一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌-空气电池阴极催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌

【技术实现步骤摘要】
一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌
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空气电池阴极催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于金属空气电池领域，具体涉及一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌
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空气电池阴极催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]锌
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空气电池的核心是催化剂。催化剂的关键指标是催化活性和稳定性，催化活性越高电流密度就越大，稳定性越好电池寿命就越长。目前大部分电催化剂的结构主要为贵金属纳米颗粒与碳材料相结合，常用的贵金属是铂。当前国内生产和科研上常用的是20wt%Pt/C系列催化剂。然而，Pt价格高、储量低等问题严重阻碍了锌
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空气电池的商业化进程。发展低成本、高性能的氧还原（ORR）催化剂是解决铂资源短缺、降低燃料电池成本、实现燃料电池商业化的关键。研究发现，铁基/碳材料在碱性电解液中对ORR过程具有一定的催化活性，有取代Pt的潜力。因此，提升铁基的碳材料在碱性条件下的ORR催化性能而应用于锌
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空气电池中是一个重要课题。以壳聚糖和铁氰化钾分别作为碳源和铁源，利用壳聚糖通过氨基质子化溶解于乙酸水溶液中形成的正电荷与铁氰化钾溶液中的[Fe(CN)6]3‑
通过静电作用形成Fe
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壳聚糖水凝胶，经过真空冷冻干燥和热解形成Fe3C/C气凝胶，再将其热处理去除部分碳原子形成具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶纳米材料。得到的纳米材料具有良好的导电性，结构有序，易于加工。不但解决了传统方法的工艺繁琐、成本高等问题，还提高了催化效率，减少了铂催化剂的使用量，改善了催化剂产品的稳定性和寿命。

