一种双功能电催化剂的制备方法技术

本发明专利技术提供一种双功能电催化剂的制备方法。通过将FeCl3·

【技术实现步骤摘要】
一种双功能电催化剂的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种可充电锌空气电池，应用于电化学储能装置


技术介绍

[0002]随着科学技术的发展和物质生活的改善，地球上传统的化石能源储备已无法满足人类未来社会发展的需要，化石能源的大规模利用将带来严重的环境污染问题和温室效应。因此，能源的可持续性已迅速成为现代社会关注的焦点。为了保证能源使用的连续性和可持续性，储能技术因此变得越来越重要。目前，在储能领域中常用的电池包括铅酸电池，镍
‑
基电池，锂
‑
基电池，液流电池，钠硫电池等，其中锂离子电池具有最大的商用规模。然而，能量密度不足(实际值为150
‑
250Wh kg
‑1)和高昂的成本限制了锂离子电池的进一步开发和应用。可充电金属空气电池(MAB)已成为一种有前途的储能系统，具有相对较高的理论能量密度(1350Wh kg
‑1)，出色的安全性和环境友好性，因此受到了广泛的关注，被认为是未来的电动汽车和便携式电子设备的最终解决方案。按金属阳极分类，金属空气电池可分为几种不同的类型。其中，锂空气电池和锌空气电池是最有前途的。一方面，高活性金属锂，高成本和易燃的有机电解质均阻碍了锂空气电池的商业应用。另一方面，锌在水溶液中具有良好的稳定性，并且是具有最高比容量和从水电解质中电沉积最具活性的金属。因此，可充电锌空气电池是一种有前途的储能和生产技术。另外，其发展的关键是开发成本低，活性好，稳定性强以及制备工艺简单的ORR/OER双功能电催化剂。令人遗憾的是，ORR 和OER反应的慢动力学和过高的反应势垒导致电化学反应速率和能量转化效率的下降，严重阻碍了清洁能源转化技术的发展。为此，研究人员已经对贵金属基催化剂(例如Pt，Ru和Ir)进行了广泛的研究，因为它们可以大大提高ORR/OER的反应速率。但是，这些贵金属基催化剂的高成本和单一选择性限制了它们在电催化中的应用。
[0003]与贵金属相比，过渡金属在地球上相对便宜且丰富。近年来，过渡金属基材料如Mn、Co、Ni和Fe 都表现出优异的催化活性，在OER和ORR中取得了长足的进步。过渡金属基催化剂具有许多不同的晶体结构和活性缺陷位点，这得益于过渡金属的可变价态。另外，大量的工作集中在碳材料上，包括许多修饰策略，例如杂原子掺杂，过渡金属掺杂和缺陷引入，这些已被证明是提高电催化效率的有效方法。研究表明，氮掺杂可以提高材料的电导率和催化活性，掺杂的碳材料具有比表面积大，孔多的优点，有利于暴露更多的催化活性位，有利于提高材料的离子和电子的转移效率。因此，基于碳的过渡金属复合材料由于具有低成本，高催化活性和良好稳定性的优点而在电催化领域显示出巨大的潜力。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种双功能电催化剂的制备方法。本专利技术用于OER/ORR反应中，催化性能优异，且制备工艺简单，对设备和工艺条件的要求低，有利于推广应用。本专利技术作为空气正极应用于锌空气电池中，具有优异的充放电性能和循环稳定性。
[0005]一种双功能电催化剂的制备方法：其特征在于制备步骤如下：
[0006](1)将甲基橙溶解在超纯水中，形成澄清的橙色溶液，然后将FeCl3放入溶液中并搅拌30分钟，产生絮凝沉淀，FeCl3与甲基橙的质量比为1:4～1:5；
[0007](2)用磁力搅拌器水浴恒温25℃搅拌，随即加入吡咯单体搅拌并用封口膜密封，20
‑
30小时后分离出黑色产物，分别用热去离子水和乙醇交替抽滤，直至滤液无色澄清，最后，在真空干燥箱中于,60
‑
100℃干燥8
‑
12小时后收集黑色粉末，其中吡咯单体于FeCl3的质量比为1:1.8
‑
2.2；
