多功能电催化剂及其制备方法、二次电池技术

本申请属于催化剂技术领域，尤其涉及一种多功能电催化剂及其制备方法，以及一种二次电池。其中，多功能电催化剂的制备方法，包括步骤：制备三嗪类含氮杂环有机化合物的自聚物；将盐酸多巴胺与所述自聚物分散在碱性溶液中，进行聚合反应，在所述自聚物表面形成聚多巴胺包覆层，得到共聚物；在惰性气氛下，对所述共聚物进行烧结处理，得到杂原子掺杂碳基体的多功能电催化剂。本申请提供的多功能电催化剂的制备方法，工艺简单，便于控制，适用于大规模的商业化生产和应用，通过电催化剂中杂原子的相互协同作用，同时提高了催化剂的电催化活性、氧还原活性和析氧活性，可应用于金属空气电池和燃料电池等电池体系中，适用范围广，应用灵活方便。方便。方便。

【技术实现步骤摘要】
多功能电催化剂及其制备方法、二次电池


[0001]本申请属于催化剂
，尤其涉及一种多功能电催化剂及其制备方法，以及一种二次电池。

技术介绍

[0002]金属空气电池，因为其具有高安全性，高能量密度等特点，有望广泛应用于实际生活中。然而当前的金属空气电池大多数为一次性电池，要想大规模应用需开发可充电金属空气电池。可充电金属空气电池的关键在于其充放电时，空气电极上缓慢的氧还原反应(Oxidation
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reduction reaction，ORR)和析氧反应(Oxygen evolution reaction，OER)需要高效的双功能催化剂。目前，广泛使用的ORR/OER催化剂分别是商业铂基电催化剂和钌基电催化剂，然而铂基电催化剂的价格高，储量低，易中毒；钌基电催化剂也存在成本高，稳定性差等缺点，大大阻碍了此类电池的商业化进程。为此，科研人员开始研究可替代铂和钌基催化剂的非贵金属双功能电催化剂。大量的研究工作表明新型的非贵金属电催化剂有望替代商业铂基催化剂，然而已研发的非贵金属电催化剂的活性还不能满足人们对催化剂的要求。
[0003]目前，非贵金属催化剂主要有以下几种：1)杂原子掺杂碳材料；2)过渡金属氧化物；3)金属
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非金属杂化催化剂。其中，过渡金属氧化物电催化性能优异，然而其大多数过渡金属氧化物为半导体，其电导率较差不利于氧还原的进行。金属
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非金属杂化催化剂的单一电催化性能大多很好，然而其双功能性能还有待提高，且成本高于杂原子掺杂碳材料。杂原子掺杂碳材料的电催化性能以及双功能性能还有待提高。

