一种用于锂空气电池的双功能催化剂制造技术

本发明专利技术公开了一种用于锂空气电池的双功能催化剂，包括具有氧气析出功能的金属氧化物载体和具有氧气还原功能的贵金属纳米粒子活性组分，其中活性组分在催化剂中所占的质量分数为0.2%~60%。该催化剂应用于锂空气电池，有效解决了现有催化剂因只具有单一催化功能而限制了锂空气电池性能提高的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及储能电池，具体涉及一种用于锂空气电池的双功能催化剂。
技术介绍
锂空气电池是近年来得到快速发展的具备超大容量和超大能量密度的化学电池，但是由于催化剂性能的限制，使得锂空气电池的性能受到了限制，阻碍了锂空气电池的商业化进程。对于锂空气电池催化剂，既需要具有氧气还原性能，又需具有氧气析出性能的双功能催化剂。Pt是目前最好的氧还原催化剂，但其催化氧析出反应的活性却较差；Ru或Ir等金属及其氧化物对于氧析出反应的催化活性很高，但对氧还原反应的催化活性很低，可用来作为氧析出催化剂。因此，获得既具有氧还原性能，又具有氧析出性能的双功能催化剂成了锂空气电池发展的关键之一。锂空气电池双功能催化剂最初采用氧还原催化剂和氧析出催化剂的机械混合物法来制备，例如，铂与二氧化铱的机械混合物。由于所采用的催化剂均为非负载型催化剂，在微观上，氧还原催化剂和氧析出催化剂均以团聚体的形式存在，普通的超声振荡方式无法使团聚体充分分散，因此，二者之间只能达到团聚体级别上的混合。这样，造成单一功能的氧还原催化剂和氧析出催化剂在催化层空间上的不连续分布，对于任意一种催化剂来讲，其无法充分占据整个催化层空间，从而降低了催化剂的利用率。因此，目前都采用负载型催化剂，其中载体采用碳粉，碳粉由于具有较高的比表面积，丰富的孔结构及优异导电性，可有效提高活性物质的分散性，获得较高的活性面积，从而提高催化剂性能。但是由于在反应过程中碳粉存在电化学腐蚀，限制了锂空气电池性能的进一步提高。因此，迫切需要寻找新的载体材料，以解决现有载体存在的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于锂空气电池的双功能催化剂，该催化剂具有高效的氧气还原和氧气析出双功能催化作用，从而了提高锂空气电池性能。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种用于锂空气电池的双功能催化剂，作为载体的金属氧化物具有催化氧析出功能，负载的贵金属具有催化氧还原功能，催化剂具有氧气还原和析出双功能催化性能，其中，贵金属的质量分数为0.2%~60%。该催化剂单独或者以一定比例与铂黑混合，应用于锂空气电池，与传统的铂黑和催化氧析出反应的氧化物的机械混合物相比，锂空气电池的氧还原和氧析出性能得到了提高，尤其是锂空气电池的整体性能得到了提高。本专利技术所述的催化剂中，所负载的贵金属为铂、金或者二者的合金；作为载体的具有催化氧析出功能的金属氧化物中所含的金属组分为X或XY，其中X为Ir，Ru中的一种或两种，Y为Pt，Au，Pd，Os，Rh，Ta，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Ti，Zr，Mo，Sn，Se中的—种或多种，X与Y中所含元素的总的物质的量之比为0.01~10：1。本专利技术所述的催化剂中，作为载体的氧析出反应金属氧化物催化剂采用公知的方法制备，如Adams法，胶体法等。以金属氧化物为载体，负载型催化剂的制备采用公知的方法，如乙二醇还原法，浸渍法，甲醛还原法，微波还原法等；具体例如：将作为载体的金属氧化物分散于水、醇、或醇水溶液中，金属氧化物与水，醇，或醇水溶液的质量之比为0.005~10：1，向金属氧化物的悬浊液中添加所需的活性组分的前躯体，充分搅拌使二者混合均匀，调节溶液的PH值为8~14，添加还原剂于60~95℃加热环境下回流反反应0.5~3小时，产物离心洗涤沉淀，真空干燥，得到以金属氧化物为载体的负载型催化剂；其中所述的还原剂为甲醛、乙醛、硼氢化钠、甲酸、乙酸、肼、拧檬酸钠、抗坏血酸或氢气。或者采用乙二醇还原法，过程如下：将作为载体的金属氧化物分散于乙二醇中，金属氧化物与乙二醇的质量之比为0.0001~0.1：1，向金属氧化物的悬浊液中添加所需活性组分的前躯体，充分搅拌使二者混合均匀，调节溶液的PH值为11~14，于110~130℃加热环境下回流反反应0.5~2小时，产物离心洗涤沉淀，真空干燥，得到以金属氧化物为载体的负载型催化剂。