一种含铈银基水滑石氧还原催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及电催化剂技术领域，提供了一种含铈银基水滑石氧还原催化剂及其制备方法与应用，通过将水溶性银盐、水溶性锌盐、水溶性铝盐与碱性溶液混合后加热，得到银锌铝水滑石悬浮液，经固液分离得到沉淀物，所述沉淀物与水经过水热反应得到银锌铝水滑石纳米片，然后与Ce(DTPA)2‑阴离子交换液进行阴离子交换，得到Ce(DTPA)2‑插层的银锌铝水滑石，最后进行热解和碱浸，得到含铈银基水滑石氧还原催化剂。本发明专利技术提供的制备方法成本较低，工艺简单，制备得到的含铈银基水滑石氧还原催化剂具有优异的电催化活性。

【技术实现步骤摘要】
一种含铈银基水滑石氧还原催化剂及其制备方法与应用
本专利技术涉及电催化剂
，尤其涉及一种含铈银基水滑石氧还原催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
目前的主流电池分为两大类，锂离子电池和氢氧燃料电池。其中，氢氧燃料电池中的氢气制作工艺复杂，气体存储和运输困难，成本较高，在实际应用中存在着诸多隐患，因此，通常采用金属如铝、镁等金属取代氢气，形成金属燃料电池。金属燃料电池中采用铝做燃料的统称为铝空气燃料电池，或铝空气电池。传统的铝空气燃料电池由铝合金负极、电解质、空气正极、电池壳、集电板部分组成，其中空气正极由防水层、氧还原反应电催化剂、金属集流体组成。在传统的铝空气燃料电池中，主要通过氧还原反应将化学能直接转化成电能，这种高效的转化依靠的是氧还原反应电催化剂。目前，铝空气燃料电池中使用的氧还原催化剂为铂基催化剂。铂基材料虽然是最有效的氧还原电催化剂，然而过高的价格和资源的稀有限制了其在清洁能源装置中的应用。此外，铂基催化剂在电解质中的稳定性较差，存在耐久性不足的缺陷。这就迫切需求一种低成本、催化活性及耐久性较高的催化剂来替代铂基催化剂。在过渡金属氧化物催化剂中，氧化银由于具有大的表面积，化学稳定性和表面改性等潜在的协同作用的影响，被认为是有前途应用于化学氧化还原过程中的催化剂。但是，这种材料因为受限的催化活性和较低的导电性，在氧还原电催化中的应用并没有引起太多的关注和研究。为进一步提高催化活性和电导率，将氧化银与其他组分组合形成复合材料成为了当前的主流研究方向。其中二氧化铈被广泛用作储氧介质和多元素氧化物催化体系的稳定剂，但是二氧化铈与氧化银现阶段的复合方法只是简单的材料混合，这种复合材料仅能提高催化剂的导电率，并不能解决由于二氧化铈本身催化活性较差，导致其加入时削弱氧还原电催化剂催化活性的缺陷。因此，现有技术中制备的氧化银/二氧化铈复合材料的催化活性仍然较差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种含铈银基水滑石氧还原催化剂及其制备方法与应用。本专利技术提供的制备方法得到的含铈银基水滑石氧还原催化剂具有优异的电催化活性。本专利技术提供了一种含铈银基水滑石氧还原催化剂的制备方法，包括如下步骤：1)将水溶性银盐、水溶性锌盐、水溶性铝盐与碱性溶液混合后加热，得到银锌铝水滑石悬浮液；2)将所述步骤1)得到的悬浮液进行固液分离得到沉淀物；3)将所述步骤2)得到的沉淀物与水混合，水热反应得到银锌铝水滑石纳米片；4)将所述步骤3)得到的银锌铝水滑石纳米片与Ce(DTPA)2-阴离子交换液进行阴离子交换，得到Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石；所述Ce(DTPA)2-阴离子交换液由铈盐水溶液、DTPA溶液与氢氧化钠溶液混合得到；5)将所述步骤4)得到的Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石进行热解和碱浸，得到含铈银基水滑石氧还原催化剂。优选的，所述步骤1)中水溶性银盐中银离子、水溶性锌盐中锌离子、水溶性铝盐中铝离子与碱性溶液中氢氧根离子的摩尔比为1～3：1～3：1～3：3～9。优选的，所述碱性溶液为氢氧化钠和碳酸钠的混合水溶液，所述混合水溶液中碳酸根离子与氢氧根离子的摩尔比为1～3：3～6。优选的，所述步骤1)中加热的温度为60～80℃，加热的时间为10～60min。优选的，所述步骤3)中水热反应的温度为120～150℃，水热反应的压力为400～600kPa。优选的，所述步骤4)中铈盐水溶液中铈离子与DTPA2-离子的摩尔比为1～3：1～3。优选的，所述步骤4)中Ce(DTPA)2-阴离子交换液的pH值为7。优选的，所述步骤5)中热解的温度为500～600℃，热解的时间为1～10h。本专利技术还提供了上述制备方法得到的含铈银基水滑石氧还原催化剂，所述催化剂为具有插层结构的含铈银基水滑石正八面体结构，化学组成为ZnO，CeO，ZnAl2O4，Ag2O，Ag2O2和Ag2Al2O4。本专利技术还提供了上述含铈银基水滑石氧还原催化剂在铝空气燃料电池中的应用。本专利技术提供了一种含铈银基水滑石氧还原催化剂的制备方法，包括如下步骤：将水溶性银盐、水溶性锌盐、水溶性铝盐与碱性溶液混合后加热，得到银锌铝水滑石悬浮液；将所述悬浮液进行固液分离得到沉淀物；将所述沉淀物与水混合，水热反应得到银锌铝水滑石纳米片；将所述银锌铝水滑石纳米片与Ce(DTPA)2-阴离子交换液进行阴离子交换，得到Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石；所述Ce(DTPA)2-阴离子交换液由铈盐水溶液、DTPA溶液与氢氧化钠溶液混合得到；将所述Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石进行热解和碱浸，得到含铈银基水滑石氧还原催化剂。