CoFe-S@3D-S-NCNT电极的制备方法和准固态锌-空气电池技术

CoFe

【技术实现步骤摘要】
CoFe
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S@3D
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S
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NCNT电极的制备方法和准固态锌
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空气电池


[0001]本专利技术涉及准固态可充电锌
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空电池制备
，空气阴极侧具体涉及新能源材料的制备


技术介绍

[0002]准固态锌
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空气电池具有能量密度高、便携、体积小、成本低、安全、环保等优点，具有很好应用前景。然而准固态锌
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空气电池的峰值功率密度低，稳定性较差，实现实际应用仍是一个巨大的挑战。空气电极作为准固态锌
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空气电池的核心部件，对电池的能量存储密度、放电峰值功率密度以及电池的循环寿命都有着重要影响。因此，开发高催化活性、高稳定性、高反应动力学的阴极电催化材料及空气电极对推动高性能准固态锌
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空气电池的实际应用具有重要意义，也会产生显著的经济价值和社会效益。目前可穿戴电子设备的发展使准固态锌
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空气电池备受关注，这要求电池在保持高性能的同时具有便携性，故而电池的设计需要同时关注其电化学性能和结构稳定性。
[0003]铂碳、氧化钌、氧化铱是目前为止对ORR和OER最有效的电催化剂。然而，这样的贵金属材料价格昂贵，也对燃料氧化分子的免疫力差。并且制备的一体化电极材料无法兼具高双功能活性，组装的准固态锌
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空气电池性能不足。无论面临何种挑战，开发一种高效、耐用的电催化剂是非常重要的。因而，本专利技术中的阴极材料旨在制备出一种经济、高效的双功能电催化剂——经硫化后的钴铁合金纳米粒子包覆在氮掺杂的碳纳米管材料，其中钴铁硫化物起着催化氧析出反应（OER）的功能、氮掺杂碳纳米管催化ORR反应的功能，此外这种碳纳米管结构材料的形貌结构、导电能力、表面组分缺陷亦能相互协同促进催化反应的进行。制备的阴极催化剂、锌阳极与电解质组成三明治结构的准固态锌
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空气电池。通过这种简便的方法制备出具有高双功能活性、高功率密度、较优异的稳定性的粉体空气电极材料应用于准固态锌
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空气电池还没有被报道。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供一种CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料及其制备方法和应用。该材料具有高的双功能活性，与锌阳极、电解质组装的具有三明治结构的准固态锌
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空气电池具有优异的峰值功率密度和较好的循环稳定性。
[0005]本专利技术的技术方案之一，一种CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料，三维碳基底原位生长CoFe合金碳纳米管的具有3D微纳米复合结构材料。CoFe
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S@3D
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S
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NCN微纳米复合材料具有3D微纳米分级结构和较好疏水性，将由CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料制备的空气阴极、锌阳极和准固态电解质组成具有三明治结构的准固态锌
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空气电池，其具有高峰值功率密度和高循环稳定性。
[0006]本专利技术的技术方案之二，上述CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：以钴盐、铁盐、2
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甲基咪唑为反应原料，得到CoFe
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MOF纳米片后经CVD退火碳化得CoFe@3D
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NCNT微纳米材料；然后在硫化钠水溶液中进行水热反应，得到CoFe@3D
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NCNT表
面覆盖钴硫化物、钴铁硫化物的CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料。
[0007]进一步地，具体包括以下步骤：(1)CoFe
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MOF纳米片的制备：钴盐、铁盐水溶液和2
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甲基咪唑水溶液组成的混合溶液中陈化后离心清洗干燥得CoFe
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MOF；(2) CoFe@3D
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NCNT的制备：在三聚氰胺存在的条件下将CoFe
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MOF纳米片在混氢氛围中进行退火得CoFe@3D
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NCNT纳米材料；(3)CoFe
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S@3D
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S
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NCNT的制备：CoFe@3D
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NCNT纳米材料浸没于硫化钠溶液中进行水热反应后洗涤干燥得CoFe
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S@3D
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S
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NCNT。
[0008]进一步地，所述步骤(1)中，钴盐可为硝酸钴、氯化钴、醋酸钴，其水溶液的浓度为5
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20g/L，铁盐可为氯化铁，硝酸铁，醋酸铁，其水溶液的浓度为0.5
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2g/L ，2
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甲基咪唑水溶液的浓度为20
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50g/L；搅拌时间2
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6h，干燥温度60℃，干燥时间10h。
[0009]进一步地，所述步骤(2)具体包括：将CoFe
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MOF纳米片放置在管式气氛炉炉管下游，三聚氰胺置于上游，置于氩气+氢气氛围中进行煅烧，然后0.5～2小时内升高温度至700～900℃继续保温1～2小时，自然降温后，得到CoFe@3D
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NCNT；所述的氩气与氢气的混合气氛中，氩气为85
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95%，氢气为5
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15%。优选方案为氩气与氢气的混合气氛中，氩气为95%，氢气为5%。
[0010]三聚氰胺与钴盐、铁盐的质量比为0.05
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0.2：5
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20：5
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20。高温气氛下，三聚氰胺中的铵根离子与气氛中少量氢气具有还原性，会将CoFe
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MOF中的金属离子还原成金属合金，金属合金在有碳源的存在下催化生长成碳纳米管。
[0011]进一步地，所述步骤(3)中：硫化钠溶液浓度为10
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20g/L；水热反应温度100
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140℃，水热反应时间6
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18h。
[0012]硫化钠溶液中的硫离子在水热环境下会三维碳骨架中的部分金属颗粒形成硫化物，并且也与碳纳米管中的部分合金也形成硫化物，这使得其催化性能得到显著改善。
[0013]本专利技术的技术方案之三，上述CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料在准固态锌
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空气电池空气电极中的应用。
[0014]本专利技术的技术方案之四，一种准固态锌
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空气电池空气电极，将上述的CoFe
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)CoFe
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MOF纳米片的制备：钴盐、铁盐水溶液和2
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甲基咪唑水溶液组成的混合溶液中陈化后离心清洗干燥得CoFe
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MOF；(2) CoFe@3D
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NCNT的制备：在三聚氰胺存在的条件下将CoFe
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MOF微纳米片在氩气与氢气的混合气氛中进行退火得CoFe@3D
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NCNT微纳米材料；(3)CoFe
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S@3D
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S
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NCNT的制备：CoFe@3D
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NCNT微纳米材料浸没于硫化钠溶液中进行水热反应后洗涤干燥得CoFe
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S@3D
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S
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NCNT。2.根据权利要求1所述的CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，钴盐包括硝酸钴、氯化钴、或醋酸钴，其水溶液的浓度为5
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20g/L；铁盐包括氯化铁、硝酸铁、或醋酸铁，其水溶液的浓度为0.5
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2g/L；2
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甲基咪唑水溶液的浓度为20
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50g/L。3.根据权利要求1所述的CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料的制备方法，其特征在于，氩气与氢气的混合气氛中，氩气为85
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95%，氢气为5
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15%。4.根据权利要求1所述的CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料的制备方法，其特征在于，氩气与氢气的混合气氛中，氩气为95%，氢气为5%。5.根据权利要求1所述的CoFe
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S@3D
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S
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NCNT微纳米复合材料的制备方法，其特征在于，三聚氰胺与钴盐、铁盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙小华，赵大福，刘秋恒，孙盼盼，吕小伟，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：