一种可实现生物质增值化的锌空气电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可实现生物质增值化的锌空气电池及其制备方法，属于金属空气电池及电化学技术领域；本发明专利技术利用有机分子介导生物质氧化反应替代传统锌空气电池充电过程中的析氧反应，降低电池充电电压，提高能量转换效率，同时实现生物质增值化，提高经济效益，在电化学储能和有机电合成领域具有重要和广阔的应用前景。用前景。用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种可实现生物质增值化的锌空气电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属空气电池及电化学
，具体涉及一种可实现生物质增值化的锌空气电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]金属空气电池具有较高的能量密度、固有的安全性和潜在的低成本，有望成为仅次于锂离子电池的下一代电化学能源储存和转换装置(EESCs)的候选者之一。其中，水系锌空气电池（ZABs）因其理论能量密度高（1218 Wh kg
‑1），锌金属成本低，水系电解质安全性高，并且对环境友好等优点，被认为是一种最有希望的EESCs替代品。自19世纪专利技术以来，碱性一次ZABs已在医疗和电信应用中商业化，但可充电ZABs的发展仍处于初级阶段，仍存在几个关键问题。其中的主要问题之一是电池的高充电电压，这本质上是由于缓慢的析氧反应（OER）动力学引起的。在充电过程中，该动力学涉及电极上的四个质子耦合
‑
电子转移步骤。尽管ZABs的理论电压为1.65 V，但ZABs的实际充电电压通常在2 V以上，从而导致低能量效率。此外，高充电电压带来的副反应会破坏电极结构，从而大大降低可充电ZABs的循环稳定性。因此，改善OER动力学是进一步发展可充电ZABs的一种核心策略。
[0003]为了降低ZABs的充电电压，目前，国内外已开展了大量的研究工作构建高活性OER电催化剂（如RuO2、Co3O4、NiFe层状氢氧化物等）来提高OER动力学。然而，即使使用最先进的Pd、IrO2和RuO2等贵金属基电催化剂，传统ZABs的充放电滞后电压仍大于0.8 V（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 6282
‑
6289. ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 5462
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5475. Applied Surface Science, 2022, 582, 152442）。最近的研究发现，将半导体光电极引入ZABs可改善OER动力学，显著降低ZABs的充电电压。例如，在365 nm的紫外光照射下，以TiO2作为空气电极，甚至可获得0.59 V的超低充电电压，显著低于ZABs的理论电压（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 18140
‑
18144）。然而，半导体光电极的光腐蚀、光的间歇性等问题仍限制着光敏可充电ZABs的实际应用。另外，OER的产物为氧气，经济价值较低。
[0004]由此可见，为促进ZABs的发展，提高ZABs的能量转换效率和经济效益，其高充电过电压是亟待解决的技术问题；其次，现有的解决方案存在成本高、可靠性差等问题。
[0005]因而，提供一种采用热力学和动力学更有利的生物质氧化反应替代传统ZABs充电过程中的OER可实现生物质增值化的锌空气电池及其制备方法，已是一个值得研究的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于：本专利技术提供一种可实现生物质增值化的锌空气电池及其制备方法，开发一种新型的水系可充电ZABs，该ZABs具有低充电电压，电池充电过程中可同步实现生物质分子的增值化，提高能量效率和经济效益。本方法制备的ZABs以有机分子催化剂和生物质分子为电解液添加剂，充电过程中，电解液中的有机分子催化剂在电极表面直接氧化形成阳离子中间体，该阳离子中间体催化生物质分子氧化生成增值产物，其本身被还原为羟胺。在碱性条件下，羟胺与阳离子中间体发生歧化反应生成有机分子催化剂，从而完
成电化学反应循环。放电时，阴极发生氧还原反应(ORR)，由于ORR (1.23 V vs. NHE)比有机分子催化剂的还原反应(
‑
0.38 V vs. NHE)在热力学上更有利，因此阴极优先发生ORR反应，这是该新型ZABs能够保持高放电电压的关键。也意味着通过使用有机分子催化剂和生物质分子作为电解质添加剂，可以在可充电的水ZABs中同时实现低充电电压、生物质增值化和高放电电压。该新型ZABs的充电电压可降低至1.6 V，表现出超过400小时的充放电循环稳定性。该方法所制备的ZABs提供了一种降低金属空气电池充电电压的有效策略。更重要的是，这种新型ZABs制备过程简单，成本低，可大规模投入生产，是一种生物质转化甚至是有机电合成反应的高效、绿色途径。
