一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料，泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料中Ir以薄膜形式均匀的负载在泡沫镍表面，且三维尺度上分布于整个泡沫镍网状结构中。还公开了其制备方法，包括如下步骤：将泡沫镍用丙酮溶液超声清洗10‑15分钟；超声清洗后的泡沫镍浸泡在乙醇溶液中，并滴加氢氟酸后浸泡5‑15分钟；迅速加入含有IrO

Foamed nickel in-situ supported Ir nanocomposite and its application in positive electrode of lithium air battery

The invention discloses a nickel foam in situ supported Ir nano composite material, foamed nickel supported Ir nano composite materials in situ Ir load on the surface of nickel foam to form a uniform thin film, and the three-dimensional scale distribution in the entire nickel foam in the network structure. Also discloses the preparation method comprises the following steps: nickel foam with acetone solution ultrasonic cleaning 10 15 minutes; ultrasonic cleaning of nickel foam soaked in ethanol solution, and adding hydrofluoric acid after soaking for 5 15 minutes; quickly joined with IrO

【技术实现步骤摘要】
一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料及其在锂空气电池正极中的应用
本专利技术属于电化学
，具体的是涉及一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料，以及用其做锂空气电池正极催化剂的应用。
技术介绍
高效、方便、无污染的新型绿色可再生能源是解决能源危机、环境污染的重要途径之一。伴随着电动汽车行业的快速发展，锂离子电池的较低的能量已不能满足电动汽车等长距离行驶的要求，限制了其大规模应用。金属-空气电池作为新一代绿色电池的代表之一，已有广泛研究应用，锂氧(Li-O2)电池，又称锂空气电池，正是在这一背景下孕育而出。金属锂拥有自然界中最负的氧化还原平衡电位(E°＝-3.01Vvs.SHE)，质量轻、比容量大。另外，空气电池的正极活性物质取自大气中的氧气，极大减轻了正极的负载，因此，Li-O2电池拥有化学可逆电源中最高的、堪比汽油的理论比能量，已成为全世界范围关注的热点。Abraham和Jiang于1996年首次提出非水性Li-O2电池的概念，克服水性Li-O2电池的致命缺点，使其研究进入新的阶段。非水性锂空气电池在放电过程中，负极的金属锂阳极溶解为锂离子与电子扩散到正极，外界O2进入电池内部后，在正极表面活性反应点上得到电子生成过氧根(O22-)或氧离子(O2-)(氧还原反应，ORRoxygenreductionreaction)，同时与锂离子络合生成过氧化锂(Li2O2)或氧化锂(Li2O)。充电过程中，放电产物(过氧化锂、氧化锂)分解，过氧根和氧离子失去电子成为气态氧分子重新逸出(即氧逸出反应，OER)，而电子与锂离子回到负极进行阴极电结，在整个放—充电过程中，电池只有氧气的吸收与释放，因此又被称为“可呼吸的电池”。目前，国内外绝大多数Li-O2电池的相关研究都是在纯氧条件下(PO2≥1atm)进行的，但从实际应用角度出发，Li-O2电池最终将在大气氛围下运行并需要保持良好的性能。当Li-O2电池的工作环境从纯氧换成大气时，忽略H2O、CO2的影响，电池的输出能量也会显著降低。这主要是因为大气下氧分压很低(PO2～0.21atm)，进一步恶化了电池的氧传输性能和氧还原反应动力学性能。另一方面，由于锂空气电池氧气极动力学性能差，无论在纯氧还是在大气下充电，电池都需要很高的过电位，充电可逆性差。为了提升Li-O2电池在大气下的电化学性能，国内外学者们从多个角度展开了积极的研究，如增强电解液中的氧传输能力或设计新型电极以构建三相反应界面等。研究表明，在氧气极中添加氧气还原反应电催化剂有助于电池在大气下的运行。Shen等人开发的Pd修饰碳纳米管电极就能在室温大气下输出2000mAh·g-1的容量，远高于常用的SuperP碳电极(<200mAhg-1)。Yuasa等人发现钙钛矿型LaMn0.6Fe0.4O3催化剂不仅使氧气极在大气下的放电容量增至～300mAh·g-1，同时电极的放电电压升至2.5V(vs.Li/Li+)。目前，上述催化剂的添加普遍存在的问题是，不能保证氧气的通过率。同时催化剂的添加分布不均匀，影响催化剂在电极中所占的比例，对氧气生成反应没有明显的催化效果。因此，在相关领域需要一种新型含催化剂结构的集流体来提高锂空气电池的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料，具体技术方案是：一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料，泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料中Ir以薄膜形式均匀的负载在泡沫镍表面，且三维尺度上分布于整个泡沫镍网状结构中，其中，Ir的负载量在0.21-0.27mg/cm2。本专利技术的目的之二是提供本专利技术的目的之一所述的泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料的制备方法，具体技术方案是：一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将泡沫镍用丙酮溶液超声清洗10-15分钟；(2)经过步骤(1)超声清洗后的泡沫镍浸泡在乙醇溶液中，并滴加0.5-1ml氢氟酸后浸泡5-15分钟；(3)向步骤(2)所得的混合溶液中迅速加入含有IrO2的乙醇溶液，并剧烈搅拌；(4)将步骤(3)中所得固液体系在室温下放置20-40分钟，直至溶液变色；(5)完成步骤(4)后取出泡沫镍，用蒸馏水洗涤3-5次，之后在150-200℃的温度下干燥24小时，得到泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料。