技术实现思路

[0004]本申请的目的在于提供一种多功能电催化剂及其制备方法，以及一种二次电池，旨在一定程度上解决现有ORR/OER双功能电催化剂成本高，电催化性能及双功能性能有待提高的问题。
[0005]为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
[0006]第一方面，本申请提供一种多功能电催化剂的制备方法，包括以下制备步骤：
[0007]制备三嗪类含氮杂环有机化合物的自聚物；
[0008]将盐酸多巴胺与所述自聚物分散在碱性溶液中，进行聚合反应，在所述自聚物表面形成聚多巴胺包覆层，得到共聚物；
[0009]在惰性气氛下，对所述共聚物进行烧结处理，得到杂原子掺杂碳基体的多功能电催化剂。
[0010]进一步地，所述制备三嗪类含氮杂环有机化合物的自聚物的步骤包括：按化学计量数之比，将至少两种含有不同活性官能团的三嗪类含氮杂环有机化合物溶解在溶剂中，进行交联反应，分离得到所述三嗪类含氮杂环有机化合物的自聚物。
[0011]进一步地，所述活性官能团包括氨基、羟基、巯基中的至少一种。
[0012]进一步地，所述三嗪类含氮杂环有机化合物选自三聚氰胺、三聚氰酸、三聚硫氰酸、磷酸三聚氰胺中的一种。
[0013]进一步地，所述交联反应的步骤包括：将两种含有不同活性官能团的所述三嗪类含氮杂环有机化合物分别分散在温度为
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30℃～80℃的水中，将所述三嗪类含氮杂环有机化合物的水溶液混合后反应0.5～10小时，分离干燥，得到所述自聚物。
[0014]进一步地，所述盐酸多巴胺与所述自聚物的质量比为1：(1～3)。
[0015]进一步地，所述碱性溶液包括体积比为1:(80～120):(200～250)的氨水、乙醇和水。
[0016]进一步地，所述聚合反应的步骤包括：将盐酸多巴胺与所述自聚物分散在碱性溶液中后，混合处理1～5天，分离干燥，得到所述共聚物。
[0017]进一步地，所述多功能电催化剂为中空管状多孔结构。
[0018]进一步地，所述烧结处理的条件包括：在含有氮气、氩气、氦气至少一种气体的惰性气氛下，以2～5℃/min的升温速率将所述共聚物升温至700～1100℃，保温1～2小时，得到所述多功能电催化剂。
[0019]第二方面，本申请提供一种多功能电催化剂，所述多功能催化剂包括中空管状多孔结构的碳基体和掺杂在所述碳基体中的杂原子，所述杂原子包括氮元素、硫元素、磷元素中的至少一种。
[0020]进一步地，所述多功能电催化剂中，所述杂原子的掺杂质量百分含量为1％～12％。
[0021]进一步地，所述多功能电催化剂的比表面积为400～800m2/g。
[0022]第三方面，本申请提供一种二次电池，所述二次电池中含有上述的方法制备的多功能电催化剂，或者含有上述的多功能电催化剂。
[0023]进一步地，所述二次电池为燃料电池或者金属空气电池。
[0024]本申请第一方面提供的多功能电催化剂的制备方法，工艺简单，便于控制，适用于大规模的商业化生产和应用，制备的多功能电催化剂的碳基体中可原位且均匀掺杂有多种杂原子，通过电催化剂中杂原子的相互协同作用，同时提高了催化剂的电催化活性、氧还原活性和析氧活性，可应用于金属空气电池和燃料电池等电池体系中，适用范围广，应用灵活方便。
[0025]本申请第二方面提供的多功能电催化剂，一方面，多功能电催化剂为具有多级孔结构的中孔管状结构，比表面积大，活性位点多，有利于其他材料负载，同时提高了催化剂的催化活性以及导电性能；另一方面，多功能催化剂中掺杂有多种杂原子，通过杂原子的相互协同作用，同时提高了催化剂的电催化活性、氧还原活性和析氧活性，可应用于金属空气电池和燃料电池等电池体系中，适用范围广，应用灵活方便。
[0026]本申请第三方面提供的二次电池，由于采用了上述中空管状多孔结构的多功能电催化剂，该催化剂的碳基体中原位均匀掺杂了多种杂原子，其催化活性高，且氧还原活性和析氧活性高，可显著提高二次电池体系中氧还原反应和析氧反应活性，从而提高电池的循环充放电效率，提高了其电化学性能。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1是本申请实施例3、7、11提供的多功能电催化剂的扫描电镜图SEM；
[0029]图2是本申请实施例1～4提供的多功能电催化剂的BET氮气的吸附脱附曲线图；
[0030]图3是本申请实施例1～4提供的多功能电催化剂在0.1M氢氧化钾溶液中的极化曲线图；
[0031]图4是本申请实施例3提供的多功能电催化剂和对比例1商业Pt/C
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RuO2催化剂组装成锌空气电池的循环充放电曲线图；
[0032]图5是本申请实施例3提供的多功能电催化剂组装成两个锌空气电池串联起来可驱动2.8V的LED灯泡测试图；
[0033]图6是本申请实施例7提供的多功能电催化剂和对比例2商业Pt/C催化剂在0.1M氢氧化钾溶液中的极化曲线图；
[0034]图7是本申请实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：制备三嗪类含氮杂环有机化合物的自聚物；将盐酸多巴胺与所述自聚物分散在碱性溶液中，进行聚合反应，在所述自聚物表面形成聚多巴胺包覆层，得到共聚物；在惰性气氛下，对所述共聚物进行烧结处理，得到杂原子掺杂碳基体的多功能电催化剂。2.如权利要求1所述的多功能电催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备三嗪类含氮杂环有机化合物的自聚物的步骤包括：按化学计量数之比，将至少两种含有不同活性官能团的三嗪类含氮杂环有机化合物溶解在溶剂中，进行交联反应，分离得到所述三嗪类含氮杂环有机化合物的自聚物。3.如权利要求2所述的多功能电催化剂的制备方法，其特征在于，所述活性官能团包括氨基、羟基、巯基中的至少一种；和/或，所述三嗪类含氮杂环有机化合物选自三聚氰胺、三聚氰酸、三聚硫氰酸、磷酸三聚氰胺中的一种。4.如权利要求3所述的多功能电催化剂的制备方法，其特征在于，所述交联反应的步骤包括：将两种含有不同活性官能团的所述三嗪类含氮杂环有机化合物分别分散在温度为
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30℃～80℃的水中，将所述三嗪类含氮杂环有机化合物的水溶液混合后反应0.5～10小时，分离干燥，得到所述自聚物。5.如权利要求1～4任一项所述的多功能电催化剂的制备方法，其特征在于，所述盐酸多巴...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄凯声，李章见，姚跃超，
申请(专利权)人：深圳万悟生长实业有限公司，
类型：发明
国别省市：