用所制备的催化剂制备电极，组装电池以评价其电池性能，过程如下：1、空气电极的制备将SuperP、活性材料和PTFE乳液(质量浓度60%)按质量比60:25:15配比，球磨制浆，烘干，再加入适量乙醇制成泥团状，经滚压机碾压成片，切成直径为2cm的圆片，压在边长为2.5cm的方形泡沫镍集流体中心，干燥后待用。2、单电池的组装：采用不锈钢网作为集流网，不锈钢板作为端板，将膜电极、集流网、端板及密封材料组装成单电池。3、电池操作条件为：O2气体表压为0.1MPa，电解液为1mol·L-1LiPF6+EC/MDC，电池在室温下测试。与现有技术相比，本专利技术制备的催化剂避免了碳粉的腐蚀问题；采用了具有氧析出催化活性的氧化物载体，使得制备的催化剂既具有优异的样还原性能，又具有优异的氧析出性能，从而表现出优异的双功能催化性能。具体实施方式实施例l称取20gNaNO3与2gH2IrCl6，依次溶于水中，充分搅拌混合均匀，于80℃水浴中蒸干后，转移至烘箱中干燥。将干燥后的固体于研钵中充分研磨成粉末状，所得到的粉末在空气气氛下，450℃热处理1小时，自然冷却至室温后，将产物用去离子水反复离心沉淀洗涤去除杂质离子，得到具有催化氧析出反应活性的氧化物IrO2。将200mgIrO2分散于200ml水中，超声振荡得到IrO2的悬浊液，向其中添加含有0.5mg铂的氯铂酸，充分搅拌混合均匀后，加入Na2CO3调节溶液的PH值为8.5，加入2ml甲醛，于80℃的加热环境下，回流l小时，自然冷却至室温，用去离子水反复离心沉淀洗涤去除杂质离子，真空干燥后得到高度分散的二氧化铱负载铂催化剂。用所制备的催化剂制备空气电极，组装电池以评价其电池性能，过程如下：1、空气电极的制备将SuperP、活性材料和PTFE乳液(质量浓度60%)按质量比60:25:15配比，球磨制浆，烘干，再加入适量乙醇制成泥团状，经滚压机碾压成片，切成直径为2cm的圆片，压在边长为2.5cm的方形泡沫镍集流体中心，干燥后待用。2、单电池的组装：采用不锈钢网作为集流网，不锈钢板作为端板，将膜电极、集流网、端板及密封材料组装成单电池。3、电池操作条件为：O2气体表压为0.1MPa，电解液为1mol·L-1LiPF6+EC/MDC，电池在室温下测试。空气电极中催化剂的负载量为1.5mg/cm2。恒电流充电到4.0V后，在10mA/cm2电流密度下放电至1.5V，电池的比容量达到3825mA/g。实施例2将20gNaNO3与2gH2IrCl6结晶水合物和0.120gSnCl4，于水中充分溶解．充分搅拌混合均匀，于80℃水浴中蒸干后，转移至烘箱中干燥。将干燥后的固体于研钵中充分研磨成粉末状，所得到的粉末状固体在空气气氛下，450℃热处理l小时，自然冷却至室温后，将产物用去离子水反复离心沉淀洗涤去除杂质离子，得到具有催化氧析出功能的氧化物IrSnO4。将120mgIrSnO4分散于200ml乙二醇中，超声振荡得到IrSnO4的悬浊液，向其中添加含有60mg铂的氯铂酸，充分搅拌混合均匀后，加入NaOH调节溶液的PH值为13.5，于120℃的加热环境下，回流1小时，自然冷却至室温，用去离子水反复离心沉淀洗涤去除杂质离子，真空干燥后得到Pt/IrSnO4双功能催化剂。空气电极的制备，电池的组装及操作条件同实施例l，空气电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于锂空气电池的双功能催化剂，其特征在于：以具有催化氧析出功能的金属氧化物为载体，再负载具有催化氧还原功能的贵金属纳米粒子为活性组分；活性组分在催化剂中所占的质量分数为0.2%~60%。

【技术特征摘要】
1.一种用于锂空气电池的双功能催化剂，其特征在于：以具有催化氧析出功能的金属氧化物为载体，再负载具有催化氧还原功能的贵金属纳米粒子为活性组分；活性组分在催化剂中所占的质量分数为0.2%~60%。2.按照权利要求1所述的一种用于锂空气电池的双功能催化剂，其特征在于：所述的具有催化氧析出功能的金属氧化物中所含的金属组分为X或XY，其中X为Ir，Ru中的一种或两种，Y为Pt，Au，Pd，Os，Rh，Ta，V，Cr，Mn，F...

【专利技术属性】
技术研发人员：银凤翔，何小波，李国儒，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11