[0007]一种可实现生物质增值化的锌空气电池，包括金属锌负极、疏水碳纸空气阴极、含有机分子催化剂和生物质分子的水系电解液；充电过程中，水系电解液中的有机分子催化剂在电极表面直接氧化形成阳离子中间体，所述阳离子中间体催化生物质分子氧化生成增值产物，所述阳离子中间体本身被还原为羟胺；在碱性条件下，羟胺与阳离子中间体发生歧化反应生成有机分子催化剂，从而完成电化学反应循环；放电时，阴极发生氧还原反应，由于氧还原反应比有机分子催化剂的还原反应在热力学上更有利，则阴极优先发生ORR反应，使用有机分子催化剂和生物质分子作为电解质添加剂，在可充电的水ZABs中同时实现低充电电压、生物质增值化和高放电电压。
[0008]所述有机分子催化剂为TEMPO及TEMPO衍生物中的任一种。
[0009]所述生物质分子为葡萄糖、甲醇、乙醇、苯甲醇、5
‑
羟甲基糠醛、丙三醇中的任一种。
[0010]所述水系电解液采用KOH、NaOH水溶液中的任一种。
[0011]一种可实现生物质增值化的锌空气电池的制备方法，包括以下步骤：步骤1.电极和水系电解液准备：对金属锌片/板进行打磨以除去表面氧化层，作为负极；以疏水碳纸为正极；配制含TEMPO和葡萄糖的KOH水溶液或含TEMPO和葡萄糖的NaOH水溶液，作为水系电解液，备用；步骤2.电池组装：将步骤1中正极、负极分别固定在电池两侧，正极采用空气电极的形式进行固定，使之形成固、液、气三相反应界面；利用蠕动泵对电解液进行循环，加快生物质分子的传质过程，使生物质分子充分反应。
[0012]所述步骤1中水系电解液制备方法包括以下步骤：步骤a1.将KOH固体或NaOH固体溶解于去离子水中，配制成KOH水溶液或NaOH水溶液；步骤a2.将TEMPO固体溶解于步骤a1中所述KOH水溶液或NaOH水溶液，得到含TEMPO的KOH水溶液或含TEMPO的NaOH水溶液；步骤a3.将葡萄糖溶解于步骤a2中含TEMPO的KOH水溶液或含TEMPO的NaOH水溶液中，得到含葡萄糖和TEMPO的KOH水溶液或含葡萄糖和TEMPO的NaOH水溶液，即为步骤1的中水系电解液；所述水系电解液中同时含有葡萄糖和TEMPO；步骤a1.中的所述KOH或NaOH水溶液的浓度为1~6 mol L
‑1；步骤a2.中的所述含TEMPO的KOH水溶液或含TEMPO的NaOH水溶液中TEMPO的浓度为1~20 mmol L
‑1，采用乙腈配制；步骤a3.中的所述含葡萄糖和TEMPO的KOH水溶液或含葡萄糖和TEMPO的NaOH水溶
液中葡萄糖的浓度为10~200 mmol L
‑1。
[0013]所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可实现生物质增值化的锌空气电池，其特征在于：包括金属锌负极、疏水碳纸空气阴极、含有机分子催化剂和生物质分子的水系电解液；充电过程中，所述水系电解液中的有机分子催化剂在电极表面直接氧化形成阳离子中间体，所述阳离子中间体催化生物质分子氧化生成增值产物，所述阳离子中间体本身被还原为羟胺；在碱性条件下，羟胺与阳离子中间体发生歧化反应生成有机分子催化剂，从而完成电化学反应循环；放电时，阴极发生氧还原反应，由于氧还原反应比有机分子催化剂的还原反应在热力学上更有利，则阴极优先发生ORR反应，使用有机分子催化剂和生物质分子作为电解质添加剂，在可充电的水ZABs中同时实现低充电电压、生物质增值化和高放电电压。2.根据权利要求1中所述的可实现生物质增值化的锌空气电池，其特征在于：所述有机分子催化剂为TEMPO及TEMPO衍生物中的任一种。3.根据权利要求1中所述的可实现生物质增值化的锌空气电池，其特征在于：所述生物质分子为葡萄糖、甲醇、乙醇、苯甲醇、5
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羟甲基糠醛、丙三醇中的任一种。4.根据权利要求1中所述的可实现生物质增值化的锌空气电池，其特征在于：所述水系电解液采用KOH、NaOH水溶液中的任一种。5.一种如权利要求1
‑
4任一项所述可实现生物质增值化的锌空气电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1.电极和水系电解液准备：对金属锌片/板进行打磨以除去表面氧化层，作为负极；以疏水碳纸为正极；配制含TEMPO和葡萄糖的KOH水溶液或含TEMPO和葡萄糖的NaOH水溶液，作为水系电解液，备用；步骤2.电池组装：将步骤1中正极、负极分别固定在电池两侧，正极采用空气电极的形式进行固定，使之形成固、液、气三相反应界面；利用蠕动泵对电解液进行循环，加快生物质分子的传质过程，使生物质分子充分反应。6.根据权利要求5所述可实现生物质增值化的锌空...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚勇，龙娅婷，郑艳，李思萍，邓红芬，张玉霞，何斌鸿，侯朝辉，
申请(专利权)人：湖南理工学院，
类型：发明
国别省市：