更进一步的，步骤(1)丙酮溶液中丙酮与蒸馏水的体积比为1:2或1:3。更进一步的，步骤(3)中IrO2的乙醇溶液中IrO2的溶度为2-2.5mmol/L。本专利技术提供的泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料及其制备方法的优点是：Ir具有较高的氧化还原电位，比较适合使用自发交换法制备纳米结构Ir材料。Ir离子与泡沫镍表面的Ni原子接触，发生如下反应：Ir3++Ni→Ni2++Ir反应生成的泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料中Ir以薄膜形式均匀的负载在泡沫镍表面，且三维尺度上分布于整个泡沫镍网状结构中。泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料整个制备方法成本较低，简单易操作。本专利技术的目的之三是提供一种锂空气电池正极催化剂，具体技术方案是：一种锂空气电池正极催化剂，用本专利技术目的之一所述的泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料作为锂空气电池正极催化剂。本专利技术提供的锂空气电池正极催化剂的优点是：泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料作为高性能锂空气电池的正极催化剂，为锂空气电池提供更多的反应活性位点，促使正极产物过氧化锂(Li2O2)的形成和分解，并且能够促进电子的转移，从而发挥高效的催化效果，提高了锂空气电池的放电容量，提升了放电电压平台，降低了电池极化，催化效果显著。本专利技术的目的之四是提供一种锂空气电池正极的制备方法，具体技术方案是：一种锂空气电池正极的制备方法，将正极碳材料与粘结剂超声混合20-30分钟，然后涂于本专利技术目的之一所述的泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料上，在100-120℃真空干燥10-12小时，得到锂空气电池正极。更进一步的，正极碳材料与粘结剂按照质量比为7:3或8:2进行混合。更进一步的，正极碳材料为超导碳、碳纳米管或石墨烯；粘结剂为聚偏氟乙烯、水性粘合剂或聚乙烯醇。本专利技术提供的锂空气电池正极的制备方法的优点是：通过用该方法制备的锂空气电池正极，催化剂添加的均匀，保证氧气的通过率，不影响催化剂在电极中所占的比例，对氧气生成反应有较为明显的催化效果。本专利技术的目的之五是提供一种锂空气电池的装配方法，具体技术方案是：一种锂空气电池的装配方法，其特征在于，在充满氩气保护的手套箱中装配电池；其中，正极为应用本专利技术目的之四所述的制备方法制备的正极，负极为锂片，电解液溶质为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)，电解液溶剂为四甘醇二甲醚，隔膜为玻璃纤维滤纸；电池装配好后，在氧气氛围下，将装配好的电池静置6-8小时，使电解液充分浸润正极；然后再通入氧气静置3-4小时，使氧气溶解于电解液中。更进一步的，在1cm2集流体上添加0.2-0.3mg的泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料。本专利技术提供的锂空气电池的装配方法的优点是：通过采用泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料做锂空气电池正极催化剂，具有较好的双功能电催化性能，氧气还原催化性能与氧气析出催化性能得到改善，其锂空气电池的放电容量高，放电平台高。附图说明为了更清楚的说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料，其特征在于，所述的泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料中Ir以薄膜形式均匀的负载在泡沫镍表面，且三维尺度上分布于整个泡沫镍网状结构中，其中，Ir的负载量在0.21‑0.27mg/cm

【技术特征摘要】
1.一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料，其特征在于，所述的泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料中Ir以薄膜形式均匀的负载在泡沫镍表面，且三维尺度上分布于整个泡沫镍网状结构中，其中，Ir的负载量在0.21-0.27mg/cm2。2.权利要求1所述的一种泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将泡沫镍用丙酮溶液超声清洗10-15分钟；(2)经过步骤(1)超声清洗后的泡沫镍浸泡在乙醇溶液中，并滴加0.5-1ml氢氟酸后浸泡5-15分钟；(3)向步骤(2)所得的混合溶液中迅速加入含有IrO2的乙醇溶液，并剧烈搅拌；(4)将步骤(3)中所得固液体系在室温下放置20-40分钟，直至溶液变色；(5)完成步骤(4)后取出泡沫镍，用蒸馏水洗涤3-5次，之后在150-200℃的温度下干燥24小时，得到泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料。3.根据权利要求2所述的泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)丙酮溶液中丙酮与蒸馏水的体积比为1:2或1:3。4.根据权利要求2所述的泡沫镍原位负载Ir纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中IrO2的乙醇溶液中IrO2的溶度为2-2.5mmol/L。5.一种锂空气电池正极催化剂，其特征在于，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蕾，段晓波，刘清华，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61