技术实现思路

[0003]本专利技术利用来源丰富且可再生的壳聚糖作为原料，制备了可用作锌
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空气电池阴极催化剂的具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶。
[0004]本专利技术制备过程简单，不需要昂贵设备，所得产品质量高性能好，在将来锌
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空气电池的大规模应用中具有光明的前景。
[0005]一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶锌
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空气电池催化剂的制备方法，制作过程包括以下步骤：1）配置200mL质量分数0.3%的壳聚糖乙酸水溶液，将其滴入0.1M铁氰化钾溶液中，缓慢搅拌后浸泡，得到铁
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壳聚糖水凝胶；2）利用冷冻干燥把铁
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壳聚糖水凝胶制备成铁
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壳聚糖气凝胶；3）铁
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壳聚糖气凝胶在管式炉中，在氩气氛围下，经过700℃煅烧1小时，得到碳化铁/碳气凝胶；4）用浓度为3M的盐酸水溶液把碳化铁/碳气凝胶中的氧化铁等纳米颗粒除掉得到碳化铁/碳气凝胶；5）用电化学工作站及旋转圆盘电/极测试上述产物在0.1MKOH电解液下的ORR催化活性；
6）将上述得到的碳化铁/碳气凝胶材料作为阴极催化剂材料组装一次锌空电池，并测试其电池性能。
[0006]本专利技术具有以下优点：本专利技术使用的原料主要是节肢动物如虾、蟹、昆虫等外壳中提取的甲壳素经过脱乙酰处理得到的壳聚糖，原料来源广泛、环保绿色、安全性高，是一种巨大的可再生资源。
[0007]本专利技术方法制备的具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶，可用作性能优异的锌
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空气电池阴极催化剂，具有较高催化活性和良好的稳定性。
[0008]本专利技术方法制备的具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶可大量合成，不需要昂贵设备，可广泛用于锌
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空气电池中。
附图说明
[0009][0010]图1是具体实施例1得到的碳化铁/多孔碳气凝胶的SEM图，明显可见具有明显的气凝胶大孔
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介孔结构；
[0011]图2是具体实施例1得到具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶的XPS测试，催化剂主要由C、N、O、Fe元素组成，N元素主要以石墨氮和吡啶氮形式存在，O元素主要来自空气氧化。
[0012]图3是具体实施例1得到碳化铁/多孔碳气凝胶在碱性电解液下的ORR催化活性，在0.1 M KOH电解液下的半波电位为0.78 V；在0.1 M KOH电解液下的测试15个小时之后，其电池密度还能维持初始的97%；由其组装的一次锌空气电池的容量密度达到了150 mW cm
‑2。
[0013]图4是具体实施例2得到具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶在碱性电解液下的ORR催化活性，在0.1 M KOH电解液下的半波电位为0.84 V；在碱性电解液下的稳定性，在0.1 M KOH电解液下的测试15个小时之后，其电池密度还能维持初始的93%；由其组装的一次锌空气电池的容量密度达到了200 mW cm
‑2。
[0014]图5是具体实施例3得到具有缺陷结构的碳化铁/氮掺杂多孔碳气凝胶在碱性电解液下的ORR催化活性，在0.1 M KOH电解液下的半波电位为0.87 V；在碱性电解液下的稳定性，在0.1 M KOH电解液下的测试15个小时之后，其电池密度还能维持初始的95%由其组装的一次锌空气电池的容量密度达到了254 mW cm
‑2。
[0015]图6由上到下分别是到具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶在0.1 M KOH电解液下的半波电位为0.84 V，和具有缺陷结构的碳化铁/氮掺杂多孔碳气凝胶在0.1 M KOH电解液下的半波电位为0.87 V。
具体实施方式
[0016][0017]以下结合具体实施例，对本专利技术进行详细说明。
[0018]实施例11）配置200 mL质量分数1
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3 %的壳聚糖乙酸水溶液，将其滴入0.1 M铁氰化钾溶液中，缓慢搅拌后浸泡，得到铁
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壳聚糖水凝胶；2）利用冷冻干燥把铁
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壳聚糖水凝胶制备成金属壳聚糖气凝胶；
3）铁
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壳聚糖气凝胶在管式炉中，在氩气氛围下，经过700 ℃煅烧1小时，得到氮/硫共掺杂碳气凝胶；4）用浓度为3 M的盐酸水溶液把碳化铁/碳气凝胶中的氧化铁等纳米颗粒除掉得到碳化铁/多孔碳气凝胶；5）用电化学工作站及旋转圆盘电极测试上述产物在0.1 M KOH电解液下的ORR催化活性;6）将上述得到的碳化铁/碳气凝胶材料作为阴极催化剂材料组装一次锌空电池，并测试其电池性能。
[0019]实施例21）配置200 mL质量分数0.3 %的壳聚糖乙酸水溶液，将其滴入0.1 M铁氰化钾溶液中，缓慢搅拌后浸泡，得到铁
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壳聚糖水凝胶；2）利用冷冻干燥把金属
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壳聚糖水凝胶制备成铁
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壳聚糖气凝胶；3）铁
‑
壳聚糖气凝胶在管式炉中，在氩气氛围下，经过700 ℃煅烧1小时，得到碳化铁/碳气凝胶；4）用浓度为3 M的盐酸水溶液把碳化铁/碳气凝胶中的氧化铁等纳米颗粒除掉得到碳化铁/多孔碳气凝胶；5）将得到的碳化铁/多孔碳气凝胶进行高温热处理（1000 ℃，1小时），除掉一部分碳原子，得到具有缺陷结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有缺陷结构的碳化铁/多孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：1）把一定量的壳聚糖加入乙酸水溶液中，搅拌后得到壳聚糖水溶液；2）将壳聚糖水溶液滴加入铁氰化钾水溶液中，搅拌浸泡后得到铁
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壳聚糖水凝胶；3）利用冷冻干燥把铁
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壳聚糖水凝胶制备成铁
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壳聚糖气凝胶；4）铁
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壳聚糖气凝胶在管式炉中经一定的碳化工艺煅烧，得到碳化铁/碳气凝胶；5）用盐酸水溶液把碳化铁/碳气凝胶中的氧化铁等纳米颗粒除掉得到碳化铁/多孔碳气凝胶；6）用电化学工作站和旋转圆盘电极测试上述产物的电化学性能。2.根据权利要求书1所述的制备方法,其特征在于，步骤1）中所述乙酸水溶液浓度为质量分数0.3 %，溶解温度为20

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓东，杨东江，张威，崔金峰，
申请(专利权)人：青岛旭晟东阳新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：