一种双功能催化剂及其制备方法及其在锌空气电池中的应用技术

本发明专利技术提供了一种双功能催化剂的制备方法。本发明专利技术通过对锂过渡金属氧化物进行酸溶和退火两步法处理制备出了具有大比表面积的Mn

A bifunctional catalyst and its preparation and application in zinc air battery

【技术实现步骤摘要】
一种双功能催化剂及其制备方法及其在锌空气电池中的应用
本专利技术属于电池
，具体涉及一种双功能催化剂及其制备方法及其在锌空气电池中的应用。
技术介绍
众多氧还原和氧析出催化剂类型中，过渡金属氧化物及其衍生物被认为是一类有前景的双功能催化剂，它具有储量丰富、低成本以及催化过程中优异的内在稳定性等优势。在各种金属氧化物中，被广泛用作锂离子电池正极材料的(LiMO2,其中M为过渡金属)锂过渡金属氧化物构成了一类新的氧催化剂。LiMO2具有优异的氧析出催化性能，但是，它的氧还原催化活性仍需进一步提高以满足实际应用的要求。通常来说，设计高性能的催化剂，一般采用两种通用策略来提高目标催化剂的活性：提高催化剂的内在活性和增加活性位点的数量。创造缺陷,调节电子结构和调整晶格应变是提高催化剂内在活性的重要策略。通过减小材料的维度和尺寸进行的纳米结构工程是增加活性位点数量常用方法。目前一般采用电化学脱锂的方法制备锂过渡金属氧化物双功能催化剂(GeneratinglithiumvacanciesthroughdelithiationofLi(NixCoyMnz)O2towardsbifunctionalelectrocatalystsforrechargeablezinc-airbatteries)，但是，制备得到的催化剂单一组分，不能在多组分之间形成较强的相互作用，氧还原性能仍需进一步提高。或者，采用金属掺杂和剪切力辅助剥离策略制备锂过渡金属氧化物双功能催化剂(ElectronicStructureEngineeringofLiCoO2towardEnhancedOxygenElectrocatalysis)，但是，该方法制备的催化剂氧还原性能有待提升。因此，有效提高锂过渡金属氧化物双功能催化剂的催化活性是我们亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种双功能催化剂及其制备方法及其在锌空气电池中的应用，本专利技术提供的锂过渡金属氧化物双功能催化剂具有较高的电化学催化性能，并且作为阴极催化剂组装的锌空气电池具有良好的充放电性能以及高的功率密度。本专利技术提供了一种双功能催化剂的制备方法，包括以下步骤：A)将镍钴锰酸锂三元正极材料与酸溶液混合进行反应，得到反应产物；B)将步骤A)所得反应产物与四甲基氢氧化铵溶液混合，进行渗透溶胀反应，得到反应产物；C)将步骤B)所得反应产物与四丁基氢氧化铵溶液混合，进行分层处理，得到反应产物；D)将步骤C)所得反应产物与过量酸溶液混合，进行造孔，得到前驱体；E)将所述前驱体进行煅烧，得到双功能催化剂。优选的，所述镍钴锰酸锂三元正极材料为LiNixCoyMn1-x-yO2，其中，x＝0.3～0.5,y＝0.3～0.5。优选的，步骤A)中，所述酸溶液选自稀盐酸、稀硫酸或稀硝酸溶液，所述酸溶液中酸的浓度为1～8mol/L。优选的，步骤B)中，所述四甲基氢氧化铵溶液的固含量为10％～70％；步骤C)中，所述四丁基氢氧化铵溶液的固含量为10％～80％。优选的，步骤D)中，所述酸溶液选自稀盐酸、稀硫酸或稀硝酸溶液，所述酸溶液中酸的浓度为2～10mol/L。优选的，所述镍钴锰酸锂三元正极材料、四甲基氢氧化铵和四丁基氢氧化铵的摩尔比的范围为(1:1.3:1.3)～(1:2:2)。优选的，所述煅烧的温度为300～900℃，所述煅烧的时间为10～400min。本专利技术还提供了一种上述制备方法制备得到的双功能催化剂，所述双功能催化剂为具有多孔结构的Mn2O3-NCM复合材料，比表面积为5～60m2/g，孔体积为0.02～0.08m3/g。本专利技术还提供了一种空气阴极，包括上述制备方法制备得到的双功能催化剂。本专利技术还提供了一种锌空气电池，包括上述空气阴极。与现有技术相比，本专利技术提供了一种双功能催化剂的制备方法，包括以下步骤：A)将镍钴锰酸锂三元正极材料与酸溶液混合进行反应，得到反应产物；B)将步骤A)所得反应产物与四甲基氢氧化铵溶液混合，进行渗透溶胀反应，得到反应产物；C)将步骤B)所得反应产物与四丁基氢氧化铵溶液混合，进行分层处理，得到反应产物；D)将步骤C)所得反应产物与过量酸溶液混合，进行造孔，得到前驱体；E)将所述前驱体进行煅烧，得到双功能催化剂。本专利技术通过对锂过渡金属氧化物进行酸溶和退火两步法处理制备出了具有大比表面积的Mn2O3-NCM复合材料，增加了复合催化剂表面的活性位点，并且大幅度提升了复合催化剂表面的氧吸附能力和氧吸附容量，该材料具有优异的氧还原和氧析出性能，从本质上提升了锂过渡金属氧化物双功能催化剂的催化性能。