本专利技术通过将水溶性银盐、水溶性锌盐、水溶性铝盐与碱性溶液进行加热，经固液分离和水热反应得到具有层状结构的银锌铝水滑石纳米片(即AgZnAl-LDHs)，通过将铈盐水溶液、DTPA溶液与氢氧化钠溶液混合得到Ce(DPTA)2-离子交换液；利用Ce(DPTA)2-与银锌铝水滑石纳米片中嵌入的阴离子进行离子交换，在银锌铝水滑石纳米片的层板间引入稀土元素Ce，嵌入的Ce(DPTA)2-能够增大晶面间距，提高AgZnAl-LDHs的比表面积，得到Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石；经热解和碱浸后Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石逐步被CeO2相，Ag2O及Ag2O2相取代，同时由于Ag和Ce之间的协同作用，显著提高了催化剂的电催化活性。实验结果表明，在饱和氮气或氧气的KOH溶液中，利用循环伏安法测试：含铈银基水滑石氧还原催化剂在氧气中的CV曲线显示在0.64V(vsHg/HgO)的明显峰电位；在氧还原催化实验中，含铈银基水滑石氧还原催化剂表现出-0.23V的起始电位，-0.37V(vsHg/HgO)的半波电位。附图说明图1为本专利技术实施例1中含铈银基水滑石氧还原催化剂的制备过程示意图；图2为本专利技术实施例1制备的中间产物银锌铝水滑石纳米片、Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石和含铈银基水滑石氧还原催化剂的XRD图；图3为本专利技术实施例1制备的含铈银基水滑石氧还原催化剂与对比例1中Pt/C基催化剂在N2或O2中的CV曲线图；图4为本专利技术实施例1制备的含铈银基水滑石氧还原催化剂与对比例1中Pt/C基催化剂的ORR极化曲线图；图5为本专利技术实施例1制备的含铈银基水滑石氧还原催化剂与对比例2中Ag-O催化剂在N2或O2中的的CV曲线图；图6为本专利技术实施例1制备的含铈银基水滑石氧还原催化剂与对比例2中Ag-O催化剂的LSV曲线图。具体实施方式本专利技术提供了一种含铈银基水滑石氧还原催化剂的制备方法，包括如下步骤：1)将水溶性银盐、水溶性锌盐、水溶性铝盐与碱性溶液混合后加热，得到银锌铝水滑石悬浮液；2)将所述步骤1)得到的悬浮液进行固液分离得到沉淀物；3)将所述步骤2)得到的沉淀物与水混合，水热反应得到银锌铝水滑石纳米片；4)将所述步骤3)得到的银锌铝水滑石纳米片与Ce(DTPA)2-阴离子交换液进行阴离子交换，得到Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石；所述Ce(DTPA)2-阴离子交换液由铈盐水溶液、DTPA溶液与氢氧化钠溶液混合得到；5)将所述步骤4)得到的Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石进行热解和碱浸，得到含铈银基水滑石氧还原催化剂。本专利技术将水溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含铈银基水滑石氧还原催化剂的制备方法，包括如下步骤：1)将水溶性银盐、水溶性锌盐、水溶性铝盐与碱性溶液混合后加热，得到银锌铝水滑石悬浮液；2)将所述步骤1)得到的悬浮液进行固液分离得到沉淀物；3)将所述步骤2)得到的沉淀物与水混合，水热反应得到银锌铝水滑石纳米片；4)将所述步骤3)得到的银锌铝水滑石纳米片与Ce(DTPA)2‑阴离子交换液进行阴离子交换，得到Ce(DTPA)2‑插层的银锌铝水滑石；所述Ce(DTPA)2‑阴离子交换液由铈盐水溶液、DTPA溶液与氢氧化钠溶液混合得到；5)将所述步骤4)得到的Ce(DTPA)2‑插层的银锌铝水滑石进行热解和碱浸，得到含铈银基水滑石氧还原催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种含铈银基水滑石氧还原催化剂的制备方法，包括如下步骤：1)将水溶性银盐、水溶性锌盐、水溶性铝盐与碱性溶液混合后加热，得到银锌铝水滑石悬浮液；2)将所述步骤1)得到的悬浮液进行固液分离得到沉淀物；3)将所述步骤2)得到的沉淀物与水混合，水热反应得到银锌铝水滑石纳米片；4)将所述步骤3)得到的银锌铝水滑石纳米片与Ce(DTPA)2-阴离子交换液进行阴离子交换，得到Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石；所述Ce(DTPA)2-阴离子交换液由铈盐水溶液、DTPA溶液与氢氧化钠溶液混合得到；5)将所述步骤4)得到的Ce(DTPA)2-插层的银锌铝水滑石进行热解和碱浸，得到含铈银基水滑石氧还原催化剂。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)中水溶性银盐中银离子、水溶性锌盐中锌离子、水溶性铝盐中铝离子与碱性溶液中氢氧根离子的摩尔比为1～3：1～3：1～3：3～9。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钠和碳酸钠的混合水溶液，所述混合水溶液中碳酸根离子与氢氧根...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢惠民，洪清水，王俊人，金孟琪，白俊杰，李旭冬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11