[0008](3)将FeCl3·
9H2O，CoCl2·
6H2O和NiCl2·
6H2O按质量比为4
‑
6:1
‑
2:2
‑
3添加到去离子水中并水浴恒温搅拌0.5
‑
2h至完全溶解，然后将步骤(2)得到的黑色粉末加入到上述溶液中，超声分散30
‑
60min；黑色粉末的加入量为FeCl3·
9H2O质量的1
‑
1.5倍；
[0009](4)将步骤(3)得到的溶液放入冰箱中预冷，之后放入冷冻干燥机，60
‑
80小时后收集产物，然后在管式炉中升温至800℃，并在N2气氛下保温2
‑
3小时；
[0010](5)自然冷却至室温后，用1M HCl和去离子水洗涤抽滤，直至滤液保持中性，最后在真空干燥箱中干燥，即得到双功能电催化剂。
[0011]步骤(3)中所述水浴恒温的温度为40
‑
60℃。
[0012]步骤(4)中所述升温的速率为3
‑
5℃/min。
[0013]步骤(5)中所述干燥的温度为70
‑
80℃，干燥时间为8
‑
12小时。
[0014]有益效果：
[0015]本专利技术设计了一种三元合金掺杂氮
‑
碳空心纳米管结构(FeCoNi@hNCTs)的双功能电催化剂。首先，采用自降解模板法制备了PPy
‑
NTs，由于其特殊的中空结构和丰富的氮含量，它是复合型催化剂的理想载体。在热解过程中，将铁、钴、镍盐和聚吡咯冷冻干燥后获得的前驱体在800℃温度下退火，而作为基底的PPy
‑
NTs碳化形成了空心的氮掺杂碳纳米管。由于PPy
‑
NTs的空心管状框架，热解后，FeCoNi合金同时被均匀地嵌入碳基底中。
[0016]一方面，碳基体的高温退火提高了石墨化程度，降低了电荷转移阻力，促进了电子转移。另一方面，相互连接的中空管状结构大大提高了离子和电子的传输效率，促进了氧的扩散；此外，它独特的管状结构还提供了较大的比表面积，有利于暴露更多的活性位点。
具体实施方式
[0017]一种双功能电催化剂的制备方法：其特征在于制备步骤如下：
[0018](1)将甲基橙溶解在超纯水中，形成澄清的橙色溶液，然后将FeCl3放入溶液中并搅拌30分钟，产生絮凝沉淀，FeCl3与甲基橙的质量比为1:4～1:5；
[0019](2)用磁力搅拌器水浴恒温25℃搅拌，随即加入吡咯单体搅拌并用封口膜密封，20
‑
30小时后分离出黑色产物，分别用热去离子水和乙醇交替抽滤，直至滤液无色澄清，最后，在真空干燥箱中于,60
‑
100℃干燥8
‑
12小时后收集黑色粉末，其中吡咯单体于FeCl3的质量比为1:1.8
‑
2.2；
[0020](3)将FeCl3·
9H2O，CoCl2·
6H2O和NiCl2·
6H2O按质量比为4
‑
6:1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双功能电催化剂的制备方法：其特征在于制备步骤如下：(1)将甲基橙溶解在超纯水中，形成澄清的橙色溶液，然后将FeCl3放入溶液中并搅拌30分钟，产生絮凝沉淀，FeCl3与甲基橙的质量比为1:4～1:5；(2)用磁力搅拌器水浴恒温25℃搅拌，随即加入吡咯单体搅拌并用封口膜密封，20
‑
30小时后分离出黑色产物，分别用热去离子水和乙醇交替抽滤，直至滤液无色澄清，最后，在真空干燥箱中于,60
‑
100℃干燥8
‑
12小时后收集黑色粉末，其中吡咯单体于FeCl3的质量比为1:1.8
‑
2.2；(3)将FeCl3·
9H2O，CoCl2·
6H2O和NiCl2·
6H2O按质量比为4
‑
6:1
‑
2:2
‑
3添加到去离子水中并水浴恒温搅拌0.5
‑
2h至完全溶解，然后将步骤(2)得到的黑色粉末加入到上述溶液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞平，汤文皞，滕柯玮，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：