一种三功能复合膜电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三功能复合膜电极及其制备方法和应用，属于锌

【技术实现步骤摘要】
一种三功能复合膜电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种三功能复合膜电极及其制备方法和应用，属于锌
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空气电池和水分解设备集成


技术介绍

[0002]不断增长的能源需求促使人类开发可持续能源技术，如金属空气电池和水裂解系统化。析氢反应(HER)、析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)这三种基本的电化学反应需要高性能的催化剂来满足其实际应用的需求。水裂解是一种很有前途的获取清洁能源氢的方法，它需要一种高活性、稳定的OER和HER双功能电催化剂。锌空气电池具有成本低、安全性高、能量密度高(1084Wh kg
‑1)等优点，得到了广泛的研究。然而，这些催化剂经常遭受诸如动力学缓慢和活性不足的问题。因此，开发具有高效同步的ORR、OER和HER过程的多功能催化剂对于这些电化学装置是必不可少的，因为对这三个反应使用不同的催化剂将不可避免地增加装置的加工成本和复杂性。然而，HER、OER和ORR过程的多功能催化剂的开发仍然是一个主要的挑战，因为大多数催化剂只能进行特定的反应。
[0003]目前，基于Pt的化合物被认为是ORR和HER过程的高级催化剂，而RuO2或IrO2已被确定为OER过程的基准催化剂。然而，它们的高成本、稀缺性和耐久性差是其实际应用的主要障碍。因此，开发低成本、高活性、长循环寿命的多功能催化剂是实现清洁能源转化和存储技术的必要条件。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种三功能复合膜电极及其制备方法和应用。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]本专利技术的目的之一是提供一种三功能复合膜电极的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0007]S1，将壳层高分子聚合物溶解在N，N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌至溶液完全透明，继续采用磁搅拌，得到均匀的壳层前驱体溶液；
[0008]S2，将核层高分子聚合物溶解在N，N
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二甲基甲酰胺中，搅拌至溶液完全透明，加入金属源，继续采用磁搅拌，得到均匀的核层前驱体溶液；
[0009]S3，将壳层前驱体溶液和核层前驱体溶液分别转移到同轴塑料注射器中，采用铜箔作为接收板，调节纺丝速度，并在针尖和铝箔之间施加高压电，获得前驱体膜；
[0010]S4，将前驱体膜在真空干燥箱中过夜干燥，然后置于空气氛围中加热稳定，最后在氨气条件下进行热处理，得到负载金属纳米颗粒的碳纳米纤维复合膜。
[0011]进一步限定，金属源包括钴源和钒源，钴源为四水合乙酸钴或六水合硝酸钴，钒源为氯化钒或乙酰丙酮氧钒。
[0012]进一步限定，钴源和钒源的摩尔比为1：(1～5)。
[0013]进一步限定，壳层高分子聚合物为聚丙烯腈或聚乙烯吡咯烷酮。
[0014]进一步限定，核层高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。
[0015]进一步限定，纺丝速度为0.1～1.0mL/min，喷头与接收板间的距离为5～20cm，高压电为16～26kV。
[0016]进一步限定，塑料注射器为10mL。
[0017]进一步限定，真空干燥箱温度为60～80℃，时间为8～12h。
[0018]进一步限定，加热稳定温度为260～300℃，时间为1～4h。
[0019]进一步限定，热处理温度为500～900℃，时间为1～3h，升温速率为2～5℃/min。
[0020]本专利技术的目的之二是提供一种上述制备方法获得的三功能复合膜电极的应用，具体的该三功能复合膜电极用于锌
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空气电池的正极。
[0021]进一步限定，锌
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空气电池的负极为Zn，电解液为含有Zn(OAc)2的KOH溶液。
[0022]本专利技术的目的之三是提供一种上述制备方法获得的三功能复合膜电极的应用，具体的该三功能复合膜电极用于整体分解水系统的阴极和阳极。
[0023]进一步限定，整体分解水系统的电解液为KOH溶液。
[0024]本专利技术与现有技术相比本申请还具有以下有益效果：
[0025](1)本专利技术采用同轴静电纺丝以及高温蒸发壳层聚合物的方式，获得一种担载在中空碳纳米纤维上的CoN/VN纳米颗粒薄膜，简称为CoN/VN@NCNF，这种中空结构的碳纳米纤维不仅可以防止纳米粒子的聚集，还可以提供大的比表面积和更多的可接近的反应位点，这在很大程度上提高了HER、OER和ORR催化性能。
[0026](2)本专利技术制备的CoN/VN@NCNF三功能复合膜体现高的HER、OER和ORR优异活性，组装的全解水仅需1.62V就可以获得10mA cm
‑2的电流密度。此外，采用CoN/VN@NCNF三功能复合膜为正极材料的锌
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空气电池可以驱动全解水，展现出其在锌
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空气电池和全解水等能量储能和转换器件中高的潜力和实用性。
[0027](3)本专利技术提供的CoN/VN@NCNF三功能复合膜制备方法简便，且安全环保。
附图说明
[0028]图1为实施例1获得的CoN/VN@NCNF复合膜的扫描电镜照片；
[0029]图2为实施例1获得的CoN/VN@NCNF复合膜的XRD谱图；
[0030]图3为实施例1获得的CoN/VN@NCNF复合膜的分解水极化曲线；
[0031]图4为实施例1获得的CoN/VN@NCNF复合膜组装的锌空气电池的开路电压测试图；
[0032]图5为实施例1获得的CoN/VN@NCNF复合膜组装的锌空气电池驱动的水分解系统的照片。
具体实施方式
[0033]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。
[0034]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。
[0035]其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本专利技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0036]具体实施方式一：
[0037]本实施方式制备三功能复合膜电极的方法包括以下步骤：
[0038]S1，将壳层高分子聚合物溶解在N，N
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二甲基甲酰胺中，搅拌至溶液完全透明，继续采用磁搅拌，得到均匀的壳层前驱体溶液；
[0039]其中，壳层高分子聚合物为聚丙烯腈；
[0040]S2，将核层高分子聚合物溶解在N，N
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二甲基甲酰胺中，搅拌至溶液完全透明，加入金属源，继续采用磁搅拌，得到均匀的核层前驱体溶液；
[0041]其中，核层高分子聚合物为聚甲基丙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三功能复合膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，将壳层高分子聚合物溶解在N，N
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二甲基甲酰胺中，搅拌至溶液完全透明，继续采用磁搅拌，得到均匀的壳层前驱体溶液；S2，将核层高分子聚合物溶解在N，N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌至溶液完全透明，加入金属源，继续采用磁搅拌，得到均匀的核层前驱体溶液；S3，将壳层前驱体溶液和核层前驱体溶液分别转移到同轴塑料注射器中，采用铜箔作为接收板，调节纺丝速度，并在针尖和铝箔之间施加高压电，获得前驱体膜；S4，将前驱体膜在真空干燥箱中过夜干燥，然后置于空气氛围中加热稳定，最后在氨气条件下进行热处理，得到负载金属纳米颗粒的碳纳米纤维复合膜。2.根据权利要求1所述的三功能复合膜电极的制备方法，其特征在于，金属源由摩尔比为1：(1～5)的钴源和钒源组成，钴源为四水合乙酸钴或六水合硝酸钴，钒源为氯化钒或乙酰丙酮氧钒。3.根据权利要求1所述的三功能复合膜电极的制备方法，其特征在于，壳层高分子聚合物为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王蕾，欣欣，付宏刚，张旭，佟苗苗，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：