本专利技术提供的制备工艺简单、易控制，有利于大规模批量生产，并且，该复合材料作为双功能催化剂可应用于锌空气电池的阴极中。附图说明图1为实施例1制备的双功能催化剂的XRD测试谱图；图2为实施例1制备的双功能催化剂的SEM图(上)和TEM图(下)；图3为实施例1制备的双功能催化剂的氮气吸附/脱附曲线；图4为不同催化剂材料的电化学极化曲线；图5为催化剂材料制备的锌空气电池性能测试结果；图6为不同催化剂材料的电化学极化曲线；图7为催化剂材料制备的锌空气电池性能测试结果；图8为不同催化剂材料的电化学极化曲线；图9为催化剂材料制备的锌空气电池性能测试结果。具体实施方式本专利技术提供了一种双功能催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)将镍钴锰酸锂三元正极材料与酸溶液混合进行反应，得到反应产物；B)将步骤A)所得反应产物与四甲基氢氧化铵溶液混合，进行渗透溶胀反应，得到反应产物；C)将步骤B)所得反应产物与四丁基氢氧化铵溶液混合，进行分层处理，得到反应产物；D)将步骤C)所得反应产物与过量酸溶液混合，进行造孔，得到前驱体；E)将所述前驱体进行煅烧，得到双功能催化剂。本专利技术首先将镍钴锰酸锂三元正极材料与酸溶液混合，在本专利技术中，所述镍钴锰酸锂三元正极材料为本领域技术人员公知的镍钴锰酸锂三元正极材料，所述镍钴锰酸锂三元正极材料为LiNixCoyMn1-x-yO2，其中，x＝0.3～0.5，y＝0.3～0.5。在本专利技术的一些具体实施方式中，所述镍钴锰酸锂三元正极材料为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2。本专利技术对所述镍钴锰酸锂三元正极材料的制备方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的方法即可，在本专利技术的一些具体实施方式中，可以选用固相法制备镍钴锰酸锂三元正极材料。所述酸溶液选自稀盐酸、稀硫酸或稀硝酸溶液，所述酸溶液中酸的浓度为1～8mol/L，优选为2～7mol/L。其中，本专利技术将镍钴锰酸锂三元正极材料与酸溶液混合进行反应过程中，镍钴锰酸锂三元正极材料在酸溶液中进行质子交换，反应的时间为2h～15h，优选为3h～12h。将反应后的物质用去离子水和乙醇清洗干净后在烘箱中干燥，得到反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双功能催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nA)将镍钴锰酸锂三元正极材料与酸溶液混合进行反应，得到反应产物；/nB)将步骤A)所得反应产物与四甲基氢氧化铵溶液混合，进行渗透溶胀反应，得到反应产物；/nC)将步骤B)所得反应产物与四丁基氢氧化铵溶液混合，进行分层处理，得到反应产物；/nD)将步骤C)所得反应产物与过量酸溶液混合，进行造孔，得到前驱体；/nE)将所述前驱体进行煅烧，得到双功能催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种双功能催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)将镍钴锰酸锂三元正极材料与酸溶液混合进行反应，得到反应产物；
B)将步骤A)所得反应产物与四甲基氢氧化铵溶液混合，进行渗透溶胀反应，得到反应产物；
C)将步骤B)所得反应产物与四丁基氢氧化铵溶液混合，进行分层处理，得到反应产物；
D)将步骤C)所得反应产物与过量酸溶液混合，进行造孔，得到前驱体；
E)将所述前驱体进行煅烧，得到双功能催化剂。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镍钴锰酸锂三元正极材料为LiNixCoyMn1-x-yO2，其中，x＝0.3～0.5,y＝0.3～0.5。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述酸溶液选自稀盐酸、稀硫酸或稀硝酸溶液，所述酸溶液中酸的浓度为1～8mol/L。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤B)中，所述四甲基氢氧化铵溶液的固含量为10％～70％；
步骤C)中，所述四丁基氢氧化铵溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜杉杉，薛业建，刘兆平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33