于第一前驱体溶胶浸渍进入氮掺杂的介孔碳的孔道内，并通过1－20次的真空浸渍操作，使第一前驱体溶胶能够更好的分布在介孔碳内的孔道内，从而负载更多的第一金属氧化物，从而使形成的催化剂的催化效果更好。结合第二方面，在一种可能的实现方式中，第二前驱体溶胶包括第二金属盐和络合剂。第二前驱体溶胶与复合材料之间的混合更加均匀，利于形成均匀的溶胶液滴。结合第二方面，在一种可能的实现方式中，等离子体热源下的煅烧温度为400－500℃。能够使第二金属盐的第二金属离子被还原得到第二金属催化剂，负载在复合材料的表面和复合材料的孔道的表面，得到催化活性更高的电池阴极催化剂。第三方面，本专利技术实施例提供了一种电池阴极膜，包括依次设置的电流集流导电层、气体扩散透气层和催化剂层，催化剂层包括电池阴极催化剂。此电池阴极膜使用上述电池阴极催化剂，催化剂的活性更好，使电池阴极膜的催化活性更高。第四方面，本专利技术实施例提供了一种金属空气电池，包括上述电池阴极膜。电池阴极膜的催化活性更高，金属空气电池的电学性能更佳。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本专利技术的保护范围。图1为本专利技术实施例1提供的电池阴极催化剂的扫描电镜图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例的电池阴极催化剂、其制备方法、电池阴极膜及金属空气电池进行具体说明。一种电池阴极催化剂，在氮掺杂的介孔碳上负载有第一金属氧化物和第二金属催化剂，在第一金属氧化物上负载有第二金属催化剂；第一金属氧化物包括稀土金属氧化物和过渡金属氧化物中的一种或多种，第二金属催化剂包括稀土金属和贵金属中的一种或多种。由于使用氮掺杂的介孔碳作为负载的基体，掺杂了氮元素以后，且先负载含有稀土金属和/或过渡金属的第一金属氧化物，使包括稀土金属和/或贵金属第二金属催化剂更加容易负载到氮掺杂的介孔碳表面和孔道的表面以及第二金属催化剂的表面，使得到的电池阴极催化剂的催化活性更高。第一金属氧化物包括二氧化锆、二氧化锰和二氧化铈中的一种或多种。第二金属催化剂选自La、Pd、Pt和Ag中的一种或多种。电池阴极催化剂的催化活性更好。电池阴极催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)、制备氮掺杂的介孔碳：将含有氨基的有机多糖、前驱体模板和溶剂混合得到混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池阴极催化剂，其特征在于，在氮掺杂的介孔碳上负载有第一金属氧化物和第二金属催化剂，所述第一金属氧化物上负载有所述第二金属催化剂；所述第一金属氧化物包括稀土金属氧化物和过渡金属氧化物中的一种或多种，所述第二金属催化剂包括稀土金属和贵金属中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种电池阴极催化剂，其特征在于，在氮掺杂的介孔碳上负载有第一金属氧化物和第二金属催化剂，所述第一金属氧化物上负载有所述第二金属催化剂；所述第一金属氧化物包括稀土金属氧化物和过渡金属氧化物中的一种或多种，所述第二金属催化剂包括稀土金属和贵金属中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的电池阴极催化剂，其特征在于，所述第一金属氧化物包括二氧化锆、二氧化锰和二氧化铈中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的电池阴极催化剂，其特征在于，所述第二金属催化剂包括La、Pd、Pt和Ag中的一种或多种。4.一种权利要求1－3任一项所述的电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，包括：将所述氮掺杂的介孔碳与第一前驱体溶胶混合，在惰性气体气氛下煅烧得到含有所述第一金属氧化物的复合材料；将所述复合材料与第二前驱体溶胶混合后雾化得到溶胶液滴，将所述溶胶液滴在惰性气体气氛、等离子体热源下煅烧得到含有所述第二金属催化剂的所述电池阴极催化剂。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂的介孔碳的制备方法包括：将含有氨基的有机多糖、前驱体模板和溶剂混合得到混合物溶胶，干燥所述混合物溶胶后在惰性气体条件下煅烧，后除去氧化物模板；其...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玲娟，薛业建，刘兆平，董正豪，刘素娟，
申请(专利权)人：宁波